Ольга
я могу Слушать и слышать
Начиная в неудаче виноватого искать, опасайся слишком близко приближаться к зеркалам
Ольга Иванова
Все записи
текст

Зона Златовласки

"MM" № 3\126 2016, с.92

В русском варианте английской сказки «Златовласка и три медведя» героиню зовут Маша. Так что по-нашему это место должно называться «зоной Маши». Но астрономы зовут его зоной обитаемости. Известный астрофизик Сергей Попов рассказал нам, каким «стандартам» должна соответствовать эта зона, чтобы в ее окрестностях появилась жизнь, а также о том, какие бывают экзопланеты и существуют ли планеты из чистого алмаза.

 

 

– Сергей Борисович, какие виды экзопланет наиболее распространены в нашей галактике?

– Самое интересное то, что наиболее распространенными видами планет оказались те, которых нет в Солнечной системе. Это так называемые суперземли. Кроме того, очень распространены и планеты типа Нептуна – ледяные газовые гиганты. Как правило, мы можем судить об экзопланете лишь по ее массе и радиусу, в большинстве случаев других данных нет. К счастью, выбор того, из чего могут состоять экзопланеты, не велик. Есть три основных типа: железно-каменные, ледяные (лед может быть не только водяной, но и из других веществ) и газовые планеты. Как известно, звезды состоят по преимуществу из водорода и гелия, поэтому и в протопланетных дисках больше всего именно водорода и гелия. Так что все планеты-гиганты являются газовыми, поскольку набирают массу за счет этих веществ. А вот маленькие планеты всегда железно-каменные, потому что водород в большом объеме на планете с малой массой попросту не «удержать».

В очень редких случаях мы имеем возможность изучать состав атмосферы экзопланет. Проще это делать для больших тел и тех, что находятся в непосредственной близости от своей звезды – их просто лучше видно. Поэтому в основном это данные по атмосферам горячих юпитеров (большие газовые гиганты поблизости от звезд. – Ред.), хотя есть информация и о суперземлях. (Тоже в том случае, если они находятся рядом со звездой.) Что-то совсем неожиданное не обнаружено, но есть хорошие данные, связанные с ветрами в атмосферах горячих юпитеров. Такие планеты всегда повернуты к своей звезде только одной стороной (из-за приливного взаимодействия), которая страшно нагревается, в то время как другая остается холодной. Такие планеты состоят из газа, и атмосфера их очень глубока – а там, где глубоко, бывают огромные волны. Поэтому на горячих юпитерах дуют мощнейшие ветра, скорость которых сравнима со скоростью космического корабля. И все это можно измерять напрямую, что очень интересно.

 

– А что можно сказать об экзотических планетах? Я слышала, например, что ученые предполагают существование водных миров и даже углеродных планет, состоящих, по сути, из алмазов.

– Из какого-то одного вещества планет все-таки не бывает. Они формируются в турбулентном диске вокруг звезды, куда входят разные компоненты, довольно хорошо перемешанные. Чтобы делать вывод о существовании каких-то слишком уж экзотических планет, пока нет достаточных оснований. Потому что, повторюсь, в большинстве случаев мы можем судить об экзопланете только по массе и радиусу. Вполне возможно, что какая-то из них хорошо садится на кривую планеты, целиком сделанной из воды. Но это еще ни о чем не говорит. Планеты – это все-таки очень массивные объекты. Поэтому, если даже мы своими руками сделаем планету десяти тысяч километров в диаметре, состоящую из чистой воды, она не будет представлять собой прозрачную каплю, летящую в космосе. Под воздействием гравитации вода в ее недрах будет находиться в довольно экзотическом состоянии, таком, например, как лед-VII (вид водяного льда, образующийся при высокой температуре и под очень большим давлением; он не встречается на Земле и воспроизводится только в лабораториях. – Ред.).

Я выделил бы те экзотические планеты, что находятся довольно близко от своих звезд. Здесь экзотики добавляет именно это взаимодействие со звездой: испаряющаяся планета, разрушающаяся планета. Кроме того, есть всевозможные кандидаты в экзотические миры. Например, планета с гигантскими кольцами. Но существование их пока не подтверждено.

Впрочем, в ближайшие годы, я думаю, подобных интересных миров будет открываться все больше, потому что через какой-то период наука на некоторое время войдет в стадию, когда новые экзопланеты открываться не будут. Телескоп «Кеплер» уже не работает в активном режиме, а именно он был основным «поставщиком» новых планет. Поэтому ученые будут более детально изучать уже открытые планеты. Вот тогда, быть может, и обнаружат какие-то интересные их особенности.

 

Можно ли судить о внутреннем составе экзопланет, кроме того, что вы сказали о железно-каменных и газовых?

– Мы плохо знаем даже внутренний состав планет Солнечной системы и даже то, что у нас под ногами, то есть недра Земли. Поэтому в деталях изучать объекты, которые чаще всего напрямую вообще не видны, невозможно. Мы не можем воспроизвести эти недра даже в лаборатории. Однако определенный набор ингредиентов нам все-таки известен. Кроме того, мы можем изучать молодые планеты, которые еще находятся в стадии сжатия. Они выделяют больше энергии, чем получают, и становятся горячее, чем им положено. Все это тоже очень интересно исследовать с точки зрения недр.

Кстати, если говорить о стадии, когда планеты только формируются, то сегодня наблюдают довольно много протопланетных и осколочных (debris) дисков. Планеты в них находятся на разных этапах эволюции, что позволяет судить и об истории нашей Солнечной системы.

 

Какие маркеры должны присутствовать на экзопланете, чтобы мы сказали: на ней с очень большой долей вероятности есть жизнь?

– Если речь о жизни земного типа, – а о ней, во-первых, хочется говорить, во-вторых, проще, – то выделяют пять веществ в атмосфере каменной планеты, которые сообщали бы о существовании на ней развитой жизни: кислород, метан, вода, озон и углекислый газ. Если когда-то мы увидим все пять, планета по радиусу и массе будет схожа с Землей и находиться на таком же расстоянии от своей звезды, то это будет сильнейший аргумент в пользу того, что там существует достаточно продвинутая жизнь. Если бы мы увидели Землю в первый миллиард лет, на ней бы не было еще всех этих маркеров сразу. Поэтому продвинутая жизнь – это не бактерии, а уже растения и какие-то животные.

Но обнаружить эти маркеры – технически очень сложная задача. Во-первых, планеты земного типа маленькие. Во-вторых, если мы хотим, чтобы они находились в зонах обитаемости, они должны располагаться достаточно далеко от звезды, и потому их сложнее обнаружить. И, наконец, далеко не все эти маркеры легко найти в атмосфере планеты. Поэтому в ближайшие лет десять таких открытий точно не произойдет – для этого нужны новые сверхчувствительные инструменты, и на Земле, и в космосе. И все-таки следующее поколение телескопов должно внести значительный вклад в это благое дело.

В первую очередь речь идет об очень большом европейском телескопе E-ELT. (European Extremely Large Telescope – «Европейский чрезвычайно большой телескоп» – наземная астрономическая обсерватория, главным инструментом которой станет телескоп с сегментным зеркалом диаметром 39,3 м, позволяющим собрать в 15 раз больше света, чем любой из существующих телескопов; запуск запланирован на 2024 год. – Ред.) Кроме того, в решении этой задачи ему будет помогать орбитальный телескоп Джеймса Уэбба (он должен заменить «Хаббл», запуск его планируется на 2018 год. – Ред.). Опять же, это не означает, что сразу после запуска этих телескопов мы начнем получать новые интересные данные. Чтобы их собрать, понадобится еще несколько лет. Поэтому о точной информации по биомаркерам экзопланет на ближайшие несколько лет стоит забыть. Хотя, повторюсь, технологически эта задача в обозримом будущем решаема.

 


Часто появляются сообщения о новых экзопланетах, которые, возможно, находятся в зонах обитаемости своих звезд. Потом начинаются споры – а находятся ли. Остаются ли сегодня планеты, которые с большой долей вероятности располагаются в таких зонах?

– Зона обитаемости – это такой диапазон расстояний от звезды, при котором на планете складываются климатические условия, позволяющие существование жидкой воды на ее поверхности. На Западе ее называют романтично – зоной Златовласки (как и в русской сказке, Златовласка пробует кашу из трех тарелок и выбирает оптимальный вариант. Отсюда название «оптимального» расстояния от звезды. – Ред.). Очень приблизительно можно сказать, что при слишком близком расстоянии от звезды вся вода закипает, при слишком далеком – замерзает. Но помимо расстояния от звезды важно еще влияние атмосферы, поэтому расчет зоны обитаемости – дело непростое. Мы и с земным-то климатом до конца разобраться не можем, что уж говорить про далекие миры. Тем не менее, есть разные модели, позволяющие формировать определенные представления о климате планеты и примерно оценивать, попадает она в зону обитаемости или нет. Последняя зависит также и от типа звезды.

Если планета, например, крутится вокруг звезды более слабой, чем Солнце, то она должна находиться довольно близко от нее, чтобы быть в зоне обитаемости. Если звезда мощнее и тяжелее, то, соответственно, дальше.

Важна форма орбиты. Лучше, если она будет круговая, а не вытянутая. Или, по крайней мере, необходимо, чтобы орбита всегда оставалась внутри зоны обитаемости. Сама планета должна быть железно-каменной и по размеру не сильно отличаться от Земли. На очень большой каменной планете будет очень сильная гравитация и специфический состав, и как это повлияет на развитие жизни – сказать сложно.

Важен возраст звезды – она не должна быть очень молодой. (Чтобы на Земле возникла продвинутая жизнь, понадобилось несколько миллиардов лет.) Обязательно нужно учитывать тип звезды. Технически нам проще обнаруживать планеты около красных карликов. Поскольку это маленькие звезды, их планеты вращаются вокруг них на сравнительно близком расстоянии (поэтому их легче обнаружить). Так что найденные планеты, как правило, принадлежат системам красных карликов. Но красный карлик – это очень активная звезда, которая часто дает мощные вспышки, а они могут быть не очень полезны для развития жизни. Поэтому желательно, чтобы у планеты было мощное магнитное поле, защищающее поверхность от космической радиации. Хотя в глубине морей и океанов жизнь может существовать и без магнитного поля.

Сегодня выделяют около десятка так называемых двойников Земли, которые, согласно более-менее точным подсчетам, находятся в зоне обитаемости. И некоторые из них достаточно давно и надежно в этом списке сидят. Но это не означает, что они соответствуют всем указанным параметрам.


 

– Допустим, мы нашли планету и с очень большой долей вероятности можем утверждать: на ней есть жизнь. Что дальше? Полететь туда – не вариант, расстояние до ближайших экзопланет исчисляется сотнями световых лет.

– Не только перелет составляет проблему. Допустим даже, что мы изобрели какую-то чудесную технологию, позволяющую спутнику долететь до такой планеты невероятно быстро – за 200 лет. А теперь представьте, что ваш ноутбук должен включиться и заработать через 200 лет. Разумеется, это не очень вероятное событие. Чтобы аппаратура двухсотлетней давности пролетела сотни световых лет, да не вышла бы из строя, да успешно приблизилась к искомой планете, да еще чтобы данные на Землю передала…

Поэтому, конечно, все надежды на наблюдения и все более совершенную технику. Мы сможем изучать атмосферы экзопланет. Наверное, увидим такие эффекты, как смена времен года. Если планета полностью не покрыта облаками – определим, какую долю поверхности занимает вода. Глобус такой планеты мы вряд ли составим, но существенно продвинуться в этом направлении, думаю, сможем.

 

– Можно ли что-то сказать о жизни, не похожей на земную, то есть о неуглеродных формах жизни?

– Кроме неуглеродных, обсуждаются еще другие формы – углеродные, но не похожие на земные. Например, использующие в качестве растворителя не воду, а какие-то жидкие углеводороды. Скажем, метан. Это сильно расширило бы диапазон рамок для существования жизни. С неуглеродными формами все гораздо сложнее. Биологи говорят, что такие предположения пока на грани фантастики.

Мне кажется, что с экзотическими формами жизни нам нужно разбираться, прежде всего, в Солнечной системе. Потому что здесь есть возможность получать образцы и изучать их. Это технически реализуемая задача, и вопрос, скорее, денег, а не времени. Например, мы можем отправить биохимическую лабораторию на спутник Сатурна Титан (объект, по некоторым параметрам похожий на потенциально обитаемые. – Ред.). Мы поймем, что происходит в Солнечной системе, существует ли здесь еще какая-то жизнь, кроме нашей, и если да, то какая. И вот тогда у нас, быть может, появится новый набор биомаркеров, которые мы будем искать в атмосферах экзопланет. Пока у нас нет этих данных – предсказывать что-либо бессмысленно. Мы просто не узнаем этот набор в чужой атмосфере.

Можно пофантазировать и о том, что уровень компьютерного моделирования достигнет таких высот, что мы сможем задавать параметры потенциально возможных форм жизни, смотреть, получаются ли самовоспроизводящиеся развивающиеся организмы на каком-то другом наборе молекул. Возможно, в Солнечной системе такой экзотики нет, а где-нибудь на суперземле рядом с красным карликом что-то подобное существует.


Читайте статью в онлайн версии журнала "ММ": http://www.21mm.ru/?mag=126#092



Всего 0 комментариев
Комментарии
OK OK OK OK OK OK OK
Яндекс.Метрика