Жизнь в «красной зоне»: планеты-карлики

Еще более 1600 планет – это настоящие газовые гиганты, подобные Юпитеру и Сатурну. Примерно столько же относятся к категории Суперземель, примеров которых в Солнечной системе нет. Это планеты промежуточного размера между Землей и Нептуном. Они могут быть как скалистыми и плотными, так и газовыми. И лишь около двухсот планет входят в так называемую группу земных, которые по размеру и структуре схожи с нашей планетой, а также с Марсом и Венерой. Если и имеет смысл искать признаки жизни, то именно на таких экзопланетах.

Но отражает ли такое распределение типов планет реальную картину? Простой взгляд на Солнечную систему и на принципы эволюции планетных систем подсказывает, что нет. Конечно, выборка невелика, когда мы имеем только одну систему, где точно известны количество и тип планет. И все же задуматься можно. Вокруг Солнца вращаются две «нептуноподобные» планеты, два газовых гиганта и четыре планеты земной группы. Соотношение известных экзопланет даже близко не такое.

Почему так получилось, отчего пропорции так различаются? Тут мы упираемся в существующие технологические ограничения. При всем достигнутом прогрессе в наблюдательной астрономии наиболее распространенным методом обнаружения экзопланет остается транзитный. На этом принципе основана работа двух самых известных и плодовитых «охотников» за экзопланетами: телескопов «Кеплер» и TESS. Первый уже завершил работу, а второй еще трудится и совершает открытия. Если упрощенно представить технологию, то при транзитном методе чувствительные детекторы наблюдают за звездами, отмечая падение их яркости из-за проходящей между звездой и наблюдателем планеты.

Логично, что чем крупнее планета, тем проще ее обнаружить таким образом. А падение яркости от мелкой планеты может быть таким небольшим, что даже самые современные детекторы его не уловят. Поэтому в первую очередь обнаруживаются крупные планеты. А на долю транзитного метода приходится более 75 процентов всех открытий экзопланет.

Почти 20 процентов известных экзопланет открыты с помощью метода лучевых скоростей. Любая планета, вращаясь по орбите вокруг звезды, оказывает своей гравитацией на нее воздействие, пусть небольшое. Это воздействие влияет на спектр излучения звезды, и такие малейшие колебания позволяют судить о наличии планеты на ее орбите. И снова в первую очередь такой метод позволяет находить более крупные объекты, более массивные, чье влияние на звезду ярче выражено.

Это два наиболее распространенных метода обнаружения экзопланет. На долю технологии микролинзирования, использующего эффекты теории относительности Эйнштейна, приходится менее трех процентов открытий, а на прямое визуальное наблюдение – чуть более одного процента. И эти подходы тоже искажают общую картину восприятия планетной популяции, потому что в первую очередь дают представление о крупных планетах.

Скажем, вряд ли цивилизация, использующая имеющиеся сейчас у человечества технологии, смогла бы обнаружить Землю в Солнечной системе с расстояния в несколько десятков световых лет. Скорее она бы открыла Юпитер. Но тут тоже есть нюансы. Которые приводят нас к пристальному изучению красных карликов.

Они маленькие, но их много

Красных карликов, или звезд М-типа, которые холоднее нашего Солнца и имеют массу от 8 до 60 процентов солнечной, во Вселенной больше всего. В зависимости от типа галактики их доля колеблется от 70 процентов в ярких спиральных до 90 процентов в старых эллиптических. В Млечном Пути красные карлики составляют примерно 75 процентов популяции всех звезд.

Парадоксально, что при таком изобилии на небе невооруженным глазом мы ни одного красного карлика не увидим – настолько они тусклы и так слабо излучают в видимом диапазоне, хотя самые близкие к нам звезды относятся к этой категории. Самый яркий красный карлик из наблюдаемых имеет звездную величину +6,7, тогда как человеческий глаз в идеальных условиях наблюдения различает объекты звездной величины до +6.

Тем не менее, для уже упомянутых «охотников» за экзопланетами, «Кеплера» и TESS, а также для других телескопов красные карлики – главные «источники» открытия новых планет. В том числе землеподобных, а особенно таких, которые находятся в так называемой зоне обитаемости. Это такой диапазон расстояний от звезды, на которых на поверхности планеты может находиться вода в жидком виде. Именно положение в этой зоне позволяет называть ту или иную планету «потенциально пригодной для жизни», что часто эксплуатируется в заголовках СМИ.

Почти все известные землеподобные планеты в зоне обитаемости обнаружены на орбитах красных карликов. Но мы снова имеем дело с искаженной картиной. Разумеется, дело и в естественной распространенности звезд такого типа. Но не только в ней. Мы опять упираемся в технологический подход. Для телескопа TESS все небо было поделено условно на секторы – и за каждым обсерватория наблюдала по 27 дней. Затем переключалась на следующий. Другие телескопы, в прямые обязанности которых не входит непрерывное наблюдение за звездами в поисках транзита планет, следят за одними и теми же объектами и того меньше.

Следовательно, гораздо больше шансов обнаружить и подтвердить экзопланету с коротким периодом обращения вокруг своей звезды – не более 27 земных суток. Это подходит для планет в зоне обитаемости красных карликов, поскольку она ближе к звезде, чем у более массивных и горячих звезд. Взять наше Солнце, которое относится к G-типу. Его зона обитаемости, куда входит Земля, а на границах Венера и Марс, отдалена от звезды так, что сторонний наблюдатель потратил бы сотни дней для обнаружения одного транзита (ведь у нас уходит 365,25 суток на один оборот вокруг Солнца). Человечество позволить себе такой роскоши длительных наблюдений пока не может и уповает на случай и массовость.

Так что насколько неудобны красные карлики для наблюдения невооруженным глазом с Земли, настолько же удобны для поиска планет в зоне обитаемости. Но само по себе это понятие очень широкое и весьма условное.

Вернемся чуть-чуть назад: Марс и, по некоторым расчетам, даже Венера тоже находятся в зоне обитаемости Солнца. Но условия на них разительно отличаются от земных, и их нельзя назвать дружелюбными для жизни. Может, зоны обитаемости красных карликов тоже обладают специфическими особенностями?

Время застыло

Поскольку зона обитаемости красных карликов очень близка к звезде, многие планеты там делают один оборот вокруг оси как раз за то время, которое нужно им, чтобы сделать один оборот вокруг своей звезды. Из-за этого она все время повернута к звезде одной стороной. Так, например, всегда развернута Луна по отношению к Земле.

Это не просто «милая особенность» планеты, «достопримечательность» для космических туристов. Если атмосфера планеты потеряна или просто достаточно разрежена, то приливной захват повлечет за собой вполне катастрофические последствия. Одна сторона будет иссушена и выжжена, зона вечной ночи тоже вряд ли выглядит привлекательно.

Если же планета сохранила атмосферу, то она может смягчить эту разницу в температуре. Однако некоторые модели показывают, что в таком случае это будет планета вечных и мощнейших бурь. Более-менее приемлемыми температурные условия должны сохраниться в узкой сумеречной полосе – на линии терминатора. Но все тот же ветер и постоянные осадки, вызванные перепадами температур на границе дня и ночи, не поспособствуют комфорту для возникновения и сохранения жизни в привычной нам форме.

Впрочем, всегда есть альтернативные варианты. Во-первых, приливной захват не всегда является неизбежностью даже вокруг красных карликов. Во-вторых, можно рассмотреть сценарий с нахождением в зоне обитаемости газового гиганта, а на его орбите – естественного спутника с подходящей атмосферой и размером. В таком случае спутник может быть в приливном захвате с планетой, но не со звездой, и на нем будет привычная смена дня и ночи. Но пока все это предположения, поскольку наши технологии еще не позволяют массово обнаруживать спутники экзопланет. Хотя первые кандидаты в них уже найдены.

Убийственный душ

Вторым важным препятствием на пути создания благоприятных условий на орбите красного карлика в зоне обитаемости станет его буйный нрав. Эти звезды генерируют вспышки в десятки раз более мощные, чем наше Солнце, да и происходят они чаще. Вспышки сопряжены с выбросами корональной массы, и весь этот душ из заряженных частиц, а также из жесткого рентгеновского и экстремально коротковолнового ультрафиолетового излучения бьет по планетам, регулярно «стерилизуя» их. Близость планет к звезде только усугубляет положение.

Кроме того, подобное жесткое облучение ионизирует атмосферу планет, ускоряя потерю газов из нее. Этот фактор даже лег в основу работы специалистов Центра космических полетов имени Годдарда, которые предлагали внести коррективы в понятие «зоны обитаемости» для красных карликов. Они разработали модель, которая включает в себя не только расстояние планеты от звезды, но и возраст светила, а также интенсивность вспышек. В результате удалось показать, что красный карлик способен ионизировать и удалить из атмосферы планеты не только легкий водород, но и кислород с азотом в течение если не десятков, то сотен миллионов лет.

Для примера модель применили к планете Проксима b, которая сопоставима с Землей по размерам и находится на орбите Проксимы Центавра, – красного карлика, являющегося самым близким соседом Солнца. Проксима b в 20 раз ближе к своей звезде, чем Земля – к Солнцу. Учитывая возраст красного карлика и интенсивности рентгеновских и ультрафиолетовых вспышек, Проксима b должна была потерять кислород из атмосферы за десять миллионов лет.

Стоит добавить к фактору излучений и общую нестабильность светимости красных карликов, выражающуюся не только в резком росте интенсивности вспышек, но и в обратном процессе – появлении своеобразных «пятен», которые снижают светимость звезды на величину до сорока процентов.

Впрочем, всегда есть исключения и неожиданности. С ростом количества известных экзопланет все чаще обнаруживаются и такие, которые рядом с красными карликами имеют, судя по всему, пышную атмосферу. Либо она настолько плотна, что выдерживает облучение, либо эти планеты образовались дальше от звезды, но затем мигрировали на более близкую орбиту и находятся как раз в стадии потери газов. В любом случае загадок еще достаточно, чтобы однозначно ставить крест на способности планет около красных карликов удерживать атмосферу.

Две стороны медали

Одним из аргументов в пользу того, что красные карлики все же могут поддерживать рядом с собой планеты с жизнью, часто называют их долговечность. Если наше Солнце проживет около десяти миллиардов лет, то красный карлик с меньшей в десять раз массой может существовать триллионы лет. Разумеется, чем дольше звезда существует, тем больше шансов, что на ее орбите на каком-то этапе могут сложиться благоприятные условия для возникновения жизни.

В то же время на ранней стадии эволюции, примерно в первый миллиард лет жизни условия в зоне обитаемости «взрослого» красного карлика настолько жестоки, что вода не могла бы удержаться на образовавшихся там планетах. Тут снова на выручку пришла бы миграция объектов, сформировавшихся вдали от звезды, в зону обитаемости. А это усложняет весь процесс.

Можно сказать, что человечество пока еще находится у «стартовой линии» в гонке понимания механизмов возникновения обитаемости на той или иной планете. Новейшие космические аппараты могут сыграть здесь роль стартового пистолета: наконец начать гонку к научному прорыву в этой области. Особенно перспективен здесь телескоп «Джеймс Уэбб»: начавший работу в 2022 году, он сможет с беспрецедентной точностью составлять химический профиль атмосфер экзопланет. Хотя это не единственная и не основная его задача.

А Европейское космическое агентство (ESA) подготовило целую линейку специализированных телескопов. Запущенный в 2019 году Cheops изучает характеристики экзопланет, относящихся в основном к Суперземлям. В 2026 году будет запущена миссия Plato, предназначенная для изучения землеподобных планет, находящихся на орбитах звезд, похожих на Солнце.

Наконец, в 2029 году стартует миссия Ariel, которая позволит исследовать состав экзопланет, их химию, формирование и эволюцию, атмосферу и термическую структуру. Для этого обсерватория изучит около тысячи известных экзопланет в видимом и инфракрасном диапазонах. С одной стороны, с ее помощью можно будет связать природу планеты и звезды-хозяйки, ее влияние на формирование планеты. С другой – серьезно продвинуться в понимании того, каковы все же на самом деле миры под красным солнцем – лишенные атмосферы скалы или планеты с полноценными морями и газовой оболочкой?