Надежда… на экзопланетную жизнь

NASA/JPL-Caltech

NASA/JPL-Caltech


Борис Штерн, докт. физ.-мат. наук, главный редактор газеты «Троицкий вариант — наука», финалист премии «Просветитель»

Борис Штерн

Совсем недавно мы комментировали открытие Проксимы b, планеты, ставшей своего рода вишенкой на экзопланетном торте. И вот 22 февраля 2017 года с помпой объявлено об открытии сразу трех планет в зоне обитаемости другого красного карлика — TRAPPIST-1. Эта система находится почти в десять раз дальше Проксимы Центавра, но есть по крайней мере два обстоятельства, делающие находку второй вишенкой на торте за последние несколько месяцев. Это:

— сразу три планеты в зоне обитаемости, это повышает вероятность, что хотя бы одна из них пригодна для жизни;

— эти планеты, в отличие от Проксимы b, транзитные, то есть проходят по диску звезды для земного наблюдателя, что резко облегчает наблюдение их атмосфер.

Пару слов об истории сенсации. Система была открыта в 2015 году небольшим бельгийским телескопом TRAPPIST. Название — Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope South — подогнано под марку бельгийского пива. Телескоп расположен в Чили в обсерватории Ла-Силья, принадлежащей Европейской южной обсерватории.

С его помощью обнаружили три транзитные планеты у холодного красного карлика 2MASS J23062928-0502285 [1], который получил второе, более человеческое имя TRAPPIST-1, — это была первая планетная система, обнаруженная данным телескопом. Потом система наблюдалась европейским телескопом VLT (Very Large Telescope), наконец благодаря данным инфракрасного космического телескопа NASA «Спитцер» систему «распутали» и выяснили, что планет семь. Собственно, о последнем шаге и была пресс-конференция NASA 22 февраля.

Рис. 1. Кривая блеска звезды TRAPPIST-1 за время 20-дневного сеанса космического телескопа «Спитцер». Зеленые точки — наблюдения наземными телескопами. По вертикали — светимость звезды в данный момент по отношению к средней светимости. Ромбиками отмечены транзиты конкретных планет. Выбросы точек вверх, скорее всего, звездные вспышки. Транзит планеты h только один. Ее период и радиус орбиты оценены из продолжительности единственного транзита (см. рис. 2)

Рис. 1. Кривая блеска звезды TRAPPIST-1 за время 20-дневного сеанса космического телескопа «Спитцер». Зеленые точки — наблюдения наземными телескопами. По вертикали — светимость звезды в данный момент по отношению к средней светимости. Ромбиками отмечены транзиты конкретных планет. Выбросы точек вверх, скорее всего, звездные вспышки. Транзит планеты h только один. Ее период и радиус орбиты оценены из продолжительности единственного транзита (см. рис. 2)


Рис. 2. Кривые блеска звезды при транзитах каждой из семи планет

Рис. 2. Кривые блеска звезды при транзитах каждой из семи планет

К обитаемой зоне относят планеты e, f, g, хотя с первого взгляда планета d по интенсивности обогрева подходит больше, чем g. Тут требуется довольно сложная дискуссия с оценками возможного парникового эффекта, включающая массу неопределенностей. Конечно, понятие обитаемой зоны очень условно.

Как бы мы ни определяли зону обитаемости, а с реальной пригодностью для жизни каждой из этих планет есть серьезные проблемы. Те же проблемы, что и для Проксимы b. Они связаны с природой красных карликов.

  1. Это звезды с очень бурной магнитной активностью. У них толстый конвективный слой. В отличие от Солнца, где тепло переносится наружу в основном диффузией фотонов, там преобладает конвекция. На Солнце тоже есть конвекция, из-за чего и появляются пятна, вспышки, протуберанцы, а на Земле — магнитные бури и полярные сияния. Там все эти явления происходят куда интенсивнее.
  2. У этих звезд в начале биографии сильно меняется светимость. Первые миллионы лет они светят в десятки, а то и в сотни раз ярче, чем в установившемся режиме.
  3. Зона обитаемости красных карликов находится настолько близко к звезде, что планеты попадают в приливное замыкание: либо они всё время обращены к звезде одной стороной, либо сутки на них длиннее их года (для системы TRAPPIST-1 вероятней первый вариант).

Что делать, природа второй раз менее чем за год подсовывает нам именно такие не очень обнадеживающие планетные системы. Это неудивительно — их намного легче найти спектрометрическим методом (Землю у Солнца таким образом обнаружить невозможно), они с большей вероятностью оказываются транзитными, причем транзиты более контрастны наконец красных карликов больше, чем желтых и оранжевых.

Рис. 3. Одновременный транзит трех планет. Кривая блеска снята 11 декабря 2015 года европейским телескопом VLT

Рис. 3. Одновременный транзит трех планет. Кривая блеска снята 11 декабря 2015 года европейским телескопом VLT

Итак, данные по найденной системе TRAPPIST-1 (ошибки не приводим).

Планета Радиус орбиты Период Радиус планеты Интенсивность обогрева (в единицах земного)
b 0,011 а.е. 1,51 дня 1,09 Re 4,25
c 0,015 2,42 1,06 2,27
d 0,021 4,05 0,77 1,14
e 0,028 6,10 0,92 0,66
f 0,037 9,21 1,04 0,38
g 0,045 12,35 1,13 0,26
h 0,063 ~20 0,75 0,13

Звезда. Масса — 0,08 солнечной, радиус -0,117 солнечного, светимость — 0,5·103 солнечной, температура 2550К

Удалось грубо оценить и массы планет — из-за их взаимодействия транзиты немного смещаются во времени. Ошибки в определении массы велики, но уже можно заключить, что плотность планет соответствует скальной начинке.

Конечно, землеподобные планеты у солнцеподобных звезд будут найдены в обозримое время. Собственно, в данных «Кеплера» уже найдено несколько таких планет, только они очень далеко. Достаточно наблюдать за несколькими сотнями ярких звезд по всему небу (что планируется в ближайшие годы), и такие планеты будут обнаружены в пределах сотни световых лет (а если повезет, то и ближе).

На самом деле комфортные планеты у комфортных звезд находятся в пределах 15–20 световых лет (это следует из статистики, добытой «Кеплером»), но, чтобы их обнаружить, нужны космические интерферометры, которые появятся не скоро (см. [2]).

Надежда на то, что хотя бы одна из планет пригодна для жизни, остается. На них изначально могло быть много воды — они не могли образоваться там, где они сейчас, и должны были мигрировать к звезде с периферии протопланетного диска — из-за снеговой линии, где много ледяных тел. Правда, они мигрировали еще в ту эпоху, когда звезда была много ярче. Но оценки, сделанные для Проксимы b, показывают, что гидросфера планет могла пережить пекло длительностью в десятки миллионов лет.

Приливное замыкание не фатально, если у планеты есть толстая атмосфера и глобальный океан — тогда перенос тепла способен сгладить перепад температуры между дневным и ночным полушариями.

Более серьезная проблема — сдувание атмосферы звездным ветром и жестким излучением. На пресс-конференции прозвучало высказывание, что сейчас звезда спокойна. Это справедливо, если иметь в виду тепловое излучение, но не рентгеновское: TRAPPIST-1 — измерено напрямую космической обсерваторией XMM — излучает примерно столько же рентгена, что и Солнце. Поскольку планеты находятся в десятки раз ближе к звезде, чем Земля к Солнцу, их рентгеновское облучение на три порядка превосходит то, что получает Земля.

Прямой угрозы жизни рентген не несет — он поглощается атмосферой. Проблема в обезвоживании планеты: рентген и жесткий ультрафиолет разбивают молекулы воды — водород легко улетучивается, кислород связывается. Еще хуже то, что, раз есть интенсивный рентген, должен быть и интенсивный звездный ветер — он обдирает внешние слои атмосферы. Единственное спасение в данном случае — магнитное поле планеты. Есть ли у этих планет достаточно сильное поле — вопрос. Может быть, и есть.

Итак, остается надежда, что какая-то из планет системы TRAPPIST-1 пригодна для жизни. Можно ли эту надежду подтвердить или опровергнуть? Можно, и гораздо легче, чем для случая Проксимы b, в котором надо наблюдать либо отраженное, либо собственное тепловое излучение планеты.

Его очень трудно отделить от излучения звезды. Здесь же атмосферы планет можно наблюдать на просвет, что несравненно легче.

В случае с Проксимой b новый космический телескоп James Webb сможет что-то показать лишь в предельном случае: одно полушарие раскалено, другое — выморожено. В случае с TRAPPIST-1 реально увидеть линии поглощения в атмосферах планет. Или поставить какие-то ограничения сверху. Одно такое ограничение уже поставлено: внутренние планеты не обладают толстыми водородными атмосферами.

Рис. 4. Схема орбит системы TRAPPIST-1. Серым отмечена зона обитаемости. Пунктирными кругами — она же в несколько отличающейся трактовке

Рис. 4. Схема орбит системы TRAPPIST-1. Серым отмечена зона обитаемости. Пунктирными кругами — она же в несколько отличающейся трактовке

А есть ли теоретическая возможность, что James Webb обнаружит жизнь на одной из этих планет? Наиболее красноречивый маркер жизни — кислород. Он вполне детектируем и как озон, и как O2. Другое дело, что какое-то количество кислорода может образоваться, например, из-за диссоциации молекул воды жестким излучением звезды. Оценить, какое количество кислорода можно считать надежным маркером, не так просто. Надо знать темп диссоциации и темп связывания кислорода — здесь много неопределенностей. Но если кислорода столько же, сколько и на Земле, тут деваться уже некуда: такое может дать только жизнь. Если кислорода мало — это не значит, что жизни нет: на Земле первые пару миллиардов лет существования жизни его было мало.

В заключение хочется выразить сожаление, что Россию исследование экзопланет обошло стороной. Есть отдельные люди и отдельные работы, но не более того. А ведь эта область не требует гигантских установок — скорее, серого вещества и упорства, чем наша наука всегда могла похвастаться. Некоторую надежду дает российский проект «Миллиметрон» — криогенный космический телескоп с 10-метровым зеркалом: в проекте исследование экзопланет идет одним из первых пунктов. Однако это — тема для отдельной публикации.

Борис Штерн,
астрофизик, докт. физ. -мат. наук, вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН (Троицк)

1. http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=2MASS+J23062928-0502285

2. http://trv-science.ru/2016/06/28/blizhajshie-prigodnye-dlya-zhizni-exoplanety/

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Связанные статьи

 
 

Метки: , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,

 

6 комментариев

  • Михаил Эфроимский:

    Уважаемый Борис Евгеньевич!

    Обсуждаемая Вами публикация из Nature содержит следующее утверждение:

    «However, even at these low insolations, all seven planets are expected to be either tidally synchronized, or trapped in a higher-order spin-orbit resonance, the latter being rather unlikely considering the constraints on the orbital eccentricities (Table 1).»

    Потому в Вашей статье фразу

    «планеты попадают в приливное замыкание: либо они всё время обращены к звезде одной стороной, либо сутки на них длиннее их года (для системы TRAPPIST-1 вероятней первый вариант).»

    имело бы смысл переправить на

    «планеты попадают в приливное замыкание: либо они всё время обращены к звезде одной стороной, либо сутки на них короче их года (для системы TRAPPIST-1 вероятней первый вариант).»

    Дело в том, что спин-орбитальный резонанс высшего порядка — это ситуация, когда вращение вокруг своей оси обгоняет орбитальное движение, как в случае Меркурия, пребывающего в резонансе 3:2 (т.е., 3 дня равны двум годам).

    На самом деле, процитированное утверждение из статьи в Nature с большой вероятностью является неверным. Ибо как раз таки исключительная близость планет к звезде повышает их шансы на попадание в высокие резонансы — как случилось это с Меркурием. Насколько велики эти шансы — зависит от эксцентриситета. Авторы отсылают нас к таблице 1 и говорят, будто указанные там ограничения на значения эксцентриситетов делают высшие резонансы маловероятными («rather unlikely»). Здесь содержатся сразу две ошибки. Во-первых, приведённые в их таблице максимальные значения эксцентриситетов не настолько уж малы, чтобы исключить попадание в высшие резонансы. Во-вторых — и это главное — приливные силы постепенно меняют эксцентриситеты (обычно приливы стремятся уменьшить эксцентриситет, хотя это правило соблюдается не всегда). Посему важными здесь являются не нынешние значения эксцентриситетов, а их значения в момент, когда осуществлялся приливный захват — то есть в ранние эпохи развития этой звёздной системы.

    Есть и иные обстоятельства, повышающее шансы на захват в высшие резонансы в этой системе. Важно здесь то, что в случае, если планета «d» окажется в таком резонансе, то это может ввести её в зону обитаемости.

  • Михаил Эфроимский:

    Всё вышесказанное относится и к Proxima b. На сегодняшней день ограничение на её эксцентриситет таково: е < 0.35. Если на ранних этапах значение е составляло хотя бы половину от этого предела, то попадание в высший спин-орбитальный резонанс было весьма вероятно.

    • stern:

      Вы говорите «сутки» о периоде обращения планеты вокруг оси. Это так. Но «солнечные сутки» составляют два года — орбитальное вращение и вращение вокруг оси при таком резонансе вычитаются. Надо было уточнить, хотя из контекста ясно. К Проксиме b конечно относится.

  • Дмитрий:

    Пусть мы ищем планету, удобную для жизни в известном нам понимании, т.е. с большим количеством кислорода в атмосфере и низким уровнем радиации на поверхности.

    При такой близости к активному красному карлику последнее означает очень сильное магнитное поле, которое будет защищать поверхность, а заодно и атмосферу от сдувания солнечным ветром — на порядки больше, чем на Земле.

    Тогда на планете должны быть мощнейшие полярные сияния, вызванные ионизацией верхней атмосферы планеты на полюсах под действием этого отклоняемого магнитным полем солнечного ветра — опять же, на порядки сильнее, чем на Земле. Атмосфера должна просто непрерывно сиять.

    Такое характерное красное и зеленое свечение при полярном сиянии — это свечение атомарного кислорода.

    Тогда в атмосферах планет при транзите характерные спектры этого атомарного кислорода должны быть хорошо заметны?

    • stern:

      Линии поглощения атомарного кислорода на просвет — почему бы и нет? Зеленая вряд-ли, а красная — может быть. Но само сияние, конечно, безнадежно слабо.

  • Михаил Эфроимский:

    Да, Вы правы. Я должен был уточнить, что под сутками я подразумавал не synodic day, а так называемый 'sidereal day', т.е. период вращения вокруг своей оси в инерциальной (невращающейся) системе отсчёта.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Недопустимы спам, оскорбления. Желательно подписываться реальным именем. Аватары - через gravatar.com