История изучения: планеты земного типа
С точки зрения астрофизики было несколько стимулов к возникновению понятия зоны обитаемости. Рассмотрим нашу Солнечную систему и четыре планеты земного типа: Меркурий, Венеру, Землю и Марс. У Меркурия нет атмосферы, и он находится слишком близко к Солнцу, поэтому не очень нам интересен. Это планета с печальной судьбой, потому что, даже будь у нее атмосфера, она была бы унесена солнечным ветром, то есть непрерывно истекающим из короны звезды потоком плазмы.
Рассмотрим остальные планеты земного типа в Солнечной системе — это Венера, Земля и Марс. Они возникли практически в одном месте и при одинаковых условиях ~ 4,5 миллиардов лет назад. И поэтому с точки зрения астрофизики их эволюция должна быть довольно схожей. Сейчас, в начале космической эры, когда мы продвинулись в изучении этих планет при помощи космических аппаратов, полученные результаты показали экстремально различные условия на этих планетах. Теперь мы знаем, что на Венере очень высокое давление и очень жарко на поверхности, 460–480 °C — это температуры, при которых многие вещества даже плавятся. И с первых панорамных снимков поверхности мы увидели, что она совершенно неживая и практически не приспособлена к жизни. Вся поверхность — это один материк.
С другой стороны, Марс. Это холодный мир. Марс потерял атмосферу. Это опять же пустынная поверхность, хотя там есть горы и вулканы. Атмосфера из углекислого газа очень разреженная; если вода там и была, то она вся вымерзла. На Марсе есть полярная шапка, и последние результаты миссии к Марсу говорят о том, что под песчаным покрытием — реголитом — существует лед.
И Земля. Очень благоприятная температура, вода не замерзает (по крайней мере, не всюду). И именно на Земле возникла жизнь — как примитивная, так и многоклеточная, разумная жизнь. Казалось бы, мы видим небольшую часть Солнечной системы, в которой сформировались три планеты, называемые планетами земного типа, но их эволюция совершенно разная. И на этих первых представлениях о возможных путях эволюции самих планет и возникла идея о зоне обитаемости.
Границы зоны обитаемости
Астрофизики наблюдают и исследуют окружающий нас мир, окружающее нас космическое пространство, то есть нашу Солнечную систему и планетные системы у других звезд. И чтобы как-то систематизировать, куда смотреть, какими объектами интересоваться, нужно понимать, как определять зону обитаемости. Мы всегда полагали, что у других звезд должны быть планеты, но инструментальные возможности позволили нам открыть первые экзопланеты — планеты, расположенные за пределами Солнечной системы, — всего лишь 20 лет назад.
Как определяются внутренние и внешние границы зоны обитаемости? Считается, что в нашей Солнечной системе обитаемая зона находится на расстоянии от 0,95 до 1,37 астрономических единиц от Солнца. Мы знаем, что Земля — это 1 астрономическая единица (а. е.) от Солнца, Венера — 0,7 а. е., Марс — 1,5 а. е. Если мы знаем светимость звезды, то посчитать центр зоны обитаемости очень легко — нужно просто взять корень квадратный из отношения светимости этой звезды и отнести к светимости Солнца, то есть:
Rае=(Lзвезда/Lсолнце)½.
Здесь Rае — средний радиус зоны обитаемости в астрономических единицах, а Lзвезда и Lсолнце — болометрические показатели светимости искомой звезды и Солнца соответственно. Границы обитаемой зоны установлены, исходя из требования наличия на находящихся в ней планетах воды в жидком состоянии, поскольку она является необходимым растворителем во многих биомеханических реакциях. За внешней границей обитаемой зоны планета не получает достаточно солнечной радиации, чтобы компенсировать потери на излучение, и ее температура опустится ниже точки замерзания воды. Планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет чрезмерно нагреваться его излучением, в результате чего вода испарится.
Более строго внутренняя граница определяется как расстоянием планеты от звезды, так и составом ее атмосферы и в особенности наличием так называемых парниковых газов: паров воды, углекислого газа, метана, аммиака и других. Как известно, парниковые газы вызывают разогрев атмосферы, что в случае катастрофически нарастающего парникового эффекта (например, ранняя Венера) приводит к испарению воды с поверхности планеты и потере из атмосферы.
Внешняя граница — это уже другая сторона вопроса. Она может быть значительно дальше, когда энергии от Солнца приходит мало и присутствие парниковых газов в атмосфере Марсе недостаточно, чтобы парниковый эффект создавал мягкий климат. Как только становится недостаточным количество энергии, парниковые газы (пары воды, метан и так далее) из атмосферы конденсируют, выпадают как дождь либо как снег и так далее. И собственно парниковые газы накопились под полярной шапкой на Марсе.
Про зону обитаемости для звезд вне нашей Солнечной системы очень важно говорить одно слово: потенциальная — зона потенциальной обитаемости, то есть в ней соблюдены условия необходимые, но недостаточные для формирования жизни. Здесь надо говорить о жизнепригодности планеты, когда в игру вступает целый ряд геофизических и биохимических явлений и процессов, таких как наличие у планеты магнитного поля, тектоники плит, продолжительность планетных суток и так далее. Перечисленные явления и процессы сейчас активно изучаются в новом направлении астрономических исследований — астробиологии.
Поиск планет в обитаемой зоне
Астрофизики просто ищут планеты, а затем уже определяют, находятся ли они в зоне обитаемости. Из астрономических наблюдений можно увидеть, где эта планета находится, где расположена ее орбита. Если в обитаемой зоне, то сразу же интерес к этой планете возрастает. Далее нужно изучать эту планету в других аспектах: атмосфера, химическое разнообразие, наличие воды и источник тепла. Это уже чуть-чуть выводит нас за скобки понятия «потенциальная». Но главная проблема в том, что все эти звезды расположены очень далеко.
Одно дело — увидеть планету у звезды, подобной Солнцу. Есть целый ряд экзопланет, подобных нашей Земле, — так называемые суб- и суперземли, то есть планеты с радиусами, близкими или немного превышающими радиус Земли. Астрофизики изучают их, исследуя атмосферу, поверхности мы не видим — только в единичных случаях, так называемых direct imaging, когда мы видим только очень далекую точку. Поэтому мы должны изучать, есть ли у этой планеты атмосфера, а если есть, то какой ее состав, какие там газы и так далее.
В широком смысле поиски жизни вне Солнечной системы, да и в Солнечной системе — это поиски так называемых биомаркеров. Полагают, что биомаркеры — это химические соединения биологического происхождения. Мы знаем, что основным биомаркером на Земле, например, является присутствие кислорода в атмосфере. Мы знаем, что на ранней Земле было очень мало кислорода. Простейшая, примитивная жизнь возникла рано, многоклеточная жизнь возникла достаточно поздно, не говоря уже о разумной. Но затем за счет фотосинтеза начал формироваться кислород, изменилась атмосфера. И это один из возможных биомаркеров. Сейчас из других теорий мы знаем, что есть целый ряд планет с кислородными атмосферами, но формирование молекулярного кислорода там вызвано не биологическими, а обычными физическими процессами, скажем разложением паров воды под воздействием звездного ультрафиолетового излучения. Поэтому весь энтузиазм по поводу того, что, как только мы увидим молекулярный кислород, это будет уже биомаркер, — он не совсем оправдан.
Миссия «Кеплер»
Космический телескоп (КТ) «Кеплер» — одна из самых результативных астрономических миссий (конечно, после космического телескопа им. Хаббла). Она нацелена на поиск планет. Благодаря КТ «Кеплер» мы совершили качественный скачок в исследовании экзопланет.
КТ «Кеплер» был ориентирован на один способ открытия — так называемые транзиты, когда фотометр — единственный инструмент на борту спутника — отслеживал изменение яркости звезды в момент прохождения планеты между ней и телескопом. Это давало информацию об орбите планеты, ее массе, температурном режиме. И это позволило определить на первой части этой миссии порядка 4500 потенциальных кандидатов в планеты.
В астрофизике, астрономии и, наверное, во всем естествознании принято подтверждать открытия. Фотометр фиксирует, что у звезды меняется яркость, но что это может значить? Может быть, у звезды какие-то внутренние процессы приводят к изменениям; проходят планеты — она затемняется. Поэтому необходимо смотреть на периодичность изменений. Но чтобы точно сказать, что там есть планеты, нужно еще каким-то способом подтвердить это — например, изменением лучевой скорости звезды. То есть сейчас около 3600 планет — это подтвержденные несколькими способами наблюдений планеты. А потенциальных кандидатов почти 5000.
Проксима Центавра
В августе 2016 года было получено подтверждение присутствия планеты, получившей наименование Проксима b, у звезды Проксима Центавра. Почему это так всех заинтересовало? По очень простой причине: это ближайшая к нашему Солнцу звезда на расстоянии 4,2 световых года (то есть свет покрывает это расстояние за 4,2 года). Это самая близкая к нам экзопланета и, возможно, ближайшее к Солнечной системе небесное тело, на котором может существовать жизнь. Первые измерения были получены в 2012 году, но, так как эта звезда является холодным красным карликом, нужно было провести очень длинный ряд измерений. И целый ряд научных групп Европейской южной обсерватории (ESO) наблюдали звезду в течение нескольких лет. Они сделали веб-сайт, он называется Pale Red Dot (palereddot.org — прим. ред.), то есть ‘бледно-красная точка’, и там выкладывали наблюдения. Астрономы привлекали разных наблюдателей, и можно было отслеживать результаты наблюдений в открытом доступе. Так, можно было проследить за самим процессом открытия этой планеты практически онлайн. А название программы наблюдений и веб-сайта восходит к термину Pale Red Dot, предложенному известным американским ученым Карлом Саганом для изображений планеты Земля, передаваемых космическими аппаратами из глубин Солнечной системы. Когда мы пытаемся найти планету, подобную Земле, в других звездных системах, то мы можем попытаться представить, как наша планета выглядит из глубин космоса. Этот проект назвали Pale Blue Dot (‘бледно-голубая точка’), потому что из космоса из-за светимости атмосферы наша планета видна как голубая точка.
Планета Проксима b оказалась в зоне обитаемости своей звезды и относительно близко к Земле. Если мы, планета Земля, находимся на 1 астрономической единице от своей звезды, то эта новая планета — на 0,05, то есть в 200 раз ближе. Но звезда слабее светит, она более холодная, и уже на таких расстояниях она попадает в так называемую зону приливного захвата. Как Земля захватила Луну и они вместе вращаются, такая же ситуация и тут. Но при этом одна сторона планеты разогрета, а вторая холодная.
Существуют такие климатические условия, система ветров, которая обменивается теплом между прогретой частью и темной частью, и на границах этих полушарий могут быть довольно благоприятные условия для жизни. Но проблема с планетой Проксима Центавра b в том, что родительская звезда — красный карлик. Красные карлики живут довольно долго, но у них есть одно специфическое свойство: они очень активны. Там происходят звездные вспышки, корональные выбросы массы и так далее. Опубликовано уже довольно много научных статей по этой системе, где, например, говорят, что, в отличие от Земли, там в 20–30 раз выше уровень ультрафиолетового излучения. То есть, чтобы на поверхности были благоприятные условия, атмосфера должна быть достаточно плотная, чтобы защищать от излучения. Но это единственная ближайшая к нам экзопланета, которую можно будет детально изучить при помощи следующего поколения астрономических инструментов. Наблюдать ее атмосферу, посмотреть, что там происходит, есть ли парниковые газы, какой там климат, есть ли там биомаркеры. Астрофизики будут изучать планету Проксима b, это горячий объект для исследований.
Перспективы
Мы ждем несколько новых наземных и космических телескопов, новые инструменты, которые будут запущены. У нас в России это будет космический телескоп «Спектр-УФ». Институт астрономии РАН активно работает над этим проектом. В 2018 году будет запущен американский космический телескоп им. Джеймса Уэбба — это следующее поколение по сравнению с КТ им. Хаббла. У него разрешение будет гораздо выше, и мы сможем у тех экзопланет, о которых мы знаем, наблюдать состав атмосферы, как-то разрешать их структуру, климатическую систему. Но надо понимать, что это общий астрономический инструмент — естественно, там будет очень большая конкуренция, как и на КТ им. Хаббла: кто-то галактики хочет смотреть, кто-то — звезды, кто-то еще что-то. Планируется несколько специализированных миссий по исследованию экзопланет, например НАСА TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite). Собственно, в ближайшие 10 лет можно ожидать существенное продвижение наших знаний об экзопланетах в целом и о потенциально обитаемых экзопланетах, подобных Земле, в частности.
