01.05.2014. - Экзопланеты бывают разные, но на каких из них может существовать жизнь

Экзопланеты бывают разные, но на каких из них может существовать жизнь

Горячие, холодные, темные странники и горящие в планетарном аду, твердые, как алмаз, и вязкие, как кисель – экзопланеты бывают разные. Но на каких из них может существовать жизнь? И какая она – похожа на нашу, а может быть, на ней живут существа, питающиеся аммиаком, метаном или даже металлом? Как ищут внеземной разум? Об этом и многом другом нам рассказали в Главной (Пулковской) астрономической обсерватории РАН.

Ведущий научный сотрудник лаборатории астрометрии и звездной астрономии, доктор наук Наталия Шахт:

- На 26 февраля этого года достоверно подтверждено существование 1077 экзопланет в 814 звездных системах, чтобы постороить на одной из них дом потребуется проект ландшафтного дизайна. Но количество кандидатов в экзопланеты, конечно, значительно больше. Считается, что около 34% звезд солнечного типа могут иметь планеты в обитаемой зоне, подобные Земле. От 17 до 20% звезд с планетами – это двойные системы. В зависимости от орбитальной конфигурации, планетные системы делятся на две группы: S- и P-типа. Орбитой S-типа называется орбита, по которой планета вращается вокруг одной из компонент двойной звезды, а орбитой P-типа – когда планета вращается сразу вокруг двух звезд. Сейчас появляются расчеты, которые свидетельствуют о том, что теоретически возможен третий тип L – либрационный – когда планета, главная звезда и вторая компонента расположены так, как расположены Солнце, Юпитер и его троянцы (малые планеты – астероиды).

- Наталия Андреевна, расскажите о том, что такое обитаемая зона звезды и о ее характеристиках.

- Понятие «обитаемая зона» уже давно обсуждали ученые, в том числе такие известные, как американский астроном Карл Саган и наш соотечественник астрофизик Иосиф Самуилович Шкловский. Считается, однако, что впервые наиболее четко понятие обитаемой зоны дал китайский ученый Су Шухань в 1959 году. Обитаемая зона – это условная область в космосе, определенная из того расчета, что условия на поверхности планеты, находящейся в этой области, будут близки к земным. Там будет вода в жидком состоянии и водно-углеродный обмен. Это определение изначально было довольно тривиальным, однако потом оказалось, что обитаемая зона – это очень сложное понятие, и концепцию обитаемой зоны специалисту в одной области науки очень трудно определить, нужны скоординированные усилия не только астрономов, но и геологов, астробиологов, биологов, химиков и т. д. Дело в том, что в понятие обитаемой зоны входит очень большое число факторов.

Для одиночной звезды обитаемая зона имеет сферическую форму, такую же форму она имеет для каждого компонента двойной широкой системы, где звезды находятся на больших расстояниях друг от друга, а для кратно-орбитальной системы (тесной двойной) такая зона принимает форму деформированного сфероида, и понять, где начинаются и заканчиваются границы этой зоны, очень сложно.

Чтобы зона считалась обитаемой, необходимо, чтобы было соблюдено много условий. Источником энергии планеты должна быть родительская звезда. Известно, что в нашей галактике могут существовать более 1 млрд планет, которые свободно движутся в космосе и не являются гравитационно связанными со звездой. В таком случае планеты не считаются потенциально пригодными для жизни. Следующее условие возможной обитаемости – определенный спектральный класс звезды (обитаемая зона бывает, как правило, у достаточно старых звезд), определенная температура звезды, возраст – от 1 до 10 млрд лет, отсутствие сверхмассивных тел, отсутствие сильных изменений светимости звезды, отсутствие увеличения потока рентгеновского и гамма-излучения, и достаточное количество ультрафиолетового излучения – для создания органического синтеза, высокая концентрация металлов и соответствующее расстояние между звездами, а еще звезда не должна находиться в шаровом скоплении, она должна быть расположена вдали от активных источников гамма-излучения, далеко от центра галактики.

Также существует индекс подобия Земле – показатель сходства планеты с Землей, где учитывается размер, плотность, масса, расстояние от звезды, температура на поверхности планеты. У Земли этот индекс равен 1, а у планет вокруг звезды Gliese (которые составляют около 10 масс Земли), первая планета которой была открыта в 2005 году, индекс равен – 0,89. Есть еще индекс обитаемости планеты, который очень сложно вычисляется, где также учитывается множество факторов. И этот индекс у Земли тоже равен 1, и далее самый большой из известных нам, этот индекс у Титана – спутника Сатурна.

Обитаемые зоны не являются статическими, они движутся при разогревании звезды, удаляются – при ее охлаждении. Рассчитывая обитаемую зону для звезды, надо учитывать изменения интенсивности ее излучения с возрастом. Например, 4 млрд лет назад на Марсе была жидкая вода. В нашей солнечной системе – протяженная обитаемая зона, внутренняя ее граница удаляется со скоростью 1 метр в год (так как растет светимость Солнца). Поэтому через 1,75 млрд лет Земля покинет обитаемую зону. Жизнь на планете может быть и под ее поверхностью – это называется эндолитической биосферой. Однако сегодня изучаются, в основном, факторы обитаемости на поверхности экзопланеты, потому что тогда в спектре звезды можно определить процесс фотосинтеза, если же жизнь находится под поверхностью – сделать это очень сложно.

- Может ли планета находиться в обитаемой зоне, но быть при этом безжизненной?

- Разумеется, планета может находиться в обитаемой зоне, но не быть обитаемой по следующим причинам: на ней может быть недостаточное количество воды, слабая гравитация, бурные геологические процессы, падение малых небесных тел.

Одно из основных условий существования обитаемой планеты в обитаемой зоне определяется температурой тройной точки воды (строго определенные значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трех фаз – твердом, жидком и газообразном состояниях – NS). Внешняя граница такой зоны должна проходить в районе 273° Кельвина или 0° С, а критическая точка воды (внутренняя) должна быть в районе 647° Кельвина, когда ни при каком давлении вода не может быть жидкой.

Помимо прочего, на планете должно быть много водных резервуаров, средняя глубина которых на планетах земного типа должна быть около 2,2 км, необходимо наличие углекислого газа в атмосфере, а также должны происходить процессы углеродно-кремниевого цикла, которые осуществляются при движении плит в литосфере, при извержении вулканов и т.д.

- Расскажите о наиболее перспективных проектах, которые, помимо прочих, дают нам надежду на обнаружение внеземной жизни.

- В середине прошлого века появился известный институт, занимающийся поиском следов внеземного разума – проект SETI в США. Именно ему мы обязаны знаменитым сигналом «Wow!» («Вау!»), внеземное происхождение которого остается весьма спорным. Позже появилась также программа Active SETI или METI (Messaging of Extra Terrestrial Intelligenсe). В отличие от SETI, которая ждет сигнала от внеземной цивилизации, Active SETI ( METI) направлена на то, чтобы самим посылать сигналы с Земли к экзопланетам. Так, известная звезда 16 Лебедя Bb с планетой 2,38 масс Юпитера является объектом программы SETI и Active SETI (METI).

В 1999 году к этой звезде было отправлено послание с помощью планетного радара в Евпатории, которое должно достигнуть 16 Лебедя в 2069 году. Также несколько лет назад к ближайшим звездам были отправлены так называемые «детские послания». «Детскими» они называются потому, что с помощью преподавателей и ученых их посылают дети – члены школьных астрономических кружков. Они надеются еще в течение жизни получить на них ответы.

Проектов по обнаружению экзопланет больше, однако многие из них в связи с финансовыми и другими трудностями пока заморожены. Но есть надежда на пока не очень известный, но перспективный французский проект NEAT Collaboration (Гренобльский университет). Проект был представлен в деталях в 2012 году. В задачи проекта входит запуск двух телескопов, которые будут летать в течение пяти лет. Сроки – с 2015 по 2020-е годы, но произойдет ли запуск именно в этот период – пока неизвестно. Цель миссии – исследовать главным образом 200 близких звезд (до 15 парсек от нас), хотя более далекие звезды тоже будут наблюдаться. Ожидаемые результаты – первая полная перепись планет земного типа, которые находятся в непосредственной близости от солнечной системы. Предполагается, что будет найдено не меньше 5 звезд с планетой 0,5 массы Земли, у 70 звезд можно найти планеты с массами от 1 массы Земли и выше, и у 200 звезд с планетами по массам больше 5 масс Земли.

- Допустим, что на планете есть все условия для возникновения жизни. Через какое время она возникнет?

- Я не могу сказать точно, когда возникают различные формы жизни. Считается, что на нашей планете она возникла примерно через 2 млрд лет после ее формирования.

- Вся жизнь на нашей планете основана на углеродных процессах. Рассматриваются ли учеными другие формы жизни?

- Такие работы есть, но в рамках концепции обитаемости в современном понимании их, возможно, не так много. Все, о чем я говорила, и все данные из астрономических публикаций, посвященные этой теме, относятся, конечно, к аналогичной нам форме жизни – углеродно-кислородной, и только жизни на поверхности планеты, а не под ней.

В литературе есть такой термин, как альтернативная биохимия. Этим занимаются биологи, генетики и другие специалисты в этой области. Основными альтернативными формами существования жизни теоретически считаются формы, где углерод в молекулах органических веществ заменяется на кремний и кислород, азот и фосфор, азот и бор. Кремний считается наиболее вероятным претендентом на роль структурообразующего атома в альтернативной биохимии. Тем более, что именно в этом качестве он используется и некоторыми организмами на Земле. Из кремния, например, формируют свой «панцирь» диатомовые водоросли. Кремний находится в той же группе, что и углерод, их свойства во многом схожи. Однако атомы кремния имеют большую массу и радиус, они сложнее образуют двойную или тройную ковалентную связь, а это может помешать образованию биополимеров. Кроме того, соединения кремния не могут быть настолько разнообразны, как соединения углерода.

Помимо замены веществ в структуре атомов рассматривается и замена воды в качестве растворителя на другие жидкости. Для поддержания жизни необходим растворитель, который должен оставаться жидким в большом интервале температур. Одним из самых популярных альтернатив воде считается аммиак. Жидкий аммиак по ряду свойств напоминает воду, но при замерзании твердый аммиак не всплывает вверх, а тонет, поэтому океан из такого аммиака будет промерзать до дна. Следующие претенденты на роль растворителя – фтороводород и цианистый водород.

- 17 апреля NASA сообщило об открытии новой экзопланеты Kepler-186f в созвездии Лебедя, которая, как предполагают, находится в зоне обитания. Это большое событие, потому что, как известно, все открытые экзопланеты, находящиеся в обитаемой зоне, можно практически перечесть по пальцам. А что вы думаете по поводу «новенькой»?

- Ничего тут удивительного нет, я даже думаю, что то, что эта планета находится в зоне обитаемости, должно подтвердиться. Но пока дополнительных данных по ней я не видела. Конечно, ее будут исследовать дальше.

Младший научный сотрудник лаборатории наблюдательной астрометрии и звездной астрономии Евгений Соков.

- Евгений, какие бывают экзопланеты?

- Наверное, самые распространенные из известных нам – это «горячие юпитеры». Известны они потому, что открыть их проще, чем другие. Они газовые, большие и находятся в непосредственной близости от звезды. Другой вид планет обнаружить сложнее, так как по мере уменьшения массы и удаления планеты от звезды – обнаружить и классифицировать планету сложнее. Поэтому вторые по шкале «известности» – это планеты типа Нептуна, большие, газовые и холодные, они легче и меньше юпитеров. Третий тип планет – самые интригующие – планеты, близкие к земному типу. Среди них есть суперземли, которые в несколько раз тяжелее Земли. Эти планеты могут быть как каменистыми, так и газовыми. Когда сталкиваешься с претендентом на такой вид планет – нужно очень тщательно проверять его массу, потому что масса может сказать, в том числе, о виде планеты.

Конечно, мы можем основываться в подавляющем большинстве случаев лишь на тех примерах жизни, которые нам известны на Земле. Есть даже такой термин – углеродный шовинизм, то есть при поиске потенциально обитаемой планеты мы ищем следы именно этой формы жизни – о других нам попросту ничего неизвестно. Хотя на различных конференциях, симпозиумах мы, конечно, пересекаемся с биологами, химиками и другими специалистами для того, чтобы обсудить, узнать что-то еще, но серьезной информации по другим формам жизни, конечно, пока нет.

У Хокинга есть серия фильмов, в одном из которых он рассказывал о жизни на экзопланетах. И вполне разумно предполагает, почему бы на них не могло бы быть другой формы существования, основанной не на углероде и кислороде, а, например, на метане. Ведь, кто знает, может быть, жизнь существует даже на газовых гигантах, может быть, есть такие существа, которые «плавают» в этой вязкой атмосфере и питаются ею.

Высокие или низкие температуры, отсутствие света и тепла – серьезное препятствие для появления и развития жизни на планете, однако даже на Земле существуют организмы, которые называются экстремофилы. Таковыми, например, являются крохотные беспозвоночные – тихоходки, которые повсеместно распространены – от Гималаев (до 6 тыс. метров над уровнем моря) до морских глубин (ниже 4 тыс. метров). Находят тихоходок и в горячих источниках, и подо льдом, и на дне океана. Они способны выносить экстремально низкие и высокие температуры, сильное ионизирующее излучение, давление и даже частично открытый космос. Поэтому на экзопланете с непригодными условиями жизни для нас теоретически могут выжить другие существа, впрочем, вероятно, только микроскопические.

- Расскажите о самых экзотических экзопланетах, существование которых предполагается на сегодняшний день.

- Можно рассказать о планете 55 Cancri e. Удивительно в этой планете то, что по массе она сравнима с Нептуном, но плотность ее намного выше. По оценкам ученых ее плотность достигает алмаза. Конечно, сам факт существования на сверхблизкой орбите (с периодом обращения планеты вокруг родительской звезды P = 0,74 дня) планеты такой плотности – удивителен, основываясь на том факте, что на таких орбитах мы по преимуществу встречаем «горячие юпитеры». Подобное обстоятельство снова запутывает нас в поиске единой модели эволюции планетных систем.

Среди интересных представителей экзопланет можно еще выделить черную, как сажа, экзопланету TrES-2b. Она является самой малоотражающей или «темной» планетой из всех открытых.

Также интересна экзопланета WASP-12b, которую сейчас многие изучают. Данные, полученные Спектрографом Космического Происхождения (COS), установленном на телескопе Хаббл, свидетельствуют о том, что эта планета обменивается материей со своей звездой. Такое явление обычно свойственно для тесных двойных звезд, но для планет было обнаружено впервые. Планета поглощается своей звездой, и, вероятно, полностью разрушится за 10 млн лет. Предполагается также и существование вокруг этой планеты газового диска, очевидно сформированного все теми же процессами поглощения вещества планеты ее родительской звездой.

Две транзитные экзопланеты HAT-P-7b и WASP-33b имеют крайне интересную особенность – по результатам спектральных наблюдений на крупнейших телескопах Keck I и Subaru было выявлено ретроградное вращение этих экзопланет или попросту обращение, противоположное направлению вращения звезды. Данный факт примечателен тем, что может указывать на предшествующее взаимодействие этих планет с какими-то другими телами, что и вызывало такое вращение этих двух экзопланет. Такой эффект в небесной механике еще называют эффектом Лидова-Козаи.

- Как вы ищете экзопланеты?

- Фактически двумя основными методами – методом лучевых скоростей и транзитным методом. Последний предполагает отслеживание экзопланеты, когда она проходит перед диском звезды. В этом случае часть звезды затмевается телом планеты – вот по этой крошечной затемненности и определяют наличие планеты. Метод лучевых скоростей состоит в определении лучевой скорости звезды в каждый момент времени. Звезду наблюдают в течение какого-то времени, наблюдают смещение линий излучений и поглощения относительно эталонной линии какого-либо химического элемента (часто в таких задачах используют линию йода). Если звезда не имеет никаких спутников, то наблюдается практически одна лучевая скорость, которая неизменна в течение длительного времени. Если же вокруг звезды что-то вращается – она начинает колебаться под действием гравитации, тем самым изменяется и лучевая скорость звезды. Таким же образом можно определить и массу вращающейся вокруг звезды планеты или другого объекта, а также прочие характеристики.

- Над чем вы сейчас работаете?

- Наша группа, думаю, одной из первых в России начала не просто теоретически искать планеты потенциально пригодные для жизни, но и осуществлять это на практике. Мы ищем не только сами планеты, но и планетные системы, изучение которых может пролить свет на то, как сформировалась и наша солнечная система, как формируются планеты вообще, как они эволюционируют и заканчивают свой жизненный путь.

- Большая часть звезд в непосредственной близости от Солнца (желтого карлика) – красные карлики, поэтому вопрос – есть ли какие-то преграды для существования жизни рядом с такими звездами, ведь их большинство?

- Нет, никаких преград нет. Просто температура красных карликов существенно ниже, чем у нашего Солнца или у гигантов, поэтому и обитаемая зона будет смещена ближе к звезде. Кроме того, именно у красных карликов наличие планет более вероятно, потому что это – старые, проэволюционировавшие звезды. Более молодые звезды достаточно активны, поэтому для них проверять наличие планет нашим основным методом – спектральным – сложнее. Ведь этот метод, как ни крути, дает все основные характеристики планеты. Дело в том, что звезды ранних классов колеблются, вибрируют, дрожат, поэтому мы не можем измерить точные лучевые скорости, а точность должна быть очень высокая – вплоть до 2 метров в секунду. Точность должна быть такой же, как если бы мы, предположим, определяли скорость бегущего на звезде человека.

Кроме того, согласно существующим на сегодняшний день теориям эволюции планет, экзопланеты как раз и должны находиться именно у красных карликов, то есть у класса М, еще у класса G – как наше Солнце. У звезд ранних спектральных классов (O и B), которые только вспыхнули, экзопланеты обнаруживают крайне редко, потому что в окрестностях такой звезды еще царит полный хаос, планеты еще только формируются. Хотя иногда их находят и возле молодых звезд тоже.

- Допустим, мы со стопроцентной вероятностью нашли планету в зоне обитаемости. Что дальше – туда нужно слетать или возможны какие-то косвенные методы изучать наличие жизни?

- Косвенные методы есть, но они требуют еще более тонкого анализа. Опять-таки, опираясь на то, что мы знаем о жизни на Земле, можно сказать, что углеродно-кислородная жизнь будет иметь углеродную составляющую в химическом спектре атмосферы планеты. Известно, что искомый углекислый газ CO2 выделяется именно живыми организмами. И если мы увидим спектральную линию СО2 или метана, то очень велика вероятность, что там есть жизнь. Но как увидеть эти спектральные линии? Когда планета проходит перед звездой – просвечивается ее атмосфера, поэтому мы можем анализировать ее химические характеристики. Зафиксировать их, как должно быть ясно, крайне сложно, нужны сверхчувствительные спектрографы, которые стоят на самых крупных телескопах. А еще звезду нужно наблюдать очень долго, чтобы накопилось достаточное количество данных о свете, несущем информации о химических элементах, входящих в суммарный спектр звезды и атмосферы планеты. Конечно, если жизнь обнаружат – полет к такой планете пока не представляется возможным. Пока все, что могут земляне – это посылать сигналы. Поэтому жизнь и ищут у самых близких звезд, потому что до них хотя бы теоретически можно дотянуться, а, может быть, в будущем и долететь.

- Раскажите об известной звездной системе 61 Лебедя – двойной звезды в созвездии Лебедя, состоящей из двух оранжевых карликов, находящейся в 11,36 световых годах от Солнца.

- Это очень интересная система. А нашей Пулковской обсерватории она интересна вдвойне, потому что ее изучают здесь с начала прошлого века. Один из сотрудников нашей обсерватории – советский астроном Александр Николаевич Дейч – наблюдал ее регулярно в течение, если не ошибаюсь, 40 лет, смотрел как смещаются эти две звезды друг относительно друга. И в конце концов пришел к выводу, что что-то возмущает орбиту обеих звезд. Так у него возникла мысль о существовании двух планет: одной планеты с массой 6 или 12 масс Юпитера на орбите звезды 61 Лебедя А и одной – с массой в 7 масс Юпитера на орбите 61 Лебедя В.

Этой звезде посвятили строки некоторые фантасты, ее изучали и изучают до сих пор. Начиная с 1980-х годов ее наблюдали в США, но никаких изменений колебаний за промежуток времени не обнаружили, поэтому сделали вывод, что никакой планеты там нет. Затем, однако, ее снова наблюдали в обсерватории Макдоналда, тоже в США, и опять засекли возможные колебания этих двух звезд. Экзопланеты ли вызывает их или какое-то иное тело – неизвестно, поэтому пока на эту систему наложили только ограничения о том, что рядом с ней могут находиться планеты. Сейчас мои коллеги снова наблюдают эту звезду. Они опять-таки засекли какие-то колебания, но эти колебания настолько малы, что сравнимы с ошибками, поэтому вопрос о наличии планет в этой системе остается открытым и требует более точных и тщательных наблюдений, которые уже начаты нашей группой.

Я со своей стороны тоже заинтересовался этим объектом, потому что именно у этой звезды впервые в мире заподозрили существование планеты, и если ее обнаружат, то это будет некая «реабилитация» российской астрономии в мире в плане нахождения экзопланет. Дело в том, что наша страна ни одной экзопланеты, к сожалению, пока не обнаружила. Пока в России тема экзопланет вообще очень слабо развивается. Сейчас, конечно, что-то наблюдают, но пока этих усилий недостаточно. Именно поэтому я пытаюсь агитировать, привлекать к этой работе людей, потому что усилий одного меня мало. Сейчас после развала СССР все запущено настолько, что мы не можем построить даже метровый телескоп. Поэтому приходится заказывать что-то, например, в Китае (2,5-метровый телескоп, принадлежащий ГАИШ (МГУ), который совсем скоро заработает на Горной Астрономической Станции рядом с Кисловодском), а это стоит очень больших денег. Государство же никаких средств на это не дает, максимум, что можно ожидать – несколько миллионов из основных фондов, дающих гранты на проведение фундаментальных исследований, а это, мягко говоря, очень мало. Остается только надеется на помощь бизнеса, который готов вкладывать деньги в заведомо неприбыльную отрасль. Понятно, что таких желающих немного. Поэтому приходится наблюдать на старых телескопах, а для того, чтобы найти планету, нужны более чувствительные приборы. Поэтому мы вынуждены искать помощи у западных коллег, и только на основе этого развивать науку.

http://naked-science.ru/article/interview/everything-about-exoplanets