18.07.2017. - Руководство по поиску обитаемых экзопланет

Руководство по поиску обитаемых экзопланет

Количество обнаруженных экзопланет постоянно растет. И нам уже не так важно найти еще одну экзопланету, как найти такую, где может быть жизнь, откуда к нам могут прилететь братья по разуму, или куда мы сами, быть может, полетим, когда Земля станет нам тесна или непригодна для жизни. Как же найти...

Что для нас значит потенциально обитаемая планета? Это планета, на которой может быть жизнь в виде бактерий или даже растений и животных, либо планета, где жизнь в результате эволюции достигла разумной формы, как наша, или даже превзошла ее. Ну и, конечно, планета, куда мы сможем, если вообразить доступность межзвездных перелетов, отправиться и чувствовать себя там как дома. Не исключая при этом необходимость ее терраформирования.

У нас есть только один пример обитаемой планеты — наша Земля. Из далекого космоса она выглядит еле различимой голубой точкой. Предполагается, что условия на Земле лучше всего подходят для появления жизни и ее продолжительного существования. Мы можем также предположить, что подобные характеристики другой планеты позволят существовать на ней жизни долгое время. Планета может быть чуть больше или меньше, несколько теплее или холоднее, но все же похожа на нашу.

И да, мы будем придерживаться все-таки «углеродного шовинизма». Что-то подсказывает, что, например, с кремниевой жизнью или азотной нам будет сложно установить контакт, да и условия на планетах, пригодных для существования таких форм жизни, вряд ли нам подойдут.

Но все звезды, кроме родного Солнца, от нас очень далеки. Как же можно что-то узнать об их планетах? К своим планетам, «близким», мы отправляем зонды, полет которых может занимать годы. Многие из них не имеют возможности вернуться, и поэтому все исследования происходят в месте прибытия. На Землю возвращается только информация, собранная приборами. Как узнать что-то о планете, к которой мы сегодня физически не можем отправить даже один исследовательский зонд? Тем более что интересных экзопланет открыто уже множество. Способы есть.

Размер

Размер экзопланеты — это, как правило, первый параметр, который ученые узнают при ее открытии. Обнаружить планеты у других звезд и определить их размер позволяет транзитный метод. Это метод-рекордсмен по открытым планетам. Именно таким способом открывает планеты орбитальный телескоп «Кеплер». Вернее, ученые, которые обрабатывают полученные от него данные.

Таким методом, в частности, была обнаружена планета Kepler-438b. Открытая в январе 2015 года в созвездии Лиры, она долгое время считалась наиболее похожей на Землю экзопланетой. И по размеру, и по температуре на поверхности она практически идентична Земле. Ее индекс подобия (Earth Similarity Index, ESI) равен 0,88 (наша планета, соответственно, принята за 1).

Сам метод транзита не позволяет обнаружить наличие планеты у какой-то конкретной звезды. С его помощью ищут планеты около звезд в определенных участках неба. Обсерватории, подобные «Кеплеру», наблюдают за участками неба с тысячами и даже десятками и сотнями тысяч звезд. Большинство из них невооруженным глазом не видны. Периодически свет некоторых звезд тускнеет на некоторое время. Регистрируя падение яркости звезды, ученые предполагают, что оно вызвано прохождением перед ней планеты. То есть между наблюдателем — телескопом — и звездой появляется препятствие, которое и вызывает уменьшение светимости звезды, естественно, с точки зрения земного наблюдателя.

Если такое падение яркости происходит через одинаковые промежутки времени, то оснований считать, что у этой звезды есть планета, уже больше. Кроме того, становится известен и ее орбитальный период.

При этом, для того чтобы обнаружить планету, ее плоскость орбиты, звезда и телескоп должны находиться практически на одной линии. Иначе ее просто не зарегистрировать. Это, по сути, небольшое затмение. В нашей системе тоже бывают подобные явления. Так, например, Луна скрывает диск Солнца во время солнечного затмения. Либо наши местные планеты — Венера и Меркурий — периодически проходят по диску Солнца.

И, как уже было сказано, транзитный метод дает возможность определить размеры небесного тела — радиус и объем. Ведь величина, на которую падает светимость звезды, зависит от размера проходящей по ее диску экзопланеты. Точно зафиксировав эту величину, можно определить размер планеты. Например, Kepler-438b больше Земли всего лишь на 12%.

Масса

Первой экзопланетой, открытой у «нормальной», то есть солнцеподобной, звезды, стала 51 Пегаса. Она же некоторое время называлась Беллерофоном, но сейчас получила официальное имя «Димидий». До этого открывали экзопланеты только вблизи пульсаров. Димидий находится от нас на расстоянии 50,1 световых года, и первоначально его считали твердой землеподобной планетой, что, конечно, подогревало к нему интерес.

Обнаружили планету методом доплеровской спектроскопии, или методом лучевых скоростей. А в дальнейшем ее существование подтвердили и транзитным методом. Хотя чаще бывает все-таки наоборот.

В случае применения метода Доплера мы также самой планеты не видим, а только наблюдаем за светом звезды. Но на этот раз нас интересует не падение яркости, а наличие красного или синего смещения в ее спектре. Если звезда удаляется от нас, ее спектр сдвигается в красную сторону, если приближается к нам — то в синюю. Почему же звезда не стоит на месте? Потому что по орбите вокруг звезды обращается планета, которая, образно говоря, раскачивает свое светило, заставляет его колебаться и, соответственно, то приближаться к наблюдателю, то удаляться от него.

Оба небесных тела движутся у одного центра масс. Астрономы уже научились определять массу звезд, а зная ее, можно определить и массу планеты. Масса и радиус экзопланеты позволяет узнать ускорение свободного падения на ее поверхности. Это значит, что мы можем, например, предположить, насколько комфортно мы бы себя чувствовали, если бы высадились на планете. Кроме того, это позволяет понять, может ли планета удерживать атмосферу. И даже предположить наличие или отсутствие в ней определенных газов. Земля, например, как известно, не держит в своей газовой оболочке легкие водород и гелий. А массивный Юпитер совсем наоборот.

Сам же Димидий, как выяснилось, для жизни совсем не пригоден. Он представляет собой так называемый «горячий Юпитер» — газовый гигант с атмосферой, разогретой, по некоторым оценкам, до 1000 °C. Его масса примерно равна половине массы Юпитера, что, кстати, отражено в названии (латинское слово dimidium означает «половина»).

Плотность

Как мы видим, массу и размер планеты не всегда удается определить одновременно. Для этого нужно два метода — транзитный и Доплера. Но после этого мы можем узнать и плотность, которая определяется как отношение массы тела к занимаемому этим телом объему. А объем планет вычисляется, если известен радиус.

Kepler-78b находится от нас на расстоянии 400 световых лет. И это первая планета размером с Землю, для которой удалось рассчитать плотность. Она, конечно, на 16% крупнее Земли и примерно на 69–85% тяжелее, но все же ее плотность равна 5,3–5,6 г/см^3. У нашей планеты этот показатель равен 5,52 г/см^3. Это позволяет предположить, что планета, как и Земля, состоит из железа и каменных пород. Вот только одно но — на этом сходства с нашей планетой заканчиваются.

Планета слишком близка к своей материнской звезде: их разделяет всего 0,01 а. е. Орбитальный период невероятно мал — он составляет каких-то 8,5 часа. Поэтому и здесь жизнь искать, вероятнее всего, бесполезно: эта планета — лавовый океан. Температура на освещенной стороне находится в интервале 2100–2800 °C. Ее поверхность покрыта лавой.

Нахождение в обитаемой зоне

Расположенная в созвездии Лебедя, на расстоянии 1400 световых лет от нас, экзопланета Kepler-452b — первая землеподобная планета, обнаруженная в «обитаемой зоне» солнцеподобной звезды. Орбитальный период планеты — 385 земных суток. То есть год на ней только на 5% дольше, чем на Земле. Соответственно, и от своего солнца она только немного дальше. Расстояние от планеты до звезды Kepler-452 (большая полуось орбиты) — 1,046 а. е. К слову, и сама звезда на 10% больше нашего Солнца. Обитаемая зона Kepler-452 по размеру практически совпадает с той, что мы имеем в Солнечной системе.

Kepler-452b прозвали «второй Землей», но все же она больше по размеру на 60%. А вот Kepler-186f стала первой планетой с радиусом, близким к земному, обнаруженной в обитаемой зоне. Она только на 13% больше нашей планеты. И так же, как и Kepler-452b, обнаружена транзитным методом благодаря телескопу «Кеплер». Вот только обитаемая зона в этой звездной системе меньше: она находится в интервале от 0,22 а. е. до 0,4 а. е. И сама планета так же близка к своей звезде, красному карлику Kepler-186, как и наш Меркурий к Солнцу, — большая полуось ее орбиты равна 0,393 а. е. К слову, как видно из названия планеты, в семействе Kepler-186 она не одинока. Но все ее четыре «сестры» с «именами» b, c, d и e в обитаемую зону не попали. Они очень близко находятся к звезде, и там слишком жарко для того, чтобы на поверхности могла быть жидкая вода.

Эти и большинство других планет считаются потенциально обитаемыми прежде всего потому, что находятся в обитаемых зонах своих звезд — то есть там, где планета может получать достаточно энергии для того, чтобы основная масса воды на планете находилась в жидком виде. Эта зона вычисляется исходя из размера и светимости звезды.

Состав атмосферы и биомаркеры

Но что же позволяет, взглянув издалека, сказать, что жизнь все-таки воспользовалась своим шансом и пробудилась на когда-то безжизненной планете? В первую очередь наличие в атмосфере планеты определенных химических соединений — биомаркеров, говорящих, например, о том, что жизнь на планете «дышит», то есть на ней идут некие биологические процессы. К примеру, взять кислород и углекислый газ. Первый выделяется растениями в результате фотосинтеза и потребляется животными в процессе дыхания, второй — выдыхается животными и поглощается растениями. Но это только один пример.

Всего же выделяют пять биомаркеров: вода, углекислый газ, метан, кислород и озон. Конечно, каждый из них может иметь свое естественное, не связанное с жизнью, происхождение. Но если их обнаружат вместе, да еще и на планете, похожей на Землю, то вероятность того, что она обитаема, будет высока.

Есть несколько способов узнать химический состав атмосферы экзопланеты. Первый — во время транзита планеты. Метод называется «трансмиссионная спектроскопия». Планета проходит между наблюдателем на Земле и своей звездой. Свет звезды проходит сквозь атмосферу экзопланеты и достигает наблюдателя. Но при этом часть света в атмосфере планеты будет поглощена. Если провести спектральный анализ, можно обнаружить химические элементы, которые в этом поучаствовали. Разбив свет звезды на радужный спектр, можно обратить внимание на провалы — темные узкие спектральные линии, каждая из которых соответствует определенному химическому элементу.

Задачи поиска потенциальных экзопланет будут стоять перед сменщиками современных телескопов «Кеплер» и «Хаббл». Сменщик первого — TESS — будет искать экзопланеты, преемник второго — «Джеймс Уэбб» — подробно изучать каждую из найденных.

Есть и еще два перспективных способа. Мы видим планеты Солнечной системы потому, что они отражают свет нашей звезды. Все планеты светят отраженным светом. В том числе и экзопланеты. Свет, идущий от некоторых планет, нам уже удается разглядеть. И здесь мы опять сможем построить спектр и попытаться найти биомаркеры. Но, кроме того, как это не покажется удивительным, планеты могут «светить» и свои светом. В данном случае речь идет о невидимом человеческому глазу инфракрасном излучении. Оба эти способа предполагают непосредственное изучение планеты, а не света, идущего от звезды. И здесь уже не имеет значение, как развернута к нашей планете плоскость ее орбиты. Но серьезные открытия в этой области еще впереди. Пока мы не располагаем достаточно мощными телескопами.

Недра планеты

Казалось бы, химический состав экзопланет вряд ли возможно определить, но ученые пытаются сделать и это. Так, две из пяти экзопланет, открытых в 2012 году около звезды Тау Кита, поспешили записать в потенциально пригодные для жизни. Но в 2015 году астрофизики из Университета Аризоны в Тусоне (США) определили химический состав звезды. Они пришли к выводу, что недра Тау Кита содержат в себе гораздо больше магния, чем наше Солнце.

Звезда и планеты, обращающиеся вокруг нее, образовались из одного и того же газопылевого облака. Следовательно, по мнению ученых, в верхних и глубинных слоях мантии этих планет содержатся существенные излишки магнийсодержащих пород — оливина и ферропериклаза. Будучи более гибкими и текучими, чем породы, доминирующие в недрах нашей планеты, они в течение долгого времени будут препятствовать формированию литосферных плит и образованию коры.

Подходящее «солнце»

Несмотря на то, что Kepler-438b уж очень похожа на Землю (ну, во всяком случае, издалека — нас разделяет около 470 световых лет), ее звезда не похожа на наше спокойное Солнце. Kepler-438 — красный карлик, по массе и размеру в два раза меньший, чем наша звезда. И он относится к вспыхивающим (переменным) звездам, которые способны резко и непериодически увеличивать светимость в несколько раз. Изучая звезду, ученые обнаружили, что вспышки на Kepler-438 происходят достаточно часто: раз в несколько сотен суток. Их мощность в десять раз превосходит солнечные. Вероятно, эти вспышки связаны с выбросами корональной массы, которые могут иметь серьезные разрушительные последствия для обитаемости планеты. В такой неспокойной обстановке планете сложно иметь атмосферу, так как она подвергается чрезмерно опасному облучению и, скорее всего, является местом, непригодным для жизни.

Если бы жизнь и смогла появиться на такой планете, то, вероятно, срок ее существования был бы недолгим. Ученые, конечно, надеются, что Kepler-438b может иметь магнитное поле, подобное Земле, но, вероятно, даже оно в таких условиях не поможет планете.

Магнитосфера

Наличие глобального магнитного поля — необходимое условие наличия жизни. Оно защищает планету от космической радиации и не позволяет солнечному ветру сдуть атмосферу. Как же его обнаружить?

Находясь на поверхности Земли, мы знаем о его существовании благодаря компасу. Магнитная стрелка, свободно поворачиваясь вокруг своей оси, располагается вдоль силовых линий магнитного поля Земли. Еще один признак существования магнитного поля — полярные сияния. Они вызываются потоками солнечного ветра, попадающими в полярную ионосферу. Земные полярные сияния хорошо видны из космоса, например, с борта Международной космической станции. Вот только на значительных расстояниях их уже не различить.

Но это не беда. Дело в том, что, помимо излучения в видимом диапазоне, полярные сияния генерируют и низкочастотные радиоволны. А вот они прекрасно распространяются в космосе, обнаружить их гораздо проще, чем само сияние. Например, полярное сияние на Юпитере впервые зарегистрировали именно этим способом — благодаря радиоизлучению.

Кроме того, этот метод позволит открыть экзопланеты, ранее не обнаруженные другими способами, установить продолжительность суток на планете, наклон оси относительно плоскости орбиты и наклон магнитного поля относительно оси вращения планеты, период ее вращения и орбитальный период, а в некоторых случаях даже наличие спутников. Ну и, собственно, определить параметры магнитного поля.

Среди инструментов, на которые рассчитывают астрофизики, — низкочастотные наземные радиотелескопы LOFAR и SKA. А в перспективе — космические радиообсерватории и даже телескопы на Луне, которые прекрасно подходят для этой цели.

Ночная подсветка инопланетных городов и другие «экзотические» признаки

Вернемся к тому, как выглядит из космоса наша, безусловно, обитаемая планета, при этом населенная представителями разумной жизни. Уже на подлете к ней гипотетический пришелец мог бы увидеть огни наших городов на неосвещенной стороне планеты, принимать наши радиосигналы и даже, возможно, расшифровать их, а также смотреть наши телепередачи, заранее, еще до прибытия на планету, знакомясь с местной жизнью. Все это можно было бы делать и из далекого космоса при наличии соответствующей аппаратуры. Вот и земные ученые уже задумались, а не поискать ли признаки других цивилизаций по искусственной подсветке их поселений в далеких мирах?

Два известных американских астрофизика — Абрахам Лёб из Гарвардского университета и Эдвин Тёрнер из Принстонского — предложили искать искусственно освещенные объекты, сопоставимые по полной яркости с крупным наземным городом, на окраинах Солнечной системы, в частности, в поясе Койпера, а в дальнейшем, по мере совершенствования оптических телескопов, распространить этот метод и за пределы Солнечной системы. В силу иного спектрального состава искусственного освещения его будет достаточно легко отделить от света материнской звезды, который отражается планетой.

А вот Лиза Калтенеггер из Гарвардского университета предлагает расширить перечень биомаркеров веществами, имеющими исключительно искусственное происхождение. То есть такими, которые в природе образовываться не должны, а примитивные организмы их не вырабатывают. К примеру, хлорфторуглероды. Он хорошо поглощают инфракрасные лучи спектра, а значит, могут быть найдены в атмосфере других планет. Если мы их когда-нибудь обнаружим, то можно будет с уверенностью сказать, что где-то в космосе есть еще живые существа, которые развились до такого уровня, что начали «цивилизованно» загрязнять свою планету.

В целом, можно сказать, что количество признаков, по которым мы можем судить о потенциальной обитаемости планет, будет только расти. Слишком много условий должно совпасть, чтобы на планете могла появиться жизнь. И их все нужно выявить, чтобы быть уверенным: планета может быть обитаема. Но для этого нам нужны новые, более совершенные инструменты.

Источник