08.08.2019. - Как ищут пригодные для жизни планеты у Альфа Центавра

Как ищут пригодные для жизни планеты у Альфа Центавра

13 июня НАСА отчиталась об открытии 4000 экзопланет — планет за пределами Солнечной системы. Туда входят самые разные инопланетные миры, которые вращаются вокруг крошечных нейтронных звезд и распухших, умирающих солнц, «толкутся» в переполненном центре нашей галактики Млечный Путь и плавают в одиночестве в глубинах межзвездного пространства. Однако одно место явно пустовато: это Альфа Центавра, звездная система по соседству с нашей. Из-за запутанного стечения обстоятельств эта интригующая цель осталась почти неизведанной — по крайней мере, до сих пор.

Технологии поиска совершенствуются, и звезды в буквальном смысле складываются в нужном порядке, чтобы выдать секреты Альфы Центавра. «Уровень интереса к поиску [потенциально обитаемых миров] определенно растет», — говорит астрофизик Руслан Беликов из Исследовательского центра Эймса НАСА. В течение последних нескольких недель команда Беликова и другая группа во главе с Маркусом Каспером из Европейской южной обсерватории пытались разглядеть предполагаемые планеты в системе Альфа Центавра с помощью двух гигантских телескопов в Чили.

Используя новые высокоточные приборы для исследования звездного света, ученые готовятся к еще более точным поискам. Если эти усилия окажутся напрасными, несколько частных организаций разрабатывают недорогие спутники, чтобы искать предполагаемые экзопланеты из космоса. «Есть риск, потому что мы не знаем, увидим ли мы что-нибудь. На мой взгляд, риск уравновешивается вознаграждением за получение изображения Земли 2.0», — говорит Беликов.

Межзвездные близнецы

Притягательность Альфы Центавра легко понять: ученым, стремящимся найти обитаемые миры за пределами нашего, эта система кажется слишком хорошей, чтобы существовать на самом деле. Она содержит не одну звезду, напоминающую наше солнце, а целых две: Альфа Центавра А и В. Звезда А — близнец Солнца по температуре, размеру, светимости и составу; звезда B чуть меньше и холоднее. Они обе примерно на 10 процентов старше нашей Солнечной системы, оставляя достаточно времени для любой инопланетной эволюции, чтобы сделать свое дело.

Альфа Центавра также является самой близкой к нам звездной системой в галактике, находящейся всего в 4.37 световых лет от нас, что делает длительность теоретического полета к ней меньше продолжительности человеческой жизни. В качестве дополнительного бонуса, Альфа Центавра A и B имеют третьего компаньона, тусклого красного карлика по имени Проксима Центавра, который имеет собственный мир размером с Землю.

Казалось бы — вот она, земля обетованная. Эта планета, названная Проксимой b, находится в обитаемой зоне своей звезды, имея равновесную температуру около -40 градусов: это дает надежду на существование жидкой воды рядом с экватором. Но, увы, эту планету пришлось убрать из рассмотрения: «зона жизни» у красного карлика очень близка к нему, и планета вращается на расстоянии всего 7.3 млн км от него (5% расстояния между Землей и Солнцем).

В итоге она получает дозу рентгеновского излучения в 400 раз больше, чем наша родная планета, а с учетом того, что у нее нет магнитного поля, такое мощное излучение буквально испепеляет поверхность ближайшей к нам экзопланеты. И если учесть то, что красный карлик — звезда не самая стабильная, и что во время вспышки в марте 2017 года излучение Проксимы выросло на три порядка за 10 секунд — с крайне высокой долей вероятности жизни, похожей на нашу, на этой планете нет, да и колонисты в будущем едва ли смогут на ней выжить. Так что поиски продолжаются, и астрономы пытаются найти экзопланеты земного типа на орбитах вокруг более спокойных и похожих на Солнце Альфа Центавра A и B.

К сожалению, то, что делает ближайшую к нам звездную систему настолько привлекательной для поисков, также делает их чрезвычайно сложными на практике. Один из самых успешных способов найти экзопланеты — искать легкое колебание света родительской звезды. Орбитальная планета будет тянуть свою звезду взад-вперед, заставляя свет от нее попеременно казаться чуть голубее и чуть краснее обычного.

Для одиночной звезды обнаружение этих цветовых вариаций является чрезвычайно кропотливым и сложным процессом. В бинарной системе, такой как Альфа Центавра, эта задача усложняется на порядок. Свет от двух соседних звезд имеет тенденцию смешиваться, скрывая сигналы колебаний. Ситуация становится еще сложнее, если две звезды оказываются очень близко друг к другу на небе — и тут нам не повезло, потому что звезды A и B максимально сблизились на своей 80-летней орбите в 2016 году.

Лили Чжао, молодая охотница за экзопланетами из Йельского университета, недавно подвела итоги этих проблемных обстоятельств. Собирая целое десятилетие измерения радиальной скорости, Чжао и ее коллеги могут лишь сказать, что у Альфы Центавра А нет планет с массой более чем в 50 земных, а у Альфы Центавра В нет планет с массой более 8 земных. При этом множество меньших миров размером с Землю могут вращаться вокруг любой из этих звезды, и мы понятия о них не имеем. Но все же эта информация «в значительной степени обозначила предел поисков», — говорит Чжао.

Разочарованные такой неопределенностью, несколько смелых астрономов пытались еще раз обработать эти запутанные данные, чтобы получить более точные ответы. Увы, но их попытки увенчались лишь ложным успехом. В 2012 году группа ученых во главе с Ксавье Дюмуском из Университета Женевы объявила об открытии планеты с земной массой, вращающейся вокруг Альфа Центавра B. Но три года спустя независимый анализ не показал никаких признаков планеты, предполагая, что это была просто статистическая ошибка исходных данных. Дюмуск признал, что «вероятно, планеты там нет».

Тем не менее, Чжао заявляет, что «перспективы велики» для следующего раунда поиска планет в системе Альфа Центавра. С одной стороны, расстояние между звездами A и B увеличивается, и к 2020 году оно станет достаточно большим, чтобы мощные телескопы могли наблюдать за каждой звездой по отдельности. Что еще более важно, значительно улучшенные новые версии спектрографов позволят проводить гораздо более чувствительный поиск колебаний, чем тот, который был возможен с помощью детектора HARPS, используемого Дюмуском и его коллегами.

Чжао работает со спектрографом EXPRES (Спектрометр экстремальной точности) на канальном телескопе Discovery в Аризоне. Подобное ему устройство под названием ESPRESSO (Спектрограф Эшелле для поиска скалистых экзопланет и стабильных спектроскопических наблюдений) было установлено на Очень большом телескопе (VLT) в Чили, который теперь имеет возможность получать очень четкое изображение системы Альфа Центавра в южном небе.

Эти спектрографы предназначены для обнаружения колебаний всего в 10 сантиметров в секунду. Эта чувствительность в 10 раз лучше, чем у их предшественников, и находится на достаточном уровне для того, чтобы уловить рывок назад-вперед, вызванный планетой, схожей с Землей, вращающейся вокруг любой из звезд системы Альфа Центавра.

Маяки и светляки

Предполагая, что поиски колебаний будут успешными, и будут обнаружены новые экзопланеты вокруг Альфы Центавра, мы все равно будем многого не знать об этих инопланетных мирах. Такие исследования покажут, насколько массивны новые планеты и как они вращаются, но мало что расскажут об их физических свойствах. Они вообще ничего не скажут нам о том, как выглядят эти планеты. Единственный способ получить такую информацию — это наблюдать за ними напрямую. Для действительно амбициозных исследователей Альфы Центавра цель состоит в том, чтобы запечатлеть изображение «бледно-голубой точки»: иными словами, получить фотографию одной из ближайших к нам экзопланет.

Но, увы, пока что ни один из земных инструментов не является достаточно точным, чтобы реализовать это. «Визуализация экзопланеты рядом с яркой звездой похожа на попытку увидеть светлячка рядом с маяком в нескольких сотнях километров. В случае с Альфа Центавра у нас есть два маяка, поэтому проблема еще хуже», — говорит Франк Маркис из Института SETI.

Как ни странно, первым делом выясняется, каких планет нет в системе Альфа Центавра. Из-за близости звезд A и B стабильные планеты могут существовать только довольно близко к каждой звезде, не более чем в 2.5 раза дальше, чем Земля от Солнца (шанс образования стабильной орбиты вокруг центра масс двух звезд ничтожно мал, поэтому такую возможность не рассматривают — прим. перев.). Любые гигантские планеты размером с Юпитер, вращающиеся в этих внутренних «заповедниках», давно уничтожили бы любые меньшие, потенциально схожие с Землей планеты, вращающиеся в обитаемой зоне, где может существовать жидкая вода (и, следовательно, жизнь, какой мы ее знаем).

На данный момент колебания не показали никаких признаков гигантских планет в системе Альфа Центавра, что обнадеживает. «Мы знаем, что [там] нет большой планеты, которая вытеснила бы планету земного типа из обитаемой зоны», — говорит Беликов. Тем не менее, его беспокоит перспектива «полугигантов» — миров типа Нептуна, которые достаточно малы, чтобы до сих пор избегать обнаружения, но все же достаточно велики, чтобы помешать существованию пригодных для жизни планет.

С этой целью Беликов и его коллеги предприняли первую серьезную попытку напрямую визуализировать планеты вокруг Альфы Центавра. Они заказали два раунда наблюдений на приборе Gemini Planet Imager на телескопе Gemini South на вершине Серро-Пачон в Чили. Этим летом наблюдением помешала облачность, но Беликов намерен попробовать еще раз весной следующего года. Аналогичный поиск, который он провел в прошлом году, ничего не показал, что является хорошей новостью: до сих пор нет никаких намеков на «вредные» планеты размером с Нептун в системе Альфа Центавра.

Еще лучше то, что наблюдения Беликова не единственные в своем роде. Каспер ищет планеты, несколько большие Земли, используя инструмент под названием VISIR (спектрометр на Очень большом телескопе для наблюдений в среднем инфракрасном диапазоне), который был перестроен и переименован в NEAR (для поиска ближайших земель в регионе Альфы Центавра). NEAR является результатом необычного сотрудничества между Европейской южной обсерваторией, которая управляет VLT, и частными компаниями, которые обеспечили финансирование для модернизации критически важного оборудования. Это первое устройство, созданное и использованное специально для поиска планет в системе Центавра.

Во время первого запуска NEAR в конце мая и в начале июня команда Каспера тоже страдала от плохой погоды. Тем не менее, исследователям удалось «выжать» 100 часов наблюдений, собрав шесть терабайт необработанных данных. «Наши приборы чувствительны к планетам, которые в два с лишним раза больше Земли», — говорит Каспер. Это ощутимо лучше того, что может сделать Беликов, и в пять раз лучше, чем может дать поиск колебательным методом.

Скоро мир узнает, что NEAR обнаружил у Альфы Центавра. Результаты должны быть в октябре, говорит Каспер. Если данные будут обнадеживающими, он надеется провести еще один сеанс наблюдений после марта 2020 года, когда Альфа Центавра снова будет в удобном положении для наблюдений из Чили.

Нас ждут прорывы

Верный своему названию, NEAR приближает нас к возможному открытию Земли 2.0, но нам еще предстоит долгий путь. Планета, в два раза превышающая нашу собственную (нижний предел инструмента), вполне может иметь густую, удушливую атмосферу, неприемлемую для жизни. «Нынешние приборы не имеют нужной чувствительности, чтобы найти настоящие аналоги Земли», — говорит Оливье Гийон, астроном из Университета Аризоны. «Поэтому мы, безусловно, будем продолжать смотреть на систему Альфа Центавра с лучшими, более мощными инструментами, когда они станут доступны».

Один из способов улучшения получаемых данных — это подняться над рассеивающей звездный свет атмосферой Земли. Беликов выдвигал этот аргумент в течение нескольких лет в форме концепции миссии под названием «Альфа Центавра, спутник-экзопланета», или ACESat. Она будет включать в себя телескоп с зеркалом шириной 45 сантиметров и устройство для блокировки звездного света, называемое коронографом, чтобы погасить яркий свет «маяков» Альфа Центавра A и B, позволяя обнаружить слабое свечение «светлячка» — планеты, в 10 миллиардов раз тусклее родительских звезд.

В 2014 году НАСА предоставило определенное финансирование для миссии ACESat, хотя впоследствии агентство решило ее заморозить. «Технология тогда еще не была готова, но сейчас она становится все более зрелой», — настаивает Беликов. Он снова «стучится» в НАСА с новым предложением под названием Alpha Centauri Direct Imager, или ACEND (Устройство для получения прямого изображения Альфа Центавра). Он также хеджирует свои ставки, работая над аналогичной концепцией с частной компанией Project Blue. Как всегда в подобных высокотехнологических проектах, деньги так же важны, как и технологии.

При прогнозируемой общей стоимости около 50 миллионов долларов, спутник Project Blue стоит ничтожно мало по сравнению с бюджетом космического телескопа Джеймса Уэбба в 9 миллиардов долларов. Однако собрать такие средства для частной целевой миссии очень непросто. Первоначально спутник Project Blue планировалось запустить в 2021 году, но «я не думаю, что это возможно при нынешнем состоянии финансирования», — говорит Маркис. «Нам нужна поддержка богатого покровителя или группы покровителей, чтобы улучшить технологическую готовность и приступить к созданию инструмента».

Не стоит в стороне и The Breakthrough Initiatives вместе с ее соучредителем — миллиардером Юрием Мильнером. В рамках проекта Breakthrough Watch организация планирует построить небольшой космический телескоп, несущий коронограф, похожий на ACESat. Также этот проект подразумевает отдельную миссию под названием TOLIBOY, запуск которой предварительно назначен на 2021 год, которая будет искать планеты путем точного картирования движений Альфа Центавра A и B, используя технику, называемую астрометрией.

Все эти проекты заложат основу для еще более масштабных операций. Беликов работает над адаптацией технологии ACESat для будущего инфракрасного космического телескопа НАСА под названием WFIRST, который планируется запустить в середине 2020-х годов. Каспер помогает применять уроки NEAR к новому инструменту METIS (спектрограф и тепловизор в среднем инфракрасном диапазоне), который будет установлен на 39-метровом Экстремально большом телескопе, строящемся в настоящее время в Чили. Спутник TOLIBOY будет играть роль предшественника к более крупной и развитой космической миссии, названной, ожидаемо, TOLIMAN.

Все эти подходы вместе должны, наконец, заполнить пробелы в знаниях, которые окружают Альфа Центавра. «Все, что мы знаем, указывает на возможность и, я бы сказал, вероятность существования потенциально обитаемых планет вокруг А и В», — говорит Беликов. Эта надежда скоро подвергнется серьезным испытаниям. Если Альфа Центавра окажется «бесплодной», это будет означать, что подобные Земле планеты встречаются не так часто, как считалось раньше.

Возможно, двойные звезды, такие как Альфа Центавра, которые составляют большинство известных звездных систем, не являются многообещающими местами для жизни. Или, может быть, мы обнаружим, что у Альфы Центавра есть еще планеты, похожие на Землю по размерам, но с крайне недружелюбной окружающей средой — как на Проксима b. Наша родная планета может быть редким исключением во враждебной Вселенной.

С другой стороны, наблюдение тусклой синей точки экзопланетного света в системе Альфа Центавра могло бы рассказать совсем другую историю. «Если мы обнаружим, что одна из этих планет похожа на нашу Землю, что у нее есть континенты и океаны, она станет новым, потенциально обитаемым миром у нашего порога», — говорит Маркис. Нахождение Земли 2.0 прямо по соседству означало бы, что их в нашей галактике миллионы. «Это будет одной из целей астрономии в текущем столетии и, возможно, способом расширения интереса всей нашей цивилизации к исследованию космоса».

Источник