Привет от далекой кузины

Тигран Оганесян
28 апреля 2014, 00:00

Впервые открыта экзопланета, физические характеристики которой позволяют говорить о ее землеподобности — твердой каменистой поверхности и H2O в жидкой фазе

Рисунок: Константин Батынков

В 1995 году два швейцарских астронома, Мишель Майор и Дидье Келоз, опубликовали в журнале Nature статью об открытии первой планеты вне Солнечной системы — объект 51 Пегаса b был вычислен косвенным путем на расстоянии 50 световых лет от Земли. Благодаря этому долгожданному результату многолетний процесс поисков во Вселенной звездных систем, обладающих планетами-спутниками, сдвинулся с мертвой точки.

Робкая заявка человечества на возможную встречу с братьями по разуму (или, на худой конец, на обнаружение в дальнем космосе хоть каких-то намеков на жизнь) была официально переведена из категории «нет в наличии» в раздел «ожидается к поступлению».

За прошедшие с тех пор почти два десятилетия астрономическая охота на экзопланеты на удивление быстро превратилась почти в рутинное занятие. Регулярные сообщения об открытии очередного планетоподобного объекта где-нибудь в созвездии Малого Тяни-Толкая в XXI веке уже не вызывают всплеска общественного интереса, а специалисты, как правило, просто ставят галочку в быстро растущем экзопланетном реестре.

Однако недавняя новость, обнародованная на специальной пресс-конференции NASA 17 апреля, вновь заставила вспомнить о генеральной задаче всех этих поисковых работ. Тщательно проанализировав и перепроверив полученные космическим телескопом Kepler данные, ученые заявили, что им удалось открыть первую экзопланету, физические характеристики которой однозначно позволяют отнести ее к группе землеподобных. Более того, по мнению Элизы Кинтана и ее коллег-первооткрывателей, новый объект, получивший не слишком оригинальное обозначение Kepler-186f, можно считать почти точной копией нашей планеты (с одной важной оговоркой, о которой речь пойдет ниже). Иными словами, земные астрофизики наконец обнаружили очень перспективного кандидата на роль обитаемой планеты.

Семейство красного карлика

Планета Kepler-186f находится на расстоянии 490 световых лет (порядка 150 парсеков) от Земли в созвездии Лебедя. Она стала пятой по счету в окружении тусклой звезды Kepler-186, красного карлика М-типа, масса которого составляет около половины массы нашего Солнца. Солнце же относится к категории желтых карликов G-типа, средняя температура поверхности которых составляет от 5000 до 6000 °К, тогда как более компактные красные карлики обладают температурой не выше 3500 °К (это самые холодные из звезд) и существенно меньшей светимостью по сравнению с желтыми сородичами.

Четыре другие планеты—компаньоны красного карлика Kepler-186 (столь же неприхотливо обозначенные латинскими буквами a, b, c и d), которые были обнаружены годом ранее, имеют очень маленькие орбиты, и полные периоды их обращения вокруг материнской звезды составляют от 4 до 22 земных суток, что заведомо делает их непригодными для возникновения жизни.

В свою очередь планета номер пять, Kepler-186f, делает полный круг вокруг красного карлика за 130 суток, и ее орбита примерно соответствует орбите самой близкой к нашему светилу планеты Солнечной системы Меркурия (52,4 млн км, тогда как среднее расстояние от Земли до Солнца 150 млн км). Но с учетом того, что светимость (и соответственно количество тепловой энергии, достигающей поверхности планеты) красного карлика в несколько раз ниже, чем у Солнца, Kepler-186f, согласно расчетам ученых, вращается на достаточно комфортном расстоянии от светила, позволяющем считать, что эта планета находится в так называемой обитаемой зоне. Под обитаемой зоной астрофизики подразумевают диапазон расстояний от звезды, в пределах которых на поверхности планет-кандидатов возможно образование неиспаряющейся и незамерзающей воды в жидком виде.

Получить точную оценку предполагаемой поверхностной температуры Kepler-186f Элиза Кинтана и ее коллеги пока не смогли, но утверждают, что средняя яркость (блеск) карликовой звезды в полуденное время сравнима с той, которая типична для Солнца примерно за час до заката.

И, пожалуй, самое главное: американским астрофизикам удалось достаточно точно рассчитать предполагаемый размер новой экзопланеты: согласно полученным ими результатам, радиус (а равно и диаметр) Kepler-186f всего лишь на 10% превышает радиус Земли. Ученые считают, что с очень высокой степенью вероятности она обладает твердой каменистой поверхностью, то есть может быть отнесена к категории планет земного типа, каковых до сих пор в экзопланетных каталогах не значилось.

Таким образом, по многим формальным признакам Kepler-186f очень сильно напоминает Землю. Правда, по мнению Элизы Кинтана, «поскольку ее материнской звездой является красный карлик (а не желтый, как в случае с Землей), нам, скорее, следует называть Kepler-186f кузиной Земли, а не сестрой-близнецом».

Гадания на кофейной гуще

Безусловно, наличие у Земли и Kepler-186f разных родителей формально не позволяет считать нашу новоприобретенную родственницу полноправной представительницей пресловутого класса землеподобных планет.

В то же время, согласно современной астрофизической теории, именно красные карлики — самые распространенные объекты звездного типа во Вселенной. По оценкам ученых, красными карликами являются 70–75% всех звезд нашей галактики Млечный Путь, и, скажем, самая близкая к нам звезда, Проксима Центавра, тоже относится к этой категории светил.

Как отмечает Кинтана, «по-видимому, наша Галактика должна буквально кишеть планетами — аналогами Kepler-186f, поэтому сделанное открытие может и должно стать важнейшей отправной точкой в дальнейшей астрономической охоте на объекты подобного типа, которые на данный момент представляются наиболее вероятными кандидатами на обнаружение внеземных форм жизни. И если в ближайшие несколько десятилетий нам все-таки удастся выявить какие-либо признаки биологической активности за пределами Солнечной системы, скорее всего, мы сможем найти их именно на планетах, вращающихся вокруг звезд — красных карликов М-типа».

Что же касается главной виновницы нового астрономического праздника, то практически все специалисты сходятся во мнении, что получить более подробную информацию о ее физико-химических свойствах и характеристиках земной науке в обозримой перспективе не удастся.

Кинтана и ее коллеги с сожалением признают: расстояние от Земли до звездной системы Kepler-186 очень велико, а свечение материнской звезды слишком тусклое, поэтому даже после введения в строй в течение ближайших десяти-двадцати лет нового поколения телескопов мы не сможем установить ни структуру ее атмосферы, ни того, есть ли на ее поверхности слой жидкой воды, ни даже определить с высокой точностью ее массу.

В свою очередь незнание химического состава атмосферы Kepler-186f (а также того, обладает ли она водой) сводит на нет любые попытки сделать теоретическую оценку возможности обнаружения на этой планете следов жизни.

Как отмечает Хайке Рауэр, ведущий специалист Института планетарных исследований Немецкого аэрокосмического центра, «при помощи более мощных телескопов осуществление подробного спектрального анализа атмосферы экзопланет станет в скором времени вполне обыденным процессом, но при этом необходимо понимать, что такой анализ будет возможен лишь для планет, расположенных в относительной близости от Солнечной системы».

Пока же первооткрыватели Kepler-186f и их коллеги из других астрофизических центров мира по большей части занимаются весьма интересными, но заведомо спекулятивными рассуждениями на тему того, что в принципе может представлять собой атмосфера этой планеты и какими температурными и физическими характеристиками обладает ее поверхность.

По словам Элизы Кинтана, «к настоящему времени в теоретической астрофизике сложился определенный консенсус относительно того, что у всех планет существует некая переходная зона, начинающаяся примерно с полутора радиусов Земли. В случае, если радиус планеты превышает эту условную точку, она достаточно быстро аккумулирует в своей атмосфере очень плотные слои водорода и гелия и превращается в подобие газовых планет-гигантов нашей Солнечной системы». При меньших же радиусах (как в случае с Kepler-186f), по крайней мере в теории, поверхность таких планет должна быть покрыта твердой (каменистой) оболочкой, а не жидким слоем водорода с примесями гелия, азота или других легких элементов.

По мнению же другого соавтора исследования Стивена Кейна из Университета Сан-Франциско, орбита Kepler-186f, скорее всего, ближе к относительно холодному внешнему краю обитаемой зоны, и соответственно получаемая этой планетой от материнской звезды тепловая энергия меньше, чем та, которую получает Земля от Солнца, а следовательно, вполне возможно, что вода на поверхности Kepler-186f замерзает (опять-таки при условии, что она там есть).

С другой стороны, Кейн полагает, что, поскольку Kepler-186f немного крупнее Земли, ее атмосфера может быть более плотной, и этот атмосферный слой, в свою очередь, оказывает сдерживающее влияние на процесс замерзания воды на поверхности планеты.

Заслуженный работник космоса

Подтвердить важнейшее астрофизическое открытие, сделанное при помощи космического телескопа Kepler, группе Элизы Кинтана удалось лишь после того, как к процессу исследования звездной системы Kepler-186 были подключены мощности двух крупнейших наземных телескопов на Гавайских островах — обсерваторий W. M. Keck и Gemini в Мауна Кеа. Благодаря тщательному анализу непосредственного окружения красного карлика, проведенному этими телескопами в течение прошлого года, ученые смогли с вероятностью 99,8% исключить наличие в этой зоне других космических объектов, способных повлиять на детектированный Kepler сигнал (периодическое небольшое ослабление светимости карликовой звезды, предположительно вызываемое прохождением перед ней планеты-компаньона).

Однако, отдав должное гавайским наземным телескопам, далее необходимо еще раз напомнить о главном поставщике новой информации о далеких экзопланетах последних нескольких лет.

Космический телескоп NASA Kepler был запущен в марте 2009 года и успешно выполнял свою научную программу в течение четырех с лишним лет — вплоть до мая 2013-го. Его основная задача заключалась в непрерывном мониторинге особого участка звездного неба, в котором расположены созвездия Лебедя и Лиры. Эти звездные скопления были выбраны исследователями потому, что, во-первых, они характеризуются очень высокой звездной плотностью, а во-вторых, поскольку данная небесная область идеально подходила для не подверженных искажающим эффектам от Солнца наблюдений с орбиты телескопа.

В пределах этой достаточно узкой поисковой зоны телескоп упорно отслеживал изменения светового потока (блеска) порядка 150 тыс. звезд, пытаясь детектировать те редкие моменты, когда этот поток окажется слегка ослабленным в результате кратковременного прохождения перед ними планет-компаньонов.

Промежуточным итогом его работы к настоящему времени стали 3800 кандидатов на роль экзопланет. Почти тысяча из них (по разным данным, 961 или 966) после дополнительной проверочной процедуры с использованием наземных телескопов уже получили официальный планетарный статус, и с учетом того, что всего в постоянно пополняющемся списке зарегистрированных экзопланет сегодня числится около 1800 единиц, текущий вклад Kepler в общую копилку составляет более половины.

И, разумеется, кеплеровская доля в скором времени будет еще больше. Как отметил в недавнем интервью интернет-порталу Space.com ведущий исследователь миссии Kepler Билл Боруцки, «для полного анализа полученных телескопом данных нам потребуется еще не меньше года, причем значительная часть этой необработанной информации касается самых маленьких планет, транзитные эффекты которых по отношению к материнским звездам очень невелики, и именно эта информация должна стать для нас наиболее ценной».

Нельзя не отметить, что благодаря миссии Kepler земные астрономы наконец смогли получить неоспоримые доказательства существования во Вселенной огромного количества планет, размеры которых вполне сопоставимы с земными. По словам Боруцки, «до того как был запущен Kepler, многочисленные охотники за экзопланетами могли похвастаться лишь исключительно “горячими Юпитерами” — крупными газообразными планетами, орбиты вращения которых вокруг звезд были экстремально малыми (что практически исключало возможность существования на них каких-либо форм жизни. — “Эксперт”)». Такой специфический урожай естественным образом влиял на общее настроение исследователей, многие из которых высказывали пессимистическое предположение, что планет земного типа в нашей Вселенной крайне мало и обнаружить их в обозримом будущем не удастся. Однако Kepler очень быстро развеял этот пессимизм, выдав на-гора обширнейший список кандидатов в землеподобные объекты.

После механической поломки телескопа в августе прошлого года его дальнейшая научно-исследовательская программа фактически была прекращена, но специалисты NASA пока не исключают, что космический аппарат удастся частично вернуть к жизни (итоговое решение, стоит ли продолжать попытки реанимировать Kepler, руководство агентства планирует принять в течение ближайших двух месяцев).

Впрочем, помимо Kepler NASA очень рассчитывает на запуск в 2017 году другого специализированного космического охотника — аппарата Transiting Exoplanet Survey Satellite, который тоже специализируется на транзитном методе обнаружения экзопланет.

Заметный вклад в этот процесс смогут внести и два других больших проекта NASA общего назначения — Giant Magellan Telescope (крупнейший наземный телескоп в чилийской обсерватории Лас-Кампанас, строительство которого планируется завершить в 2020 году) и James Webb Space Telescope, орбитальная инфракрасная обсерватория, которая, по замыслу ее разработчиков, должна стать достойной преемницей легендарного ветерана, космического телескопа Hubble (его рассчитывали отправить в космос еще в 2007 году, однако проект оказался очередным космическим долгостроем, и согласно текущим оптимистическим оценкам он может быть запущен в 2018-м). Телескоп James Webb помимо других задач планируется использовать для активного поиска экзопланет в относительной близости от нашей Солнечной системы.

Наконец, в среднесрочной перспективе свое веское слово может сказать конкурирующая экзопланетная миссия Европейского космического агентства (ESA) — PLATO, еще один орбитальный телескоп, финансирование строительства которого было недавно официально одобрено руководством ESA (в качестве возможного срока его запуска называется 2024 год).

В ожидании новой волны открытий

Как отмечает Сет Шостак, один из ведущих астрономов, курирующих SETI (многолетний проект по поиску внеземных цивилизаций, осуществляемый по большей части на добровольных началах), науке известно уже порядка двух десятков экзопланет, в той или иной степени подпадающих под условную категорию пригодных для зарождения жизни, то есть находящихся в пределах обитаемой зоны.

Среди прочих кандидатов (помимо главной героини нашей статьи планеты Kepler-186f) специалисты чаще всего называют Gliese 581g (планета, расположенная на расстоянии 20 световых лет от Солнца в созвездии Дева; предположительно она в два-три раза больше Земли); Gliese 667Cc (22 световых года, созвездие Скорпиона, 4,5 радиуса Земли); Kepler-22b (2,4 радиуса Земли, расстояние 600 световых лет, созвездие Лебедя; по идее, весьма перспективный кандидат, поскольку, по оценкам ученых, температура ее поверхности составляет весьма земные 20–25 °C); HD 85512b (35 световых лет, созвездие Паруса, 3,6 радиуса Земли) и, наконец, планета Kepler-62f, предыдущий держатель рекорда землеподобности, планета в системе звезды Kepler-62 (созвездие Лиры), открытая в 2013 году; ее радиус всего лишь в 1,41 раза больше земного. Правда, расстояние до Kepler-62f в два с лишним раза больше, чем у Kepler-186f, 1200 световых лет, поэтому, как и в случае с последней находкой, особых надежд на получение дополнительных сведений об этом объекте астрономы не питают.

Однако практически все эти недавно открытые экзопланеты (за исключением Kepler-186f и Kepler-62f) значительно больше нашей Земли и в астрофизической классификации подпадают под рубрику так называемых супер-Земель (Super Earths). А как уже отмечалось выше, объекты данной категории — это, скорее всего, газообразные планеты, не слишком пригодные для зарождения жизненных форм, подобных тем, что смогли развиться на нашей планете.

Открытие Kepler-186f стало началом нового и самого интригующего этапа долгих экзопланетных поисков — астрономы наконец получили убедительное доказательство того, что планеты земного типа действительно существуют. По сути, обнаружена лишь верхушка огромного планетарного айсберга, и с учетом большого количества еще не проверенных объектов-кандидатов, выявленных телескопом Kepler, а также радужных надежд, связываемых со скорым запуском в космос следующего поколения профессиональных охотников за экзопланетами, стоит всерьез рассчитывать, что число землеподобных родственников будет расти чуть ли не экспоненциально. Не столь очевидным, впрочем, остается ответ на самый главный вопрос: удастся ли земной науке в ближайшие несколько десятилетий найти в этом новом планетарном зоопарке явные признаки биологической активности?