Где и как искать новые земли, пригодные для жизни (что есть в радиусе 10 парсек)

Из серии интервью на тему «Место жизни во Вселенной», опубликованных в ТрВ-Наука¹, следует, что жизнь, скорее всего, — довольно редкое явление, особенно развитая жизнь. Скорее всего, количество планет, пригодных для жизни, но безжизненных, намного превышает число обитаемых планет. Вырисовывается важнейшая (и сложнейшая) задача для человечества — распространить земную жизнь на мертвые планеты, пригодные для жизни. Где эти планеты, сколько их в пределах достижимости и каковы эти пределы?

Есть очень полезный в науке принцип: если не знаешь, где точно надо подводить черту, делай это на самом круглом числе, попадающем в разумный интервал. Нас интересуют звездные системы, во-первых, досягаемые для перелетов за тысячи лет (при использовании ядерной энергии), во-вторых, доступные для прямого наблюдения с помощью гигантских наземных телескопов или космических интерферометров. Десять парсек будет хорошим красивым пределом, тем более что уже существуют списки звезд и экзопланет в радиусе десяти парсек.

Всего в радиусе 10 пк по данным космического телескопа Gaia насчитывается (в порядке убывания яркости:

• 4 звезды класса А (светимость 7–80 L_ʘ, срок жизни < 2 млрд лет);
• 8 звезд класса F (2–6 L_ʘ, несколько миллиардов лет);
• 18 звезд класса G (как Солнце);
• 38 класса К (0,1–0,4 L_ʘ, больше 20 млрд лет);
• 249 класса М (красные карлики, < 0,1 L_ʘ, до триллионов лет);
• 86 бурых карликов (наверняка найдена лишь небольшая часть);
• И отдельно 20 белых карликов.²

У каких из этих звезд могут быть планеты, пригодные для жизни?

Наиболее многочисленные красные карлики не очень удобны для жизни возле них. Проблем сразу несколько. Во-первых, приливное замыкание. По своей светимости красные карлики уступают Солнцу на 2–4 порядка величины. Следовательно, зона жизни находится в десятки раз ближе к звезде, и планеты в зоне жизни попадают в приливное замыкание, т. е. обращены к звезде одной стороной. Проблема не только в том, что одно полушарие всегда холодное, а другое всегда горячее. Гораздо страшнее, что на холодном полушарии может вымерзать вся атмосфера планеты, превратившись в ледяной слой толщиной в десятки метров — будь то азот или углекислота. Спасти от подобной катастрофы может только интенсивная атмосферная или океанская циркуляция при мощном парниковом эффекте.

Более мягкий вариант: если орбита немного вытянута, то планета может находится в спин-орбитальном резонансе 3/2 — как Меркурий. В этом случае сутки на планете равны двум ее годам — т. е. периодам обращения вокруг звезды. Тогда для планеты в зоне жизни красных карликов день будет продолжаться несколько наших недель. Это не очень приятно, но даже столь длинные сутки вполне могут обезопасить планету от вымерзания атмосферы.

Другая проблема с пригодностью для обитания планет у красных карликов — бурная эволюция звезды в молодости: в первые десятки миллионов лет ее светимость падает в десятки раз. Это значит, что планеты, которые оказываются в зоне обитаемости через миллиард лет, хорошо «прожарены» в первые десятки миллионов лет. Но хуже даже не это (с Землей такое тоже происходило), а то, что так называемая снеговая линия, где вода способна сконденсироваться в кометы и астероиды, оказывается слишком далеко в те времена, когда формируется планетная система. Земля, скорее всего, тоже поначалу была сухой, но ее «оросили» ледяные тела, прилетевшие из-за снеговой линии. В случае красных карликов подобное орошение сильно затруднено — отношение радиусов орбит, где могли формироваться ледяные тела, к радиусу зоны жизни гораздо больше, чем для Солнечной системы.

Наконец, самое печальное обстоятельство: красные карлики — очень активные звезды. На них происходят мощные вспышки, сопровождаемые жестким излучением, они испускают интенсивный звездный ветер. Причина — интенсивная конвекция звезд почти на всю глубину. Дело в том, что прохладные звезды ионизованы значительно слабей, чем Солнце, при этом не полностью ионизованные атомы гелия и тяжелых элементов сильно поглощают и переизлучают рентгеновские фотоны, диффундирующие из центра звезды, где идут термоядерные реакции. В результате длина диффузии фотонов оказывается слишком малой, и единственным способом передачи тепла из центра звезды наружу остается конвекция. Звезда целиком бурлит, как чайник! У Солнца тоже есть конвективная зона, но лишь во внешних слоях. Конвекция при дифференциальном вращении небесного тела (внутренности вращаются быстрей) — мощный генератор магнитного поля, как дипольного, так и турбулентного. Турбулентное поле всплывает наружу и пересоединяется в короне, что и несет вред в виде ионизирующего излучения и звездного ветра. Самое неприятное — сдираются атмосферы планет, как солнечный ветер содрал атмосферу Марса. Ветер и ультрафиолет с рентгеном от красных карликов намного сильней, чем от Солнца, в абсолютном выражении, а учитывая, что зона жизни у красных карликов гораздо ближе к звезде, облучение планеты может быть в сотни и тысячи раз выше, чем Земля получает от Солнца. На рис. 1 показан рентгеновский поток от красных карликов на расстоянии 0,1 а. е. в зависимости от возраста звезды. Это расстояние является типичным радиусом зоны жизни для красных карликов. Поток нормирован на рентгеновское облучение, которое получает Земля от Солнца³.

Результат разочаровывает: в первый миллиард лет, когда планетная система уже релаксировала и все планеты вращаются на своих местах, жесткое облучение, сдирающее атмосферу, превышает то, что падает на Землю на четыре порядка. Между тем оно лишило атмосферы Марс. Сильное магнитное поле вряд ли спасет ситуацию, поскольку планеты у красных карликов, находясь в приливном замыкании, вращаются медленно, а для генерации магнитного поля требуется быстрое вращение.

Однако при желании можно придумать вполне реальную лазейку. Например, где-то вблизи далекой снеговой линии молодого яркого красного карлика сформировалась суперземля и набралась воды, азота и других летучих веществ, обзаведясь океанами и толстой атмосферой. Потом, взаимодействуя с остатками протопланетного диска и с другими планетами, за десятки миллионов лет она мигрировала внутрь к зоне жизни, но не достигла ее, остановившись неподалеку от внешней границы. Сильный парниковый эффект обеспечил приемлемую для жизни температуру, а сильная гравитация вместе с относительно широкой орбитой способствовали удержанию атмосферы, несмотря на сильное облучение.

Конечно, такой сценарий не слишком вероятен, и в радиусе 10 пк вряд ли реализовался, несмотря на численное преимущество красных карликов. Скорее всего, надо искать перспективные планеты у звезд класса G и К (оранжевые карлики). Годится и более яркий класс F. Они живут считаные миллиарды лет, что недостаточно для полноценной собственной эволюции, но годятся для экспансии жизни из других систем. Таких звезд в радиусе 10 пк шесть. Всего получается более полусотни звезд, у которых стоит искать пригодные для жизни планеты. Как их искать, насколько это вообще возможно?

Есть два основных метода поиска экзопланет: по транзитам и по колебаниям лучевой скорости. Метод транзитов чувствительней к малым планетам: когда планета размером с Землю проходит по диску звезды, подобной Солнцу, падение яркости последней — около 10^-4, что прекрасно регистрируется.

Всего в интересующей нас сфере найдено уже сто с небольшим планет. Подавляющее большинство из них — именно у красных карликов. Однако это «эффект поиска под фонарем». Чем меньше звезда, тем легче найти у нее планету в зоне жизни, причем, любым методом. Для метода транзитов требуется удачная ориентация орбиты. Вероятность транзитов равна отношению радиуса звезды к радиусу орбиты планеты. Для Земли и Солнца это одна двухсотая, для планет в зоне обитаемости красных карликов — на порядок выше. И всё же вероятность транзитов остается невысокой для любых звезд, и в окрестностях 10 пк есть всего девять транзитных планет, причем ни одна из них не подходит для жизни — большинство находится слишком близко к звезде.

Метод лучевой скорости не зависит от удачи, но он менее чувствителен для небольших планет. Пара Земля — Солнце находится существенно ниже порога чувствительности. Скорость кругового движения Солнца, наведенная орбитальным движением Земли, — 10 см/с. Достигнутый к настоящему времени порог чувствительности по колебаниям лучевой скорости — чуть меньше полуметра в секунду. Этим методом в радиусе 10 пк найдено под сотню планет, но лишь двадцать из них принадлежат звездам класса G и К. Распределение открытых планет по массе и орбитальному периоду показано на рис. 2. Видно, что они старательно избегают той точки, где находится Земля.

Это и есть эффект наблюдательной селекции — чем легче планета и чем дальше она от звезды, тем сложнее ее обнаружить. Ближайшие к Земле планеты на этом графике — планеты у τ Кита, еще не окончательно подтвержденные. Они обнаружены на самом крае чувствительности метода, лучевая скорость здесь 30–40 см/с. Чтобы достичь этого уровня пришлось прибегать к ряду ухищрений — убирать колебания лучевой скорости, связанные с «дыханием» самой звезды, что потребовало изучить разнообразные корреляции в данных о звезде. Видимо, это близко пределу метода при современном уровне наблюдений.

Планеты у звезд классов G и К показаны на рис. 3 в координатах масса звезды — радиус орбиты. Здесь планеты, относящиеся к одной звезде, группируются в столбец. Существует четкая зависимость светимости звезды главной последовательности данных классов от ее массы. Эта зависимость L ~ 1/M⁴. Используя ее, мы можем примерно очертить зону жизни в зависимости от массы звезды. Видно, что в нее попадает лишь одна планета у τ Кита. Однако это суперземля M > 3,9 M_Ꚛ. Скорее всего, у нее толстая атмосфера и сильный парниковый эффект. Более перспективным пристанищем жизни выглядит следующая планета в системе. Формально она лежит за зоной жизни, но это тоже суперземля, где мы вправе ожидать большой парниковый эффект. Между прочим, расстояние между орбитами двух упомянутых планет τ Кита достаточно большое, чтобы между ними поместилась еще планета типа Земли, недоступная наблюдениям методом лучевой скорости.

Самая богатая система — HD 219134 (е Эридана, не путать с ε Эридана) — в ней обнаружено шесть планет: пять горячих и один классический юпитер на своем месте, примерно как в Солнечной системе. В этой системе тоже вполне могла бы приютиться земля в зоне жизни.

Сколько всего планет в зоне обитаемости у звезд классов G и К может находиться в радиусе 10 пк? Метод лучевой скорости позволяет «вытянуть» только суперземли в зоне обитаемости. Единственно, на что можно опереться, — данные космического телескопа «Кеплер», который снимал кривые блеска одновременно у двухсот тысяч звезд, у которых оказалось несколько тысяч транзитных планет, в том числе размером с Землю.

Тут возникает другая проблема: «Кеплер» оказался неспособен найти землеподобные планеты с большим орбитальным периодом. Причина в том, что для обнаружения аналога Земли нужно наблюдать несколько транзитов, т. е. смотреть на звезду несколько лет. «Кеплер» проработал в основном режиме лишь три года из-за поломки двух гиродинов. Однако в данных Кеплера нашли много планет с орбитальными периодами до ста дней

Оценки, сделанные по данным космического телескопа «Кеплер», дают вероятность нахождения землеподобной планеты в зоне жизни звезд класса G от 15 до 25%. Это значит, что среди 55 планетных систем у звезд подходящих классов можно найти порядка десяти планет, пригодных для жизни. Но как их найти?

Метод транзитов здесь точно не поможет, а метод лучевой скорости не дотягивает фактора 3–4 для обнаружения земель в зоне жизни. Нужен принципиально новый уровень. Скорее всего, революцию может совершить метод прямого наблюдения. Сейчас ни один инструмент не способен напрямую наблюдать планету размером с Землю неподалеку от звезды. Возможно, на это окажется способен огромный телескоп с 39-метровым зеркалом, строящийся в Чили (ELT — Extremely Large Telescope). По крайней мере, прямое наблюдение планет земной группы значится среди приоритетных целей ELT.

Однако здесь не обойтись без космических телескопов нового поколения, тем более, что экзопланеты легче и интересней наблюдать в инфракрасном диапазоне, где мешает земная атмосфера. Адекватный инструмент в данном случае — космический интерферометр: несколько телескопов класса «Хаббла», а также хаб, собирающий свет с телескопов. Все должно быть отъюстировано с точностью долей длины волны, так, чтобы звезда попала в интерференционный минимум. Соответствующая технология пока не разработана, финансирование существовавших проектов («Дарвин», TPF, SIM Lite) прекращено.

Еще существует амбициозный проект наблюдения экзопланет с использованием Солнца как гравитационной линзы⁴. Этот проект очень дорог и сложен, но по светосиле и разрешению превосходит то, что можно получить околоземными инструментами. Для его осуществления надо забросить телескопы более чем за 500 а. е. в точно определенное место. К сожалению, это будет одноразовая миссия — только для наблюдения единственной планетной системы. Поэтому предварительно надо найти и исследовать самую перспективную цель, для чего потребуются сначала гигантский наземный телескоп, затем космический интерферометр — этап, который нельзя обойти, если мы хотим найти сравнительно недалекую планету, пригодную для жизни, среди десятков планетных систем.

Борис Штерн

¹ www.trv-science.ru/tag/proisxozhdenie-zhizni/

² По данным Early Gaia Data Release.

³ Эти данные взяты из работы: Engle S. G. Living with a Red Dwarf: X-ray, UV, and Ca II Activity-Age Relationships of M Dwarfs. arxiv.org/abs/2310.04302 (название говорит само за себя — работа выполнена именно с прицелом на изучение жизнепригодности красных карликов).

⁴ См. www.trv-science.ru/2024/10/k-gravitacionnomu-teleskopu-na-solnechnom-paruse/