Ближайшие пригодные для жизни экзопланеты: где они, как их можно наблюдать и как их достичь

Борис Штерн
«Троицкий вариант» №13(207), 28 июня 2016 года

Борис Штерн, главный редактор ТрВ-Наука

Где мы видим планеты, похожие на Землю?

Год назад было объявлено об открытии планеты земного типа Кеплер-452b у звезды, похожей на Солнце. Планета даже получила прозвище «Земля 2.0», хотя она примерно в пять раз тяжелее Земли. Впрочем, это не помеха для жизни. Главное — она находится в зоне обитаемости, то есть на таком расстоянии от своей звезды, что на ней может быть комфортная температура и жидкая вода. Лишь одно обстоятельство слегка удручает: расстояние до этой системы — 1400 световых лет. Это очень далеко, безнадежно далеко; чуть ниже я объясню, что значит это «безнадежно».

Есть и другие «земли», немного ближе к нам. Вот еще три экзопланеты, составляющие список «лучших».

Кеплер 62 f. Приблизительно 3 массы Земли. Звезда — класса К, меньше и холодней Солнца. Равновесная температура — –30°С, для привычной нам температуры требуется хорошая атмосфера. Расстояние — 1200 световых лет.

Кеплер 186 f. Планета размером с Землю у красного карлика (класс М). Размер орбиты — как у Меркурия, но тепла получает меньше, чем Земля, — примерно как Марс (равновесная температура — –85°С). Красные карлики плохи тем, что у них очень активная магнитосфера: верхние слои звезды подвержены сильной конвекции. Из-за этого много жесткого ультрафиолета и сильный звездный ветер, способный ободрать атмосферу. Расстояние — 450 световых лет.

Кеплер 442 b. Раза в два массивней Земли. Звезда — класса К. Поток звездного излучения чуть меньше, чем на Земле (равновесная температура — –40°С), расстояние — 1100 световых лет.

По поводу температуры требуется уточнение: приведенные цифры — температура черного тела, находящегося в равновесии между поглощением света звезды и собственным излучением. Для Земли она равна (минус!) 24°С — не разгуляешься. На самом деле средняя температура земной поверхности — +15°С: работает парниковый эффект. И у тех планет он работает, если есть атмосфера, — всё зависит от ее толщины и насыщенности парниковыми газами. Можно и переборщить — слишком толстая углекислая атмосфера сделает эти планеты невыносимо жаркими. Так что температура поверхности этих планет неизвестна — не верьте новостям в СМИ, где указывается температура поверхности землеподобных планет.

Итак, имеем считанные планеты, с натяжкой годящиеся для жизни, если повезло с атмосферой. И это лучшие из трех с лишним тысяч известных экзопланет в радиусе более тысячи световых лет! Четыре планеты, из которых лишь одна вращается вокруг звезды класса Солнца. Эти данные, казалось бы, обескураживают: лишь одна на почти тысячу из открытых планет пригодна для житья, и то условно. И еще одно грустное обстоятельство: узнать об этих планетах что-нибудь, кроме факта их существования, размеров и параметров орбиты, в обозримое время будет невозможно. Они слишком далеко. Ни один из строящихся или проектируемых наземных или космических телескопов не в состоянии снять спектр атмосферы планеты размера Земли на таком расстоянии. А без спектра оценить пригодность для жизни невозможно.

Однако не всё так печально! В астрономии важнейшую роль играет эффект селекции (его смысл понятен из названия), который работает против землеподобных планет. Во второй половине 1990-х годов, когда открывались первые экзопланеты, казалось, что подавляющее большинство планетных систем уродливы и бесплодны: они содержат так называемые горячие юпитеры — гигантские планеты на тесных орбитах с периодом обращения в считанные дни, что практически исключает планеты земного типа. Их открытие стало шоком — никто и не предполагал, что такое вообще возможно. Казалось, они повсюду. Но на самом деле доля планетных систем с горячими юпитерами всего лишь около процента (arXiv:1205.2273 [astro-ph.EP]) — просто их легче всего обнаружить любым методом, особенно спектрометрическим, который был основным до запуска «Кеплера» в 2009 году. Спектрометрический метод основан на том, что скорость звезды вдоль луча зрения колеблется из-за ее движения вокруг общего с планетой центра тяжести. Измеряя колебания скорости по эффекту Доплера, обнаруживаем планету и оцениваем ее массу. Обнаружить таким методом Землю невозможно: колебания скорости Солнца, наведенные Землей, — 10 см/с, что на порядок ниже современных возможностей. Зато горячие юпитеры наводят колебания лучевой скорости в десятки, а то и больше сотни метров в секунду.

Мрачную картину смягчил так называемый метод транзитов: наблюдаем за звездой и ищем периодическое понижение яркости, вызванное прохождением планеты по диску звезды. Земля для внешнего наблюдателя блокирует солнечный свет примерно на одну десятитысячную — это вполне измеримая величина, даже если звезда с планетой находятся в тысяче световых лет. Но большинство планет не проходят по диску звезды, для этого нужна удачная ориентация орбиты. Вероятность такой ориентации — отношение радиуса звезды к радиусу орбиты — для Земли примерно одна двухсотая. Поэтому искать транзиты планет трудно: надо долго наблюдать за большим количеством звезд. Проблему решил космический телескоп «Кеплер», который со своим широким полем зрения и 95-мегапиксельной камерой наблюдал сразу за 200 тыс. звезд. Кеплер был запущен в 2009 году. Экзопланеты пошли косяком, включая небольшие скальные планеты типа Земли. Общий улов «Кеплера» — почти 5 тыс. экзопланет, правда, половина из них считается «кандидатами в экзопланеты» — их еще предстоит подтвердить наблюдениями с наземных телескопов.

Конечно, в статистике «Кеплера» остается сильный эффект наблюдательной селекции в пользу горячих юпитеров и против «земель». Но уже не такой сильный, как в первом методе. Число планет меньше двух радиусов Земли — около двух тысяч. Большая часть из них слишком горячие (больше вероятность транзитов) и крупнее Земли (сильней эффект транзитов). И все же есть десятки планет в зоне обитаемости, не сильно отличающихся от Земли по размерам. Четыре лучшие перечислены выше.

Где они есть на самом деле?

Очевидно, что «Кеплер» видит лишь малую часть землеподобных планет, и на самом деле где-то есть более близкие. Насколько мала эта наблюдаемая часть? Во-первых, вероятность правильной ориентации орбиты дает множитель 1/200. Во-вторых, «Кеплер» видит только одну тысячную часть неба, правда, самую обильную (он смотрит, точнее, смотрел вдоль ближайшего галактического рукава). Предположим, что он видит одну сороковую часть звезд в радиусе пары тысяч световых лет. Тогда общая доля земель, регистрируемая «Кеплером», — 1/8000. И если в радиусе 1000 световых лет находятся считанные земли «Кеплера», то (извлекаем кубический корень из 1/8000) в радиусе 50 световых лет должны быть считанные пока не найденные подходящие для жизни планеты. А 50 световых лет — уже совсем другое дело!

Джеф Марси — один из первооткрывателей экзопланет. Фото из «Википедии»

Мы сделали слишком грубую оценку: во-первых, воспользовавшись предположением о пространственной однородности звезд (когда извлекали кубический корень); во-вторых, мы не знаем вероятности, с которой «Кеплер» фиксирует транзит землеподобной планеты у далекой звезды. Аккуратную оценку сделали Erik Petigura, Andrew Howard и Geoffrey Marcy (arXiv:1311.6806 [astro-ph.EP]); самый известный человек из этой тройки — Джеф Марси, один из первооткрывателей экзопланет.

Они подошли к задаче, как и подобает настоящим мужам: переобработали значительную часть данных «Кеплера» и, главное, перед обработкой «подсадили» в эти данные искусственные планеты, смоделировав их транзиты. При обработке неизвестно, где настоящие, а где подсадные планеты; уже потом открываются «секретные протоколы» по подсадным транзитам, определяется, какая их часть пропущена, и отсюда выводится, какова эффективность нахождения настоящих планет того или иного размера с той или иной орбитой, на том или ином расстоянии. Мне этот метод особенно по душе, поскольку много лет назад именно так, с подсадными событиями, мы с коллегами определяли эффективность регистрации гамма-всплесков детекторами гамма-обсерватории «Комптон».

Результат измерения эффективности показан на рис. 1. Земля должна располагаться в нижнем правом углу, где вероятность обнаружения меньше 10% (на месте Земли — менее 3%). Это добавляет к распространенности планет земного типа еще порядок величины, сокращая ожидаемое расстояние до ближайшей земли еще в два с небольшим раза. По нашей очень грубой прикидке, получается 20 с небольшим световых лет. Но авторы работы, цитированной выше, дали более точную оценку, — правда, при этом им пришлось сделать экстраполяцию оттуда, где точки, соответствующие планетам Кеплера, лежат густо, туда, где должна быть Земля. В том районе точек нет из-за большого периода обращения Земли — не хватает числа периодических транзитов для их уверенного выделения. Точный ответ дать трудно, поскольку всегда встает вопрос о границах того, что считать землеподобной планетой. Авторы дают несколько вариантов оценки, приведем следующую: 5,7±2 процента звезд типа Солнца имеют планеты диаметром от одного до двух диаметров Земли на орбитах периодом от 200 до 400 дней (я бы сдвинул интервал орбит на 350–500 дней, но результат будет близким). Это значит, что ближайшая подобная планета будет чуть ближе, чем дала наша грубая оценка, — где-то от 15 до 20 световых лет. Это замечательно, это очень близко — достаточно близко для прямого наблюдения в обозримом будущем. Более того, это достаточно близко, чтобы когда-нибудь достичь такой планеты, хотя слово «достичь» в данном контексте требует существенного уточнения.

Рис. 1. Результат измерения эффективности обнаружения экзопланет в данных «Кеплера». По вертикали — радиус планеты по отношению к радиусу Земли, по горизонтали — орбитальный период. Точки — часть экзопланет, обнаруженных в данных. Сейчас их существенно больше, но в близкой окрестности Земли по-прежнему нет ни одной. Цвет показывает уровни вероятности обнаружения. Вероятность обнаружения точного аналога Земли — 3%. Из работы arXiv:1311.6806 [astro-ph.EP]

Как их наблюдать?

Можно сказать, что экзопланеты уже косвенно наблюдают, но, чтобы узнать о планете что-то интересное, нужно наблюдать ее напрямую. Очень большие планеты (на грани между планетами и бурыми карликами), которые далеки от своих звезд, уже видят непосредственно. Недавно был предложен самый сенсационный и самый иррациональный способ наблюдения экзопланет: посылка нанозондов с лазерными парусами, которые их сфотографируют и передадут изображение на Землю. О нем мы уже писали, пока хватит. Более рациональные способы так или иначе связаны с телескопами, но здесь есть очень серьезная проблема — засветка поля зрения звездой-хозяйкой. Проблема в том, что Земля для удаленного наблюдателя почти в миллиард раз тусклее Солнца. Она всё еще достаточно ярка на расстоянии нескольких парсеков, чтобы ее можно было увидеть в большой телескоп, не будь рядом звезды. Как побороть засветку?

Во-первых, стоит наблюдать в инфракрасном диапазоне — там звезда тусклее, а планета ярче. Это дает выигрыш на порядки. Кроме того, можно разными способами попытаться убрать свет звезды. Простейший метод — коронограф: помещаем маску в фокальную плоскость телескопа на изображение Солнца и видим в окуляре солнечную корону вокруг черного круга — как при затмении. Есть и «звездные» коронографы. Более продвинутый метод, дающий лучшее угловое разрешение, — нуль-интерферометрия, где звезда гасится за счет деструктивной интерференции ее света, принятого разными зеркалами. Есть проекты наземной нуль-интерферометрии на существующих и строящихся больших телескопах. В этом случае остается проблема атмосферной турбулентности, размывающая изображение. В инфракрасном диапазоне проблема не столь сильна, тем не менее даже с адаптивной оптикой трудно избавиться от гало звезды, из которого очень трудно вытащить маленькую планету.

Поэтому самый перспективный способ прямого наблюдения экзопланет — космический нуль-интерферометр: несколько космических телескопов в десятках метров друг от друга с очень точной фиксацией положения и ориентации (рис. 2). Таких проектов было два: европейский «Дарвин» и американский TPF (Terrestrial Planet Finder). Оба проекта закрыты.

Рис. 2. Так мог бы выглядеть спектр Земли, снятый с расстояния 30 световых лет интерферометром «Дарвин» (проект закрыт). Виден кислород (в форме озона), который в таком количестве может быть только биогенным, виден водяной пар в количестве, указывающем на обилие жидкой воды, виден углекислый газ

Каждый из планировавшихся интерферометров был способен напрямую наблюдать «землю» на расстоянии примерно до 50 световых лет, и не только наблюдать, а снять достаточно качественный спектр — измерить настоящую температуру, определить толщину и состав атмосферы и даже определить, есть ли на планете развитая жизнь, по наличию кислорода. Сейчас мы знаем, что в пределах досягаемости каждого из этих интерферометров должны быть десятки землеподобных планет у звезд классов G и К. Если бы проекты не были закрыты, мы в обозримое время (с точки зрения пенсионера младшего возраста — ко времени, до которого можно дожить, если меньше пить и больше двигаться) могли бы многое узнать о месте человека во Вселенной.

Почему эти проекты закрыты? В самом общем плане — по той же причине, по которой уже более сорока лет на Луну не ступала нога человека и до сих пор не удосужилась ступить на Марс (хотя технология и экономика это позволяют уже давно). Исчезла общественная мотивация, обернувшись в сторону потребления. Есть и более конкретные причины — некая деградация научного сообщества, ведущая к политиканству и подковерной борьбе. Об этом очень эмоционально рассказал упомянутый выше Джеф Марси. По его словам, в NASA шла жестокая драка за финансирование между командами TPF и SIM (астрометрический проект поиска «земель» у 100 ближайших звезд). При этом TPF раскололся на две версии: TPF-коронограф и TPF-интерферометр, что ослабило позиции всей затеи. Потом появилась идея протолкнуть более дешевый TPF-лайт. Часть людей выступила против по той причине, что тогда будет трудней получить финансирование полномасштабного проекта. В результате метаний и борьбы сгинул весь TPF. Вскоре по схожей причине погиб и SIM. Что случилось с «Дарвином», не знаю, но, видимо, и он пал жертвой внутривидовой борьбы за ресурсы. Сейчас интерес к экзопланетам и вообще к космосу возвращается, в частности, благодаря «Кеплеру». Да и вообще, часть общества, кажется, насытилась и задумалась о звездах. Поэтому есть шанс, что появятся новые проекты, способные напрямую наблюдать новые земли. Но кое-кто до этого уже не доживет.

Как их достичь?

Это удивительно, но достать до экзопланет можно уже при нынешнем уровне технологии. Просто надо отказаться от одной вещи: от требования увидеть результат собственного труда при жизни. Иррациональный, как я мягко охарактеризовал его, проект звездного паруса сформирован именно этим требованием: отсюда и скорость в 0,2 скорости света, и цель — ближайшая звезда, безотносительно к тому, есть ли там к чему стремиться. Как только человек готов что-то делать для следующих поколений, задача упрощается на порядки. Скорость в два процента световой, если мы посылаем зонд без торможения, не проблема для реактора на чистом уране-235 с плазменным двигателем со скоростью истечения под 10 тыс. км/с (в природе есть «плазменные двигатели» с ультрарелятивистским истечением). Если зонд должен тормозить в конце пути, средняя скорость падает до процента световой. В любом случае сотни лет — до ближайших звезд, тысячи лет — до множества разнообразных систем, где, по статистике, обязаны быть планеты, очень похожие на Землю. При этом к неведомому миру прилетает аппарат с большой антенной и мегаваттами мощности, с большими телескопами, способными при близком пролете мимо экзопланеты снять динозавров или слонов, если они вдруг там окажутся, и передать всё на Землю в отличном качестве. Это вовсе не фантастика.

Проблема не в технологии, проблема в человеческом менталитете — как обойтись без прижизненной награды. В одной статье про межзвездный зонд я привел в пример создателей собора Святого Петра, которые вложили в сооружение душу, понимая, что ни они, ни их дети не увидят собора, — дескать, могли же люди работать ради следующих поколений. Кто-то мне ответил в комментариях: «Вот пусть Ватикан и запускает зонд». Шутки шутками, но это неплохо отражает общественную психологию. Ключ к межзвездным перелетам — альтруизм человека, а не та или иная техника.

А может ли на экзопланеты ступить нога человека?

Здесь мы из области околонаучных спекуляций вступаем в зыбкую сферу научной фантастики. Тут я должен признаться, что написал фантастическую книгу как раз о колонизации экзопланеты — деяние для научного работника малореспектабельное, но всё равно полезное. Нельзя сказать, что я разобрался в задаче (чтобы разобраться, надо провести кучу исследований), но в каком-то смысле пропустил ее через себя и кое-что понял из того, о чем раньше не задумывался. Прежде всего — насколько ужасна пропасть, отделяющая нас от экзопланет, даже учитывая оптимистические оценки, приведенные выше. И насколько важно преодолеть эту пропасть. При этом принципиальных препятствий это сделать, похоже, нет. Кроме тех, что заложены в менталитете современного человека.

Итак, ответ положителен: на экзопланету в принципе может ступить нога человека, если человек прибудет туда в виде замороженного эмбриона и будет каким-то образом там выращен. Для этого надо решить огромное количество проблем — от устойчивой сверхпроводимости при температуре не ниже 25–30 К (для магнитной защиты эмбрионов и электроники от космики) до тысячелетней надежности механизмов, от прорыва в искусственном интеллекте до освоения «экстракорпоральной репродукции» млекопитающих. Но в вышеупомянутой книге один из героев говорит: «Любая богоугодная задача имеет по крайней мере одно решение». Возможно, он прав.

Гораздо тяжелей с мотивацией людей и мобилизацией ресурсов. В современном мире нет механизмов выделения средств на такой проект. В своей книге я от отчаяния придумал источник финансирования в виде триллионера-мецената, что-то вроде укрупненного аналога Билла Гейтса. Ничего другого, чтобы не скатиться в полную фальшь, я придумать не смог. И не надо надеяться на альтруизм большинства. Любое демократическое волеизъявление будет против затрат на колонизацию далекой планеты. Надежда, как обычно, только на меньшинство.

А у большинства есть коронный вопрос: зачем всё это надо? «Чтобы сильно понизить шансы на исчезновение разумной жизни в ближайшей окрестности Вселенной», — говорит один из персонажей книги. С ним, похоже, согласен Стивен Хокинг, высказавшийся в том духе, что человечество без экспансии в космос обречено (имея в виду не космологический, а исторический масштаб времени). А в более широком плане — чтобы открыть новые перспективы для эволюции и экспансии жизни.

P. S. Полагаю, что, написав познавательную статью, я заслужил право на прямую рекламу своей НФ-книги на близкую тему. Она называется «Ковчег 47 Либра», ее электронная версия добывается за две минуты и по весьма разумной цене здесь.