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

Оценить: 
Звёзд: 1Звёзд: 2Звёзд: 3Звёзд: 4Звёзд: 5 (1 оценок, среднее: 5,00 из 5)
Загрузка...
 
 

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