пригодные для жизни планеты в галактике
Ученые оценили, сколько планет в нашей Галактике и сколько из них потенциально пригодны для жизни
Новости партнеров
В ясную ночь, когда световые помехи не являются серьезным фактором, небо выглядит захватывающе: просмотру открывается огромное количество звезд. Но, конечно, мы можем видеть всего лишь малую часть от звезд, которые на самом деле существуют в нашей Галактике. Что еще более поразительно, большинство из них имеют собственную систему планет. Возникает вопрос, сколько же всего экзопланет? Только в одной нашей Галактике должны существовать миллиарды внеземных миров!
Итак, давайте предположим, что восемь планет, которые существуют в пределах Солнечной системы, представляют собой среднее значение. Следующим шагом будет умножить это число на количество звезд, которые существуют в пределах Млечного Пути. Фактическое количество звезд в нашей Галактике является предметом некоторого спора. По существу, астрономы вынуждены проводить приблизительные оценки, поскольку мы не можем рассмотреть Млечный Путь извне. А с учетом того, что он находится в форме спирали с перемычкой, галактический диск наиболее трудно изучать из-за интерференции света от его многочисленных звезд. В результате оценка основывается на расчетах массы нашей Галактики, а также массовой доли звезд в ней. Исходя из этих данных, ученые подсчитали, что Млечный Путь содержит от 100 до 400 миллиардов звезд.
Таким образом, галактика Млечный Путь может иметь от 800 миллиардов до 3,2 триллиона планет. Однако для того, чтобы определить, сколько из них пригодны для жизни, мы должны учитывать количество экзопланет, изученных на данный момент.
По состоянию на 13 октября 2016 года астрономы подтвердили наличие 3397 экзопланет из 4696 потенциальных кандидатов, которые были обнаружены в период с 2009 по 2015 год. Некоторые из этих планет наблюдались непосредственно в процессе прямой визуализации. Тем не менее, подавляющее большинство было обнаружено косвенным образом с помощью методов транзита и радиальных скоростей.
В ходе первоначальной 4-летней миссии космический телескоп «Kepler» наблюдал около 150 000 звезд, которые главным образом относились к М-классу, также известному как красные карлики. Когда в ноябре 2013 года «Kepler» вошел в новую фазу миссии K2, он сместил акцент на изучение звезд K- и G-класса, которые почти такие же яркие и горячие, как Солнце.
По данным недавнего исследования, проведенного научно-исследовательским центром Эймса (NASA), «Kepler» обнаружил, что около 24% звезд M-класса могут иметь потенциально пригодные для жизни планеты сравнимые по размеру с Землей (те, которые не более чем в 1,6 раза превышают Землю по радиусу). На основании числа звезд М-класса в нашей Галактике могут существовать около 10 миллиардов потенциально пригодных для жизни, похожих на Землю миров.
Кроме этого, анализ результатов K2 предполагает, что около одной четверти больших звезд могут также иметь аналогичные Земле планеты, вращающиеся в пределах обитаемых зон. Таким образом, можно оценить, что только в Млечном Пути существуют буквально десятки миллиардов потенциально пригодных для развития жизни планет.
В ближайшие годы миссии космических телескопов «James Webb» и «TESS» будут способны обнаруживать меньшие планеты, вращающиеся вокруг тусклых звезд, и, возможно, даже определят, есть ли жизнь на какой-либо из них. После того, как эти новые миссии приступят к работе, мы будем иметь более точные оценки размера и количества планет, существующих в нашей Галактике. А до тех пор их расчетное число обнадеживает: шансы на внеземной интеллект весьма высоки!
Новые земли: 5 потенциально обитаемых планет
Наталия Киеня
Пригодные для жизни планеты в космосе — большая редкость: немногие небесные тела могут одновременно похвастаться наличием железного ядра, коры, атмосферы и воды в жидком виде. Однако несколько потенциально обитаемых миров ученые уже открыли. «Теории и практики» составили список планет, где наиболее вероятно встретить формы жизни, похожие на земные.
Кеплер 62e: водный мир
Сегодня Кеплер 62e — одна из самых «жизнепригодных» планет из всех, что нам известны. Индекс подобия Земле у нее чрезвычайно высок — 0,83 из 1.00. Однако не это волнует астрономов больше всего. Кеплер 62e, возможно, является первым водным миром, который нам удалось открыть.
Из-за близости к звезде и большого размера планеты она может быть целиком покрыта океаном с каменистым дном: от полюса до полюса, в обоих полушариях. Размеры этого безбрежного водного пространства мы пока неспособны даже представить. Тихий океан был бы в нем лишь небольшим регионом — а ведь его площадь больше площади всей земной суши вместе взятой.
При этом водный мир Кеплер 62e даже днем погружен в полумрак. Звезда в созвездии Лиры, вокруг которой обращается планета, светит в пять раз слабее Солнца. Год здесь составляет 122 земных дня. Кеплер 62е в полтора раза старше Земли, так что если здесь есть жизнь, у нее было много времени на развитие. С нашей планетой гипотетический водный мир разделяют 1200 световых лет. Иными словами, сегодня мы видим свет, отражаемый Кеплер 62е, таким, каким он был в 812 году по земному летоисчислению, когда на территории современной России основали Великий Новгород, а викинги заселяли Фарерские острова.
Глизе 581g (Зармина): красный сумрак
Глизе 581g — еще один кандидат на звание «сестры» Земли. Неофициально эта планета носит название Зармина — по имени супруги ученого, открывшего ее в 2010 году.
Зармина вращается вокруг красного карлика Глизе 581 в созвездии Весов, на расстоянии 20 световых лет от Земли. Индекс подобия нашей планете для нее составляет 0,82 — то есть здесь возможно существование разумной жизни в том виде, в котором ее понимаем мы. Предполагается, что на Зармине есть скалы, вода в жидком виде и атмосфера, однако с точки зрения землян даже в этом случае жизнь тут должна быть непростой.
Год на Зармине в 10 раз короче земного и составляет всего 36,6 земных суток. При этом планета заметно больше Земли, и гравитация на ней сильнее привычной нам в 1,1–1,7 раз. Человек с массой тела 70 кг на этой планете будет весить от 77 до 119 кг. Если на Глизе 581g есть жизнь, ее представители должны быть меньше и легче земных существ.
Тем не менее один ученый уже заявил, что на Зармине могут жить разумные существа. В 2008 году, когда она еще не была открыта, австралийский астроном Рагбир Бхатал видел в районе планеты вспышки, напоминавшие свет лазера. Другие специалисты ничего подобного, впрочем, не замечали.
Глизе 667Сс: два солнца
Глизе 667Сс вращается вокруг другого красного карлика — Глизе 667С в созвездии Скорпиона. От Солнца ее отделяет расстояние в 22,8 световых лет. Индекс подобия Земле у этой планеты также составляет 0,82.
Светило, вокруг которого вращается планета, принадлежит к тройной системе звезд, и планету также освещают его «сестры» — оранжевый карликb Глизе 667А и Глизе 667B. По расчетам ученых, Глизе 667Сс достается около 90% энергии, которую Земля получает от Солнца. При этом средняя температура на поверхности планеты, вероятно, лишь на 3 градуса ниже средней температуры на Земле и составляет 9°С. Ученые предполагают, что в этом случае на Глизе 667Сс могут существовать примитивные формы жизни.
Впрочем, не исключен и более печальный вариант: возможно, из-за близости к тройному светилу магнитное поле планеты здорово пострадало, и звездный ветер давно сорвал с нее воду и летучие газы, как кожуру. Кроме того, существует гипотеза о том, что жизнь в системах двойных и тройных звезд не может зародиться в принципе из-за нестабильности условий.
С точки зрения землян основную проблему планеты, вероятно, составляют ее размеры: масса Глизе 667Сс превышает земную в 4,5 раз. Гравитация здесь еще сильнее, чем на Зармине, а год еще короче: всего 28 земных дней. Кроме того, как и Зармина, эта планета постоянно повернута к своей звезде одной стороной. В красноватых небесах над этим миром светят одновременно три солнца.
Тау Кита е: горячие бури
Тау Кита — одна из самых близких к Земле звезд с потенциально обитаемой планетой на орбите. В фантастической литературе именно ее система часто описывается как наиболее пригодная для жизни. Она расположена от нас на расстоянии всего 12 световых лет. Индекс подобия Земле у ее планеты Тау Кита е равен 0,77.
Звезда Тау Кита похожа на Солнце, однако планета находится к ней ближе, чем Земля к своему светилу. Из-за этого жизнью здесь, вероятно, управляет мощнейший парниковый эффект. Бурная плотная атмосфера, похожая на облачный покров Венеры, плохо пропускает свет, но отлично прогревается. Средняя температура на поверхности Тау Кита е составляет около 70 °C. При таких условиях в горячей воде и на берегах водоемов обитают, вероятно, лишь термофильные бактерии. Год в этом мире равен 168 дням, а гравитация должна заметно превышать земную — ведь масса планеты составляет 4,3 массы Земли.
Kepler 22b: трудности гравитации
Планета Кеплер 22b находится на расстоянии 620 световых лет от Земли, возле звезды Kepler 22, между созвездиями Лебедя и Лиры. Это светило меньше и холоднее Солнца, однако планета расположена к нему ближе, чем Земля к своей звезде, так что средняя температура здесь может быть вполне приемлемой: 22 °С. Год здесь больше всего напоминает земной: 290 суток. Вот почему индекс подобия Земле у планеты весьма высок: 0,75.
Мы пока не знаем, сколько весит Кеплер 22b, но если эта планета и впрямь напоминает нашу, то местная гравитация представляет для землян проблему. Она в 2,4 раза больше привычной нам величины. Это значит, что скафандр массой 90 кг тут будет весить 216 кг и человек не сможет в нем передвигаться.
Впрочем, часть ученых считает, что Кеплер 22b похожа не на Землю, а на оттаявший Нептун. Для планеты земного типа она все-таки слишком большая. Если такие предположения верны, Кеплер 22b представляет собой один сплошной «океан» с маленьким твердым ядром посередине: гигантское безбрежное водное пространство под толстым слоем атмосферных газов. Жизнепригодности планеты это, впрочем, не отменяет: по словам специалистов, существование форм жизни в планетарном океане «не за гранью возможного».
Потенциально пригодные места для жизни в Солнечной системе
Меркурий
Начинаем по порядку. Первая и самая маленькая планета нашей звёздной системы — Меркурий. Она так близко к Солнцу, что о ее терраформировании не может быть и речи. Как и Луна, Меркурий всегда повёрнут одной стороной к светилу. Это значит, что на солнечной стороне всегда адская жара в районе 450 градусов, а на тёмной — дикий холод, тоже непригодный для жизни. Однако даже на такой бесперспективной планете можно отыскать значительные участки с относительно приемлемыми условиями для жизни. Речь идёт о полосе, разделяющей «светлое» и «тёмное» полушария. Преобразование этой области в комфортную и безопасную среду для жизни человека невозможно. Яблони там цвести не будут никогда, а человек не сможет гулять по поверхности без скафандра, но место для колонии всё-таки отыскать реально. Правда, пока нет никаких причин переться в этот ад и вряд ли они появятся.
Рандомный факт: ядро Меркурия составляет 83 % от всего объёма планеты.
Венера
На протяжении сотен лет люди грезили венерианскими океанами, пышной растительностью и богатым животным миром. Такая вера взялась не из пустого места, ведь Венера действительно очень похожа на Землю по многим характеристикам. Это одна из трёх планет Солнечной системы, находящаяся в так называемой «зоне обитаемости». Планета находится не слишком близко, но и не очень далеко от светила, за счёт чего на поверхности могут сформироваться условия, пригодные для жизни. Ключевое слово тут «могут» — а могут и не сформироваться.
С начала 60-х годов XX века ко второй планете стали запускать различные аппараты, в том числе советские спутники «Венера». Грёзы и мечты о планете-близнеце Земли быстро развеялись, вряд ли человек когда-то сможет жить на поверхности. Все дело в жаре, достигающей 450 градусов. При такой температуре уже плавится свинец, плюс к этому давление почти в 100 раз выше, чем на Земле. Первые спускаемые аппараты выходили из строя, даже не достигнув поверхности. Однако у плотной атмосферы есть и свои плюсы — можно строить более массивные летающие объекты, может быть, целые города, как Колумбия в игре Bioshock. Правда, всё равно понадобится создать полностью изолированную среду. И пока не ясно, для каких целей это может пригодиться.
Марс — первый кандидат на колонизацию, хотя в последние годы и появились более модные претенденты. К ним ещё вернёмся, а пока о Красной планете. Сила тяжести в 3 раза меньше земной — это приемлемая, а в некоторых случаях и полезная разница. Строить будет легче, взлетать для передвижения вглубь Солнечной системы — тоже. Правда, для этого нужно создать инфраструктуру и производство на самом Марсе. Это и есть главная проблема. Марс может быть полезен только при настоящей, большой колонизации, а не при миссии из 10 человек в консервной банке. В идеале нужно терраформирование, но это будет стоить очень дорого, а процесс займёт сотни лет, к тому же успех не гарантирован.
У Марса много проблем, например почти отсутствует магнитное поле, то есть у живых организмов на поверхности не будет защиты от радиации. Это куда серьёзней, чем отсутствие атмосферы. Если по атмосфере у научного сообщества есть более-менее адекватные идеи и мы в состоянии создать нужные технологии, то с магнитным полем даже идей нет. Выходит, что о терраформировании пока речи идти не может, а колонии можно строить только под поверхностью либо в глубоких кратерах.
Представь: берёшь недорогой телескоп или даже бинокль и разглядываешь через него улицы Лунограда. Кто-то на Луне тоже разглядывает Землю, вы замечаете друг друга, списываетесь в ВК, дальше первое свидание в Луна-парке (на Луне, естественно), а потом свадьба на околоземной орбите. Было бы круто иметь несколько крупных городов на спутнике — просто так, чтобы немного украсить однообразную Луну.
В общем-то, это возможно и намного проще, чем на Марсе, ведь Луна намного ближе. К ней можно полететь в любой день, а не ждать, когда пройдёт двухгодичный цикл и Красная планета станет досягаемой. Однако проблемы схожие, только ещё в более запущенной форме. Никакой атмосферы, никакого магнитного поля, сильные перепады температуры и опять-таки непонимание, что там делать. Хотя теоретически Луна остаётся самым удобным местом для жизни человека, за исключением самой Земли. C 70-х годов прошлого века СССР, США, а сегодня и Китай разрабатывают планы колонизации. Их десятки: от совсем небольших поселений буквально на несколько человек до основательных колоний. Впрочем, первый шаг уже сделан: проект Gateway подразумевает создание лунной орбитальной станции. Вроде Мир или МКС, только около Луны, но тоже с постоянным населением. С одной стороны, круто, с другой — это значит что постоянные поселения на самом спутники пока не планируются.
Титан, Энцелад, Европа
Мы разобрали планеты земной группы и Луну. Спутники Марса слишком маленькие, на планетах гигантах вроде Юпитера или Сатурна жить точно нельзя. У них вообще нет твёрдой поверхности. Однако у этих гигантов есть свои спутники, они многочисленны и порой не уступают по-площади планетам. Таких спутников с десяток, но все они привлекают примерно одним и тем же набором характеристик.
Титан, открытый ещё в 1655 году, носит своё имя не просто так: этот спутник Сатурна больше, чем Меркурий. У него есть плотная атмосфера, приемлемое давление, хотя и довольно слабое притяжение, составляющее лишь 1/7 от земного. Титан является лишь вторым небесным телом Солнечной системы, для которого доказано стабильное существование жидкости на поверхности. Предполагается, что озёра заполнены жидким метаном и этаном, которые выпадают в форме местных дождей. Однако под ледяной поверхностью вполне может оказаться океан из воды. Даже без гипотетического океана Титан и так имеет условия для существования простейшей жизни.
Далее Энцелад — ещё один спутник Сатурна, выглядящий как огромный и красивый снежок. На его поверхности нет жидкости, но она скованна водяным льдом. Это значит, что большую часть необходимых для жизнедеятельности ресурсов можно добывать на месте. Естественно, нельзя просто отковырять кусок льда и бросить его в стакан с виски, ведь там могут оказаться какие-то местные микроорганизмы, да и сам лёд, вероятно, не первой свежести. Однако это куда лучше и дешевле, чем тащить воду с Земли.
Не нравится Земля — чемодан — вокзал — Европа. Наконец добрались до системы Юпитера. Европа — шестой его спутник. Есть какое-никакое магнитное поле, к тому же и Юпитер прикрывает спутник своим полем. Разряженная атмосфера состоит из кислорода. Возможно, подлёдный океан Европы имеет глубину до 100 километров, правда, и толщина льда варьируется от 2 до 30 километров. В общем, бурить надо, что и собираются делать в обозримом будущем. Тем более Европа сама напросилась, выпустив многокилометровые гейзеры прямо под объективами камер межпланетных аппаратов.
Ближайшие пригодные для жизни экзопланеты: где они, как их можно наблюдать и как их достичь
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.
Телескоп «Кеплер» был запущен в 2009 году. Важный стратегический принцип в подобных наблюдениях — долго смотреть в одно место, чтобы выявить долгопериодические планеты типа Земли. К сожалению, в 2012 году вышел из строя один из четырех гиродинов, что еще не было фатальным, а в 2013-м — второй. Двух гиродинов уже недостаточно, чтобы ориентировать аппарат. Наблюдение избранного участка неба стало невозможным. Поэтому правая часть рис. 1 столь бедна. Тем не менее команде «Кеплера» удалось найти решение, при котором телескоп стабилизировался двумя оставшимися гиродинами и давлением света на панели солнечных батарей. Чтобы препятствовать осевому вращению телескопа, панели должны быть симметрично освещены Солнцем. В этом решении поле зрения «Кеплера» описывает годовой круг в плоскости эклиптики.
Поле зрения «Кеплера». Прямоугольники — проекции ПЗС-матриц. Рисунок с сайта «Кеплера», NASA
Так родилась новая программа телескопа, названная «К2». Она менее эффективна, чем изначальная программа: с движущимся полем зрения можно находить только короткопериодические планеты — до сорока дней. Таких планет в программе «К2» найдено более четырехсот штук. Кроме того, круг наблюдения проходит через центр Галактики — там «Кеплер» может увидеть много интересного, не связанного с экзопланетами.
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.