Потенциально обитаемые экзопланеты: счет уже на тысячи

Экзопланеты давно стали привычной частью астрономических новостей, об их поисках и открытиях уже неоднократно писалось на страницах нашего сайта, и мы редко задумываемся над тем, что менее четверти века назад эти объекты были действительно экзотическими — количество известных планет иных звезд можно было пересчитать по пальцам одной руки. Первый спутник солнцеподобной звезды (51 Пегаса b) открыла в 1995 г. группа профессора Мишеля Майора, позже ставшего одним из наиболее известных специалистов в этой области. В феврале 2018 г. ученый прочитал лекцию на фестивале STARMUS в Тронхейме, участники которого получили возможность из первых уст услышать рассказ о достижениях и перспективах экзопланетной астрономии — одной из наиболее быстро развивающихся отраслей науки о Вселенной.

Первое, что я попрошу вас сделать — это изменить в своем сознании масштабы обсуждаемых объектов. Луна находится всего в одной световой секунде от нас. А сейчас речь пойдет о телах, расположенных в миллиарды раз дальше. Наверняка многие знают, что Солнце — лишь одна из 200 млрд звезд в нашей галактической семье. Логичны кажется вопрос: существуют ли в Галактике другие миры, подобные нашему? Люди с давних времен интересовались, есть ли где-то еще планеты, похожие на Землю. Если взглянуть на фотографию относительно небольшого региона Млечного Пути, то каждая из бесчисленных точек
на нем окажется звездой. Вопрос лишь в том, есть ли у них планеты?

Неудивительно, что с самого начала XX века многие известные и именитые астрономы пытались рассчитать предполагаемое количество планет в нашей Галактике, используя доступные им данные. Однако их приблизительные оценки не смогли отразить реальной картины. На тот момент было сложно наверняка сказать, какие физические процессы лежат в основе формирования планетных систем и, соответственно, могут ли они в принципе образовываться в значительном количестве.

И только в середине прошлого века взгляды на эту проблему изменились кардинальным образом. Оценки числа планетных систем в Млечном Пути, предлагаемые астрономами, резко возросли до миллиардов и даже сотен миллиардов. Тем не менее, все это оставалось лишь прогнозом.

На данный момент прошло почти 26 лет с момента обнаружения нами первой планеты за пределами нашей Солнечной системы. Уже найдено около 5 тыс. планетных систем у далеких светил. Для открытия экзопланет используются несколько методов. Самым эффективным из них является доплеровская спектроскопия: присутствие спутника звезды «выдает» характерное движение последней вперед-назад в результате его гравитационного воздействия. Однако сейчас на первое место выходит метод транзитов — регистрации прохождений по дискам звезд планетоподобных объектов.

Есть и другие способы заметить экзопланету, однако хотелось бы обратить ваше внимание на проблемы и вызовы, связанные с обнаружением именно небольших каменистых планет, похожих на Землю. Такой интерес к ним вызван тем, что именно этот вид планет считается наиболее пригодным для зарождения и развития внеземной жизни.

Одна из проблем заключается в том, что большая часть обнаруженных нами планет, схожих по размеру и массе с Землей, имеют очень малый период обращения вокруг своих звезд: год на них длится от нескольких дней до нескольких недель. Многие уже открытые экзопланеты, сравнимые по массе с Юпитером, обладают более длительными периодами обращения, однако с точки зрения поиска жизни наибольший интерес представляют небольшие каменистые тела, продолжительность года на которых была бы сопоставима с земной.

Итак, самый простой способ найти экзопланету — использовать данные спектроскопии. Принцип работы этого метода очень прост. Несмотря на то, что напрямую увидеть саму планету вблизи яркой звезды невозможно, с помощью спектроскопа, традиционного инструмента астрономии, мы можем наблюдать небольшие изменения в длинах волн света, излучаемого звездой, под действием эффекта Доплера. Точные измерения положения спектральных линий позволяют зарегистрировать слабые регулярно повторяющиеся колебания, свидетельствующие о присутствии планеты на орбите вокруг светила. Такие изменения в спектре излучаемого света вызваны движением звезды вперед-назад по отношению к наблюдателю благодаря притяжению планеты. Произведя несколько простых расчетов, мы можем на основе этих данных узнать массу, период обращения, а иногда — и форму орбиты такого объекта.

Именно этим мы и занимаемся вот уже 26 лет. Первой открытой нами планетой стала 51 Пегаса b. Далее последовало огромное количество аналогичных открытий, и в течение последующих двух десятков лет оно постепенно увеличивалось. Но еще важнее то, что растет и количество обнаруживаемых экзопланет,
схожих по массе с Землей: если первый открытый объект был размером с Юпитер, то последние очень напоминают наш «космический дом».

Еще один способ поисков планет у далеких звезд, заслуживающий подробного рассказа — это метод транзитов. Он хорош для регистрации объектов с очень малым периодом обращения вокруг центрального светила. Существует вероятность того, что плоскость, в которой обращается экзопланета, может располагаться таким образом, что, проходя между звездой и телескопом, она частично заслонит собой звездный диск, и это снижение яркости можно будет заметить с Земли. Таким образом, наблюдая исключительно за блеском некоторых звезд, можно сделать вывод о существовании планет в их окрестностях.

В сентябре 1999 г. такое явление впервые наблюдалось с помощью совсем небольшого 10-сантиметрового телескопа. Мы заранее сообщили группе астрономов время, когда ожидалось прохождение по диску звезды экзопланеты, которое было вычислено на основании данных, полученных нами посредством спектроскопии. В результате точно в указанный момент наши коллеги отметили предсказанное снижение яркости этой звезды. Важно, что если с применением доплеровской спектроскопии можно вычислить массу объекта, то транзитный метод позволяет узнать его размер. Таким образом, объединив данные, полученные при использовании обоих методов, можно получить представление о составе планеты. В описанном случае таким путем было предоставлено подтверждение того, что открытое тело является газовым гигантом наподобие Юпитера.

В следующем сезоне наши коллеги провели повторные наблюдения того же объекта с помощью орбитального телескопа Hubble. Очевидно, что данные, полученные таким способом, оказались намного точнее, поскольку этот телескоп не подвержен влиянию земной атмосферы.

Такими были первые шаги на пути к последовавшему активному развитию этой отрасли астрономии. Ее наиболее впечатляющий прогресс обеспечил космический телескоп Kepler, занимающийся поиском экзопланет методом транзитов. Если расположить все открытые им объекты и подлежащие проверке кандидаты (общим числом более 7000) на графике, этот прогресс становится очевидным. График можно сделать еще информативнее, если точки, соответствующие планетным системам с разным количеством экзопланет, окрасить в различные цвета. Например, красных точек — систем, в которых по диску одной звезды проходят целых шесть ее спутников — там будет совсем немного. Чтобы мы могли зарегистрировать подобную картину, все планеты должны обращаться практически в одной плоскости, расположенной под очень малым углом к лучу зрения. Тем не менее, объектов, обладающих одновременно и массой, и периодом обращения, близкими к земным, по-прежнему не обнаружено.

Как же нам найти больше планет, похожих на Землю? Позвольте акцентировать ваше внимание на том, насколько сложна стоящая перед нами задача. Как и Солнце, другие звезды тоже характеризуются бурной активностью и сильными магнитными полями, приводящими к множественным извержениям протуберанцев и выбросам плазмы. Все эти процессы колоссально затрудняют измерение малейших отклонений в движении звезды. Кроме того, посмотрите на относительные размеры каменистых внутренних планет нашей системы и ее центрального светила: на его фоне они выглядят едва заметными. Соответственно, гравитационное влияние такой маленькой планетки, как Земля, на огромное массивное Солнце исключительно мало, и обнаружить его практически невозможно.

Упомянутые причины представляют собой огромные преграды при использовании доплеровской спектроскопии для поиска землеподобных объектов. К сожалению, метод транзитов сталкивается с аналогичными трудностями. Если рассмотреть нашу Солнечную систему, можно прийти к выводу, что колебания собственной скорости Солнца, обусловленные его магнитной активностью, составляют порядка 1-3 м/с, а колебания вследствие гравитационного влияния Земли — всего около 0,09 м/с. К сожалению, пока мы не располагаем инструментами, которые позволили бы зарегистрировать настолько малые изменения скоростей движения далеких звезд.

На множестве снимков поверхности Солнца (особенно сделанных в периоды максимумов его активности) видны мощные потоки газа, вздымающегося из его глубин со скоростью порядка километра в секунду. В то же время внешние слои солнечной плазмы опускаются вниз. Подобные процессы там протекают повсеместно и непрестанно, поэтому их влияние на поведение светила заметно отражается на результатах наших измерений. Описанные факторы делают поиск экзопланет земного типа чрезвычайно сложной задачей.

Несмотря на все сложности, наука и техника не стоят на месте. Разрабатываются новые, более точные и чувствительные инструменты, дающие нам возможность обойти даже такие значительные препятствия. Например, в обсерватории Паранал уже совсем скоро будет собран и введен в эксплуатацию новый спектрограф для Очень большого телескопа (VLT), представляющего собой четыре 8-метровых рефлектора, объединенных в единый комплекс. Ожидается, что этот инструмент сможет определять отклонения в собственной скорости звезд с точностью порядка 0,1 м/с, что позволит эффективно обнаруживать землеподобные планеты.

Такая ситуация с поиском небольших планет может показаться пессимистичной. Однако иногда случаются и внезапные интересные открытия — например, сделанное нашими коллегами в сотрудничестве с командами космических обсерваторий Hubble и Spitzer, которые обнаружили удивительную систему звезды TRAPPIST-1, насчитывающую целых семь экзопланет. Оказалось, что сразу несколько из них сопоставимы по массе с Землей и при этом находятся в так называемой «зоне обитаемости» своего светила: температура на их поверхностях позволяет воде существовать там в жидком состоянии, что считается одним из основных условий для возникновения и поддержания жизни.

Сопоставив систему TRAPPIST-1 и Солнечную систему, можно обнаружить, что одна из планет даже получает приблизительно столько же энергии на квадратный метр, что и Земля. Тем не менее, стоит помнить о том, что звезда, вокруг которой обращаются экзопланеты, значительно тусклее и меньше Солнца, и эту планету нельзя назвать копией нашей.

В будущем должно быть организовано несколько космических миссий для поисков и изучения объектов земного типа, находящихся в «зонах обитаемости» своих светил. Уже состоялся запуск аппарата TESS, задачей которого станет обнаружение планет у звезд, меньших, чем Солнце, на орбитах радиусом значительно меньше земной. А в 2024 г. Европейское космическое агентство планирует запустить еще более амбициозную миссию Plato, нацеленную на поиски потенциально пригодных для жизни планет у солнцеподобных звезд.

В завершение я хотел бы упомянуть еще один добавляющий оптимизма факт. Буквально несколько недель назад началось строительство нового 39-метрового телескопа E-ELT в пустыне Атакама на севере Чили. Его огромное зеркало будет состоять из почти восьмисот тщательно подогнанных шестиугольников. Планируется, что в 2024 г. он присоединится к четырем уже существующим 8-метровым телескопам в деле поисков новых подходящих для жизни миров на просторах нашей Галактики. Как видите, все только начинается. Спасибо за внимание!

Мишель Майор – Астрофизик, Университет Женевы, Швейцария