Двадцать семь лет назад в Женевском университете Мишель Майор и Дидье Кело — ныне профессор ETH — открыли первую внесолнечную планету, вращающуюся вокруг солнцеподобной звезды. Многое произошло с момента этого первоначального открытия: к настоящему времени астрономы идентифицировали более 5000 экзопланет, многие из которых имеют размер, аналогичный Земле, в более чем 3700 различных планетных системах. Поскольку до сих пор проанализирована лишь крошечная часть Вселенной, вполне правдоподобно предположить, что жизнь может существовать на других планетах за пределами нашей Солнечной системы.
Однако, как скажет вам любой ученый, правдоподобная гипотеза — это не то же самое, что доказательство. Это заставило многих исследователей задаться вопросом, как мы можем продемонстрировать существование жизни за пределами нашей Солнечной системы. Одним из многообещающих подходов является анализ атмосферы экзопланет. Изучая линии поглощения в оптическом спектре звезды-хозяина, ученые могут определить, какие молекулы присутствуют в атмосфере экзопланеты, по крайней мере, в случае более крупных планет.
Помимо поиска признаков метана, двуокиси углерода, кислорода или водяного пара, они также заинтересованы в выявлении комбинаций, в которых встречаются эти вещества. «И метан, и кислород присутствуют в атмосфере Земли», — говорит Саша Куанц, профессор экзопланет и обитаемости в ETH Zurich. «Это химическое нарушение равновесия, которого не было бы без живых организмов». Другими словами, жизнь должна была вызвать этот дисбаланс. Обнаружение такого неравновесия в атмосфере экзопланеты, похожей на Землю, было бы сильным индикатором присутствия жизни.
В идеале, конечно, было бы лучше, если бы мы могли получать прямые изображения экзопланет, а не наблюдать за ними косвенно, когда они проходят перед своей звездой. Однако это легче сказать, чем сделать, потому что экзопланеты почти полностью скрыты ярким светом их родительских звезд. Чтобы решить эту проблему, Quanz объединился с другими исследователями, чтобы разработать инструмент для Чрезвычайно большого телескопа (ELT).
В настоящее время ведется строительство ELT в чилийской пустыне Атакама, и после ввода в эксплуатацию 39-метровое зеркало телескопа значительно расширит возможности астрономов заглянуть глубже в космос. «С помощью ELT мы впервые сможем получить прямые изображения планеты, похожей на Землю, вращающейся вокруг ближайшей звезды, потому что этот новый инструмент будет блокировать свет этой звезды», — говорит Кванц.
Один сюрприз за другим
Но куда исследователи должны направить поиски жизни? И какие сигналы они должны искать? Некоторые подсказки можно найти в физических моделях, например, разработанных Юдит Суладьи, доцентом кафедры вычислительной астрофизики, и ее группой. Эти модели можно использовать для реконструкции того, как со временем формируются планеты из исходного протопланетного диска из пыли и газа, который вращается вокруг недавно сформировавшейся звезды, а также они помогают определить, какие объекты заслуживают более пристального изучения с помощью телескопа.
Шуладьи строит модели, которые учитывают целый ряд факторов, включая гравитационные силы, магнетизм, движение газа и то, как звездный свет взаимодействует с материалом диска. Вычисляя бесчисленное количество различных комбинаций этих параметров, мы можем получить некоторое представление о разнообразии планетарных миров, которые могут существовать во Вселенной.
Тем не менее, опыт снова и снова показывает, что природа часто имеет в рукаве больше, чем предсказывают модели. Например, первые экзопланеты застали научное сообщество врасплох, потому что астрономы никогда не подозревали, что планеты-гиганты размером с Юпитер могут вращаться так близко к своей родительской звезде. Исследователи были не менее заинтригованы существованием так называемых суперземель, которые имеют каменистую форму, как Земля, но примерно в полтора раза больше.
Шулади признает, что ее модели регулярно оказываются неточными и требуют пересчета, но остается оптимистичной: «Это постоянно подталкивает нас к переосмыслению наших представлений о том, как формируются планеты». Один из ключевых вопросов, на который Шуладьи надеется ответить своими моделями, касается происхождения воды. «Жизнь на Земле требует воды», — говорит она. «Отсюда и наш интерес к местам, где есть следы воды».
Такие тела можно найти даже в нашей Солнечной системе, и астрономы стремятся узнать о них больше в ближайшие годы. Среди них спутник Юпитера Европа, под толстой ледяной корой которого, вероятно, находится океан, и Энцелад, спутник Сатурна, где ученые наблюдали фонтаны ледяных частиц, извергающихся с поверхности.
Совершенно разные миры
Геология также может дать полезные сведения о составе инопланетных миров в других планетарных системах. Паоло Сосси, доцент кафедры экспериментальной планетологии, исследует экзотические минералы, жидкости и газы, из которых состоят недра и атмосфера других планет. «В наших экспериментах мы моделируем широкий диапазон условий, — говорит он. «Они помогают нам составить картину того, что происходит на поверхности планеты и что происходит внутри нее».
Наши знания о химическом составе других планет все еще отрывочны, что усложняет задачу Сосси. «Изучение оптического спектра звезды-хозяина дает нам первоначальное представление о химическом составе планеты», — говорит Сосси. «Это обеспечивает основу для понимания того, какие элементы присутствуют и в каком количестве».
Объединив информацию о массе и диаметре различных планет с результатами моделирования, ученые могут затем сделать вывод о том, как различные элементы на самом деле распределены по всей планетной системе вокруг звезды. Наша собственная солнечная система является полезным эталоном, потому что от 60 до 70% всех изученных звездных систем имеют аналогичный химический состав. Поэтому Сосси использует численные модели, чтобы попытаться лучше понять, как сформировались Земля и соседние с ней планеты. Это дает ему информацию, необходимую для реконструкции масс, количества и распределения планет вокруг других звезд.
Однако есть и звезды, химический состав которых совершенно отличается от нашего Солнца. Например, звезда может содержать больше углерода и меньше кислорода, что может означать, что планеты, вращающиеся вокруг нее, состоят из других минералов, чем наша Земля. «Преобладающими минералами на таких богатых углеродом планетах могут быть карбид кремния и карбид титана или даже алмазы», — говорит Сосси. Это, в свою очередь, повлияет на атмосферу планеты — например, дождь на такой планете может состоять из капель графита вместо воды.
Долгосрочные перспективы
В конечном счете, успех наших поисков инопланетной жизни зависит от сочетания различных факторов. Наблюдения с помощью телескопа, лабораторные эксперименты и численные модели, несомненно, являются ключевыми элементами любой исследовательской программы. Но нам также потребуются интеллектуальные алгоритмы, способные извлекать как можно больше научной информации из огромного количества данных, а также инструменты, предоставляющие исследователям точные данные. «Разработка приборов является главным приоритетом для таких исследователей планет, как я», — говорит Кванц. «Как исследователи, мы должны понимать, как работают инструменты, чтобы знать, какую информацию мы можем получить от них».
Также важна долгосрочная перспектива, поэтому Quanz уже думает на шаг вперед. Он отвечает за международную инициативу, направленную на достижение значительных успехов в поисках инопланетной жизни. Это часть одной из крупных научных миссий, которую Европейское космическое агентство (ЕКА) запускает в период с 2035 по 2050 год.
«Мы достигаем предела того, чего можем достичь с помощью наземных телескопов, потому что все молекулы, которые мы ищем, также появляются в атмосфере Земли, а температура Земли аналогична температуре интересующих нас экзопланет. ," он говорит. «Если мы хотим избежать огромного фонового шума, создаваемого Землей, мы должны отправиться в космос. Возможно, это единственный способ обнаружить следы жизни в атмосферах экзопланет».
Однако, к сожалению, нет возможности установить в космосе такие же большие телескопы, как в пустыне Атакама. Поэтому Кванц и его коллеги предложили смелый проект, известный как Большой интерферометр экзопланет (LIFE). Идея состоит в том, чтобы разместить четыре дополнительных небольших телескопа во второй точке Лагранжа, где космический телескоп Джеймса Уэбба сделал впечатляющие изображения, недавно поразившие мир. «Объединяя сигналы измерений от нескольких небольших телескопов, мы можем достичь разрешения, аналогичного разрешению одного, более крупного телескопа». говорит Кванц. «Это позволит нам впервые получить непосредственное изображение и химически охарактеризовать десятки похожих на Землю планет».
Прежде чем это произойдет, ученым необходимо будет решить целый ряд технических проблем: телескопы должны летать в очень точном порядке, который меняется каждый раз, когда наводится новая планетная система; сигналы измерений от отдельных спутников должны быть синхронизированы с огромной точностью; и телескопы должны быть оснащены чрезвычайно чувствительными датчиками, предназначенными для улавливания небольшого количества света, исходящего от планеты. Не менее важным является вопрос о питании спутников, поскольку для их перемещения требуется значительное количество топлива.
Все это технически осуществимо, говорит Кванц, хотя это потребует серьезных усилий не только со стороны ученых, но и на уровне исследовательской политики. «В конечном счете, это вопрос приоритетов, — говорит он. «Впервые у нас есть шанс дать эмпирический ответ на вопрос, существует ли инопланетная жизнь. Поиск этого ответа коренным образом изменит наше представление о мире — это не та возможность, которую мы должны упускать».
