В поисках второй Земли: как найти пригодные для жизни экзопланеты
Есть ли во Вселенной планеты, подобные нашей Земле, с потенциалом для жизни? Этот вопрос во все времена волновал исследователей. И только около 30 лет назад человечество смогло ответить на него утвердительно — когда начался поиск планет в других звездных системах при помощи различных научных методов и мощных космических приборов.
Что такое экзопланеты
Все планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы, являются экзопланетами. Как и Земля, они вращаются вокруг материнских звезд — среднемассивных желтых карликов, наподобие Солнца, более мелких красных и оранжевых карликов и даже нейтронных пульсаров. Однако встречаются и одиноко блуждающие экзопланеты, не привязанные к околозвездным орбитам, — их называют изгоями. По оценкам ученых, только в нашей галактике Млечный Путь могут существовать триллионы экзопланет.
История открытия экзопланет, или зачем мы ищем вторую Землю
Солнечная система, которую человечество изучает уже несколько столетий, еще не открыла нам всех своих тайн, а пытливые умы исследователей уже стремятся заглянуть за ее пределы. Научный интерес обусловлен естественным желанием понять, есть ли среди наших космических соседей такие, на которых тоже возможна жизнь. А может, среди них есть планеты полностью идентичные Земле? И если да, то как и когда они сформировались? И имеют ли перспективу колонизации в далеком будущем?
В попытках ответить на эти и другие вопросы астрономы ищут и изучают планеты других звездных систем. Такая работа целенаправленно ведется с 90-х годов XX века, когда был зафиксирован первый научно доказанный факт обнаружения экзопланеты у звезды солнечного типа 51 Пегас. Это сделали швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело в 1995 году при помощи сверхточного спектрометра — за это открытие в 2019 году они получили Нобелевскую премию.
Справедливости ради стоит отметить и более ранние попытки обнаружить экзопланеты. Они принадлежат канадским астрономам Брюсу Кэмпбеллу, Гордону Уолкеру, Стефенсону Янгу, а также польскому ученому Александру Вольщану.
На сегодняшний день открыто свыше 6900 экзопланет в 4941 планетной системе. Почти столько же надежных кандидатов в экзопланеты ждут факта подтверждения.
Классификация экзопланет
Своих соседей по Солнечной системе мы уже довольно хорошо изучили, а вот знакомство с планетами других звездных систем только начинается. Пока это знакомство можно назвать заочным, потому что ученые не видят сами экзопланеты, а лишь вычисляют их по ряду показателей. Однако это не мешает им ежегодно открывать как минимум один новый внесолнечный объект. За прошедшие три десятка лет астрономы уже каталогизировали тысячи экзопланет, и эта работа ведется непрерывно.
Учитывая общность признаков, американский астрофизик Дэвид Сударский предложил классифицировать экзопланеты на два основных типа: газовые и землеподобные. Каждый из них в свою очередь делится на множество разновидностей, в зависимости от массы, состава атмосферы и температуры поверхности объектов.
Так, среди газовых экзопланет преобладают массивные тела юпитерианского и нептунианского типа, не имеющие твердой поверхности и состоящие в основном из водорода и гелия. Кстати, первые открытые экзопланеты были именно газовыми гигантами. Они вращались столь близко от родительской звезды, что температура их поверхности просто зашкаливала. Объекты так и назвали — горячие юпитеры. Сегодня наряду с ними существуют и холодные юпитеры, а также горячие сатурны, горячие и холодные нептуны, водные гиганты, суперюпитеры и другие планеты, по ряду признаков схожие со своими гигантскими собратьями по Солнечной системе.
В классе землеподобных экзопланет выделяются миниземли, суперземли и мегаземли, планеты-океаны, планеты-лавы, безъядерные и железные планеты и другие. Это каменистые небесные тела, способные обладать водными ресурсами. Именно они являются наиболее ценными для исследователей с точки зрения поиска жизни.
Основные методы обнаружения экзопланет
Обнаружить планеты, которые находятся от нашей Земли на расстоянии десятков, а то и сотен световых лет, та еще задача. Даже вооружившись сверхмощным телескопом, увидеть с Земли небесные тела за пределами Солнечной системы невозможно. Поэтому астрономы, можно сказать, двигаются в этом направлении на ощупь, опираясь на наблюдение за солнцеподобными звездами в попытках найти вблизи объекты притяжения.
Метод радиальных скоростей
Этим методом, который также известен как Доплеровская спектроскопия, была открыта первая экзопланета 51 Пегас b. Суть подхода в том, что звезда, если вокруг нее вращается массивная планета, тоже будет совершать обороты, подчиняясь общему закону гравитации. Правда, с учетом ее габаритов, улавливается лишь легкое колебание, но и этого достаточно, чтобы при помощи спектроскопа зафиксировать смещение излучаемых звездой волн.
Метод транзита
Когда по яркому диску звезды постоянно в один и тот же временной отрезок мелькает едва уловимая тень, это может означать, что по околозвездной орбите движется планета. Эта теория легла в основу транзитного метода обнаружения экзопланет и была доказана в 1999 году, когда астрономы открыли внесолнечную планету Осирис (HD 209458). С тех пор метод успешно применяется в деле обнаружения соседей по другим звездным системам. Но в этом случае важно условие: плоскость орбиты транзитной планеты должна находиться в фокусе земного наблюдателя.
Гравитационное микролинзирование
Время от времени в небе происходят события линзирования, когда две звезды выстраиваются в одну линию с Землей, и мы можем наблюдать, как свет от дальней звезды увеличивается благодаря гравитационному полю ближней звезды. И если последняя имеет в своей системе планету, ее можно обнаружить в усиленных эффектом линзирования лучах света. Преимущество метода в том, что он приносит успех в поиске экзопланет на далеких от Земли расстояниях, ближе к центру галактики.
Прямое наблюдение
Изобретатели стараются поднять космическую технику на новый уровень, чтобы сделать обнаружение и изучение экзопланет возможным при непосредственном наблюдении за космическими объектами. А пока приходится идти на определенные уловки. Так, чтобы разглядеть фотоны планет, залитых свечением своих материнских звезд, астрономы используют коронограф — непрозрачный диск в объективе телескопа, который закрывает светило и приглушает излучаемый им свет.
Экзопланеты: потенциал для жизни
С каждой открытой экзопланетой ученые все больше удивляются: какое же разнообразие царит в нашей Вселенной, если одинаковых планет просто не существует. Но человечество все же не оставляет попыток обнаружить «вторую Землю» или хотя бы похожую на Землю экзопланету, которая бы являла собой потенциал для жизни. По каким же признакам ведутся поиски?
Вода и ее роль в поддержании жизни
Ученые давно определили критерии, необходимые для признания планеты жизнепригодной, — и первое место в этом списке отведено воде. Ее растворяющие свойства делают возможным течение различных химических реакций. Вода является отличным проводником тепла, осуществляет транспортировку кислорода — то есть обеспечивает еще два важнейших фактора, обязательных для развития всех форм земной жизни.
Зона обитаемости
Чтобы вода на планете пребывала в жидком состоянии, нужна соответствующая температура. Понятно, что на ближайших к светилу объектах вода будет испаряться, а на более дальних — замерзать. Значит, экзопланета должна быть удалена от своего родительского объекта ровно настолько, чтобы получать оптимальную в этом отношении долю тепла. Иными словами, ее место в звездной системе должно находиться в «зоне обитаемости» или «зоне жизни».
Свойства атмосферы
Экзопланеты без атмосферы можно сразу исключать из списка перспективных для поиска жизни. По крайней мере, обнаружить на них микроорганизмы, похожие на земные, крайне маловероятно. Как, собственно, и то, что найдется экзопланета с атмосферой как у Земли. Впрочем, такой цели астрономы перед собой не ставят. Главное — атмосфера внесолнечной планеты должна быть не слишком плотной, чтобы не создавать парникового эффекта, но и не слишком разреженной, чтобы защищать от космической радиации и звездного ветра.
Поиск биосигнатур
Если все вышеперечисленное — это лишь критерии, которые создают возможности для создания и поддержания жизни на экзопланете, то биосигнатуры или биомаркеры — это непосредственные следы живых организмов. Как правило, это определенные газы: кислород, озон, метан, углекислый газ, а также их сочетания и вода. Зона поиска биосигнатур — атмосфера экзопланеты.
Молекулы газов в ней можно обнаружить при помощи мощных телескопов, но гораздо легче сделать это посредством спектрального анализа. В момент транзита экзопланеты по звездному диску газы в ее атмосфере частично поглощают излучение, создавая определенный спектральный рисунок. По результатам исследования можно определить, есть ли в химическом составе планетной атмосферы биосигнатурные вещества и, соответственно, жизненный потенциал.
Миссии и проекты, направленные на поиск жизни
Если первые экзопланеты удалось обнаружить с Земли, то исследование внесолнечного пространства из космоса должно оказаться в разы эффективнее — с такими надеждами астрономы запускали на орбиту первые космические обсерватории. Kepler, стартовавший в 2009 году, стал пионером в этой области. Он был ориентирован на поиск жизнепригодных экзопланет транзитным методом. Его сверхмощные телескопы были сфокусированы на одном участке неба, регистрируя малейшие изменения в «поведении» звезд. За 9,5 лет Kepler собрал столько сведений о звездных системах, что ученые сумели обнаружить более 2700 экзопланет. Многие были открыты и подтверждены уже после того, как телескоп перестал выполнять свою миссию и был отключен в 2018 году.
Почти сразу же NASA запустило телескоп TESS. В его задачи, учитывая опыт предшественника, входит поиск планет земного типа на сравнительно небольшом расстоянии от Земли (не более 200 световых лет). В данный момент телескоп продолжает свою миссию, на его счету уже несколько тысяч кандидатов в экзопланеты.
В 2021 году в мире космоса произошло беспрецедентное событие — запуск усовершенствованного инновационного космического телескопа «Джеймс Уэбб». Он представляет собой орбитальную обсерваторию инфракрасного излучения, и в его миссию, помимо поиска экзопланет с потенциалом жизни, входит еще ряд задач, таких как наблюдение за малыми телами Солнечной системы, изучение протопланетных дисков, поиск биосигнатур на спутниках Юпитера, обладающих водными ресурсами, и многое другое. Миссия телескопа рассчитана на 20 лет.
Технологии будущего в поиске экзопланет: телескопы нового поколения
За период своих исследований «Джеймс Уэбб», бесспорно, совершит немало громких открытий в космологии, но поиск жизни на экзопланетах и их углубленное исследование за технологиями будущего. Первый в череде многообещающих проектов — запуск космической обсерватории «Нэнси Грейс Роман» в 2027 году. Она сочетает в себе лучшие характеристики своих предшественников «Хаббла» и «Джеймса Уэбба» и способна вести поиск планет как методом транзита и гравитационного линзирования, так и методом прямого наблюдения благодаря установленному коронографу. Также с помощью «Роман» астрономы надеются получить детальные снимки экзопланет и разгадать еще множество космических загадок.
