Исследование космоса во многом романтическое занятие. Здесь есть
место для загадок, которые не выражаются сложными категориями, а
понятны всем: исследование черных дыр, поиск альтернативной жизни,
поиск похожих на Землю планет. О последнем мы решили собрать список
наивных вопросов и найти на них ответы. В этом ПостНауке помог
доктор физико-математических наук, профессор РАН, сотрудник
Международного центра теоретической физики (ICTP, Триест) и ведущий
научный сотрудник ГАИШ МГУ Сергей Попов.Что значит землеподобная
планета?На сегодняшний день астрофизики умеют измерять только
базовые параметры планет за пределами Солнечной системы. Поэтому
когда мы говорим о похожих на Землю планетах, то имеем в виду массу
или размер. Чаще всего удается определить один из этих параметров
(найдено около 200 таких планет), в редких случаях оба. Тем не
менее эти данные важны, поскольку знание о массе и размере
позволяет сделать и другие выводы. Если планета по обоим критериям
близка к параметрам Земли, то она почти наверняка железно-каменная,
то есть и по основному составу похожа на Землю. С другой стороны,
это не дает других важных сведений например, есть ли на ней
вода.Если чаще всего ученым известен только один параметр,
возникает вопрос, может ли второй оказаться непредсказуемо велик
или мал. Действительно, по массе планета может быть похожа на
Землю, но иметь гораздо более крупные размеры из-за очень
протяженной атмосферы. Гораздо ниже вероятность встретить обратный
случай: если размер планеты совпадает с размером Земли, то ее масса
вряд ли может кратно отличаться от эталона.Какая доля таких планет
находится в обитаемой зоне?Важное для исследования планет понятие
зона обитаемости. Это область, в которой планета находится на
подходящем расстоянии от местного солнца. При таком положении на
поверхности планеты при наличии атмосферы теоретически может
существовать жидкая вода. Именно такие объекты потенциально
наиболее пригодны для жизни, а жизнь, в свою очередь, влияет на
параметры атмосферы. Это, наконец, должно помочь ученым узнать о
наличии этой жизни. Всего в зонах обитаемости вокруг разных звезд
обнаружено несколько сотен планет, в том числе несколько десятков
похожих на Землю.Но зона обитаемости определяется не только
расстоянием до звезды, а еще и свойствами атмосферы. Интересно, что
даже Земля находится близко к внутренней границе зоны обитаемости.
При небольшом изменении параметров атмосферы планета может
оказаться и вовсе за ее пределами. Тогда возникнет лавинообразное и
неудержимое изменение климата, которое сделает планету непригодной
для жизни. Поэтому проблема антропогенного глобального потепления
серьезный кризис: достаточно небольшого увеличения температуры
Земли для запуска целого каскада катастрофических последствий.При
этом в целом ученые исследуют объекты, которые находятся
относительно близко от Земли. Если в галактике Млечный Путь около
300 миллиардов звезд, из них достаточно подробно изучается область,
содержащая примерно несколько миллионов самых близких звезд.
Поэтому в основном открываемые землеподобные планеты в зонах
обитаемости по астрономическим меркам находятся близко к нам.
Открыть землеподобную планету в зоне обитаемости на другом конце
нашей Галактики можно, но очень трудно.Какими методами исследуют
подобные Земле планеты и что известно?Сегодня для поиска
землеподобных планет используют два основных метода. Первый метод
вариации лучевых скоростей. Идея в том, что технически мы не можем
увидеть саму планету, но можем изучать звезду, вокруг которой
планета вращается. При этом известно, что планета и звезда всегда
вращаются вокруг общего центра масс. В процессе наблюдения за
звездой ученые могут измерять ее скорость и период движения к нам и
от нас, величину изменения скорости. Зная эти параметры, можно
определить орбитальный период планеты, ее массу, расстояние до
звезды.Второй так называемый метод транзитов, самый эффективный на
сегодня способ поиска любых планет. Дело в том, что один раз за
оборот планета может оказаться точно между наблюдателем и звездой.
В этот момент излучение от звезды уменьшится из-за проекции темного
диска планеты на яркий диск звезды. И хотя падение блеска будет
очень небольшим, с помощью спутников это можно зафиксировать. Так
благодаря спутникам Кеплер и TESS были открыты несколько тысяч
планет.После открытия планеты этим методом появляется возможность
для изучения ее атмосферы. Дело в том, что на разных длинах волн
атмосфера имеет разную прозрачность. Измерение падения блеска
звезды во время транзита дает некоторые новые сведения: например,
есть ли у планеты атмосфера как таковая и каким может быть ее
состав. Но пока это хорошо применимо или для крупных объектов, или
для планет, находящихся очень близко от своей звезды: изучение
планет земного типа в зонах обитаемости станет возможным в
обозримой перспективе с появлением телескопов нового поколения.Но и
здесь исследователи имеют еще одно затруднение. Для изучения
атмосферы землеподобных планет одного транзита недостаточно, а
поскольку один идеальный транзит происходит не чаще раза в год,
ученым потребуются годы на накопление данных. В более далекой
перспективе, не раньше 2040 года, могут появиться космические
телескопы нового типа, которые эту задачу научатся решать напрямую,
без длительного накопления данных.Тем не менее ученые интенсивно
ведут поиск землеподобных планет в зонах обитаемости, поэтому
известно, как часто они встречаются в общей массе всех экзопланет.
Примерно у каждой десятой звезды типа Солнца есть землеподобные
планеты в зонах обитаемости. Это довольно важный результат, еще
1015 лет назад таких данных ученые не имели. Следующая задача поиск
хорошей цели для наблюдений, и для этого исследователи выбирают
относительно близкие звезды.Но более перспективным пока оказывается
не исследование планет, которые вращаются вокруг похожих на Солнце
звезд, а исследование землеподобных планет, находящихся в окружении
красного карлика. Это слабые звезды, планеты в зоне обитаемости
которых можно исследовать транзитным методом достаточно часто из-за
орбитального периода лишь в несколько недель. Тогда 100 транзитов
можно получить не за сотни лет, а за 4 года. Поэтому сегодня
исследователи наиболее активно ищут именно такие планеты, чтобы
далее среди них выбрать лучшие цели для наблюдений в конце 2020-х
начале 2030-х годов. Поиск экзопланет около красных карликов едва
ли не главная задача для спутника TESS, который был запущен 18
апреля 2018 года на ракете-носителе Falcon 9.Нельзя не заметить,
что из-за слабого излучения красных карликов планеты зоны
обитаемости находятся достаточно близко к звезде. Отсюда период
вращения планеты оказывается синхронизирован со звездой, примерно
как у Луны и Земли, и планета всегда обращена к звезде лишь одной
стороной. Это создает экстремальные условия на поверхности планеты,
и есть противоречивые мнения относительно того, насколько такая
ситуация может теоретически мешать развитию жизни.Может ли жизнь
существовать на планетах вне зоны обитаемости?В Солнечной системе
ученые ищут жизнь в первую очередь на объектах, находящихся вне
зоны обитаемости (поскольку в саму зону попадает лишь сама Земля).
Это, например, спутники больших планет: Европа, Энцелад, Ганимед,
Титан. Они, кроме Титана, покрыты ледяной корой, и потенциально
жизнь может быть обнаружена в подледных океанах. А за пределами
Солнечной системы на долгое время поиск жизни для ученых будет
возможен в первую очередь по составу атмосферы. То есть для
экзопланет необходимо, чтобы жизнь не была спрятана подо льдами, а
процветала на поверхности и влияла на параметры атмосферы.Другая
интересная деталь состоит в том, что ученые ищут жизнь именно
земного типа, потому что знают, как ее искать. Анализируя состав
атмосферы, они могут отталкиваться лишь от данных о современной
атмосфере Земли. Но даже это очень сложная задача. Технически мы
располагаем очень ограниченным набором данных о состоянии изучаемых
планет.Сама же земная жизнь возникла относительно недавно, и 3
миллиарда лет назад она была представлена лишь в виде бактерий. На
том этапе атмосферный состав отличался от нынешнего, и знания о том
этапе даже более важны для ученых, которые ищут альтернативную
жизнь. Получается, что открытия в области земной палеоклиматологии
могут значительно повлиять на поиск жизни за пределами Земли.Как
часто происходят открытия в области поиска планет земного типа?Чаще
всего планеты обнаруживаются после запуска очередной специальной
космической программы. Благодаря телескопу Кеплер, миссия которого
длилась 4 года, было в целом обнаружено около 2600 планет. Также
значимый результат дал телескоп TESS, основная программа которого
продлилась 2 года. Следующий крупный старт ожидается в 2027 году,
когда будет запущен спутник PLATO. Новые данные по атмосферам
планет появятся благодаря наземному экстремально большому телескопу
в Европейской южной обсерватории, который начнет работу в 2025
году.Но важные открытия происходят и без крупных программ.
Например, планета Проксима Центавра b у ближайшей к нам звезды
Проксима Центавра была обнаружена в результате индивидуальных
поисков. Подобные открытия совершаются в среднем раз в несколько
лет.
