Знание-сила

Знание-сила научно-популярный журнал

Вход Вход
iiene     
Он-лайн ТВ Знание - Сила РФ Проекты Фотогалереи Лекторий ЗС

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Горячая новость:
Закрытие раздела "Электронный архив журнала" с 1 июля 2017 г.
 

 





СВЕЖИЙ НОМЕР


Органические молекулы в космосе
 
 
 Самое интересное 
Самые яркие статьи за все годы существования журнала. Пока выложены только статьи 2007-2010 годов, но мы работаем над продолжением этого.
Экзопланеты: в поисках второй Земли

Лев Зеленый

Речь пойдет, наверное, об одном из самых горячих предметов, которым сейчас занимаются не только астрономы, но и специалисты-биологи, и специалисты по происхождению, возникновению жизни. Это тема внесолнечных планет. В последние, пожалуй, 10–15 лет эта тема первая в списке, обсуждаемом на всех форумах и конференциях. Забегая вперед, скажу, что после открытий последнего десятилетия шансы наши встретить, так сказать, братьев по разуму или, наоборот, врагов по разуму, гораздо выше, чем мы думали ранее.

…Где-то в середине ХХ века встретить инопланетянина или летающую тарелку считалось самым обычным делом. Мы перешли в философию, что инопланетяне кругом, они нам угрожают или, наоборот, они хотят нас облагодетельствовать. Это, конечно, сыграло свою роль в формировании космического мышления, по крайней мере, у людей моего поколения. И, наверное, я тоже стал заниматься космосом на волне научной фантастики Ефремова, Стругацких, Лема. Это сказалось на нашей ментальности, понимании того, что мы как бы все дети космоса.

Что же на самом деле? Действительность, конечно, оказалась и скучнее, и наоборот. Вот Марс. Там нет пресловутых каналов; их, к сожалению, не увидели. Но зато увидели живую воду. Марс сухой, вода, если есть, то только под поверхностью. Но иногда летом, когда температура на короткое время поднимается выше нуля градусов, эта подповерхностная мерзлота тает, ручьи марсианской воды вытекают и по дороге успевают замерзнуть. То есть на Марсе есть вода, это сейчас доказано, много воды. Есть вода, кстати, на Луне. То есть не все так безнадежно. Там, где вода, по крайней мере, могла быть жизнь. Но это, так сказать, отдельная история про Солнечную систему.

Однако наш разговор об экзопланетах – планетах вне Солнечной системы. С развитием методов наблюдательной астрономии начали открывать самые разные планеты около других звезд. Все началось с совсем простой задачи. Массивная планета, очень тяжелая, где-то больше 60 масс Юпитера, была открыта у одной из довольно близких звезд. Это было удивительное наблюдение. Но такую очень тяжелую планету, в общем, легко было обнаружить. А после этого взрывообразно стало нарастать число открытых планет у других звезд.

Как ищутся экзопланеты? Наверное, это самое интересное. Трудно представить, но мы ищем, так сказать, не просто иголку в стоге сена, а булавочную головку, если сравнить размеры, брошенную на гору Эверест. Но, тем не менее, многое удается сделать.

Самое простое – это смотреть на звезду и увидеть около нее планету. Так тоже иногда удается, но это должна быть не очень яркая звезда и очень большая планета. Это называется методом транзита. Если у нас есть звезда, и мимо нее проходит планета, причем проходит так, что ее плоскость вращения не перпендикулярна линии зрения, соединяющей нас и эту звезду, вы видите небольшое падение светимости. Доля его зависит от размера планеты, но это доля процента. Так, Юпитер на диске Солнца при наблюдении дает 1% затемнения. Венера или Земля на диске Солнца при наблюдении из окрестностей другой звезды не будут замечены. Поэтому, конечно, первые планеты, которые были обнаружены – это большие планеты, которые действительно затеняют звезду. Кроме того, планета, которая вертится вокруг звезды, имеет свой период обращения. Скажем, чтобы увидеть затенение Солнца от прохождения Земли, опять-таки, с другой звездной системы, то надо ждать год, пока Земля сделает весь круг вокруг Солнца. То есть, в основном, этот метод отбирает такие планеты, которые вращаются близко к звездам. Просто, чтобы за время наблюдения мы успели увидеть такие транзиты.

Поэтому, конечно, мы видим очень малую часть того, что есть на самом деле. И удивительно, что при этом мы видим очень много. Когда я буду говорить, что мы видим что-то странное и экзотическое, то следует учитывать, что существует наблюдательная селекция. Мы видим только часть истины. Пусть достаточно большую, но не все.

Другой метод дополняет первый. Он называется «Измерение лучевых скоростей звезд». Это тоже тонкий современный метод, и благодаря ему на конец марта 2013 года открыто 520 планет. В чем он заключается? Когда мы говорим, что Земля вращается вокруг Солнца или Юпитер вращается вокруг Солнца, на самом деле это не так. Если имеются тяжелое и менее тяжелое тело, они всегда вращаются не одно вокруг другого, а вокруг общего центра масс. Если, конечно, одно тело в миллиарды раз более массивно, чем другое, то центр масс практически точно совпадает с центром более тяжелого тела, и можно этим влиянием пренебречь.

Но даже для парочки «Земля-Солнце» небольшие такие колебания Солнца вокруг общего центра масс существуют. Что это дает? Есть моменты, когда звезда движется на нас и когда звезда движется от нас, и такие ее колебания вызваны какой-то планетой. Оценив размеры этих колебаний, мы сможем оценить массу планеты. Это простая механическая задача. Дальше вступает в силу эффект Доплера – спектр излучения звезды будет немножко сдвинут. Поэтому мы, увидев, например, линию излучения железа, сравним ее с тем, что мы видим в земной лаборатории, и оценим величину этого сдвига. Точность измерения очень велика в этом случае. Мы сможем оценить скорость колебания даже с точностью до одного метра в секунду. Вы представляете? Это, конечно, большое достижение не столько астрономов, сколько физиков. Потому что имеются таблицы, в которых просто с громадной точностью рассчитаны спектральные линии всех излучений всех веществ. Мы выбираем реперные элементы, смотрим, насколько их линии сдвинуты, и оцениваем скорость. А оценив скорость, мы оцениваем массу планеты, которая заставляет звезду колебаться.

Если собрать воедино статистику, то есть планеты, которые открыты, то видна такая зависимость числа планет от размера их орбиты. Транзитным методом открыты планеты на орбитах, близких к родительским звездам. Методом лучевых измерений открыты планеты, находящиеся подальше от родительских звезд. Очень много планет находится гораздо ближе к своим родительским звездам, чем Земля, не говоря уже о Юпитере, а некоторые даже ближе, чем Меркурий. Открытых планет много, но звезд еще больше. И если сравнить число планет с числом звезд, возле которых мы ожидали увидеть планеты, то только где-то 1–2% звезд, напоминающих Солнце, пока имеют такие планетные спутники. Других мы или не разглядели, поскольку это слишком маленькие планеты, или они находятся слишком далеко от нас.

Большинство планет имеют массу или чуть-чуть больше, или в несколько раз больше, или меньше, чем масса Юпитера. Поэтому эти планеты получили такие названия: более тяжелые, чем Юпитер, называются «супер-Юпитеры», «горячие Юпитеры», потому что они находятся близко к своим звездам. «Нептуны» – это планеты средних размеров, промежуточные планеты. «Суперземли» – это планеты больше Земли в несколько раз, и «Земли» – это планеты, очень близко напоминающие Землю, по крайней мере, по массе и размерам.

Найдено достаточно большое число планет с малыми массами. Пока совсем маленьких не нашли, ну, просто их трудно найти, но уже начинаем находить планеты, которые могут относиться к зоне обитаемости. Их пока немного, гораздо больше планет тяжелых и слишком близких к родительским звездам, но с совершенствованием методов надежда уже появляется.

Подчеркиваю, очень много планет, называемых «горячие Юпитеры», которые вращаются очень близко к своей звезде, гораздо ближе, чем орбита Меркурия у Солнца. А Юпитер у нас находится на расстоянии 5 астрономических единиц, то есть в 5 раз дальше, чем Земля. Это была сенсация, когда такие планеты увидели, потому что существовала проверенная веками теория образования Солнечной системы, которой занималось много уважаемых людей. По этой теории газовые планеты, большие планеты всегда должны быть на окраинах.

А в других системах получилось не так. Откуда-то они берутся – газовые гиганты, близкие к звезде. И тут тем, кто этим занимался, за последние годы пришлось очень сильно пересмотреть свои взгляды. Предположим, что планета размером с Юпитер сформировалась где-то далеко от звезды. Но сформировалась не в пустом пространстве, а тогда, когда еще существует пылевое облако, и планета начала тереться об эту пыль. В итоге планета начала тормозиться, начала терять импульс, начала сталкиваться с другими телами, и постепенно она как бы стала падать и все более приближаться к звезде. Конечно, такое путешествие, такая миграция столь крупной планеты типа Юпитера не пройдет даром для тех каменистых планет, которые вращаются ближе к звезде. Она просто снесет их этаким цунами. Поэтому около звезды, у которой есть такие большие горячие спутники на близких расстояниях, по-видимому, трудно ожидать наличие планет типа Земли.

Солнечная система в данном случае – нечто уникальное. По-видимому, такая миграция планет является универсальным механизмом, когда звездная система образуется. Но Солнечная система как-то рано остановилась. То есть нам повезло. На месте Земли сейчас мог бы находиться Юпитер, и где бы тогда мы с вами были? Нам повезло, что Юпитер сформировался так, что остался на своем месте и к Солнцу не стал мигрировать. Это догадка, конечно. Эволюция Солнечной системы первых миллиардов лет не очень известна, но вариантов здесь много.

Теперь о данных, полученных с помощью телескопа «Кеплер». Это действительно великий экспери-мент – можно только позавидовать нашим американским коллегам. Он специально был нацелен на поиск планет земного типа в обитаемой зоне. Гигантские планеты в данном случае не очень интересовали исследователей. В той области, которую «Кеплер» исследует, около 190 тысяч звезд. Он постепенно их осматривает, используя метод транзитов. И что оказалось интересно, этот метод позволяет определить системы, где есть не только одна планета, а много: две, три, четыре, пять. Как в нашей Солнечной системе. Обнаружена система, где есть шесть планет. Такие системы тесные, пять из этих шести планет вращаются очень близко к звезде. А вот еще более интересная группа. Из нее были выбраны планеты, которые могут быть кандидатами на существование в обитаемой зоне, то есть на них потенциально может быть жизнь. Температура на поверхности одной из них примерно 250 градусов Кельвина. То есть минус 20 градусов Цельсия – эффективная температура Земли. Не так много планет существует среди этого громадного многообразия. Всего здесь можно насчитать десятки таких планет, в отношении которых мы можем думать о землеподобных условиях.

Если мы обратимся к нашей Солнечной системе, где в ней зоны обитаемости? До недавнего времени думали, что Земля в хороших условиях. Тут есть вода, которая не испарилась, и вода, не все время замерзшая, планета на слишком хорошем расстоянии от Солнца, достаточно много солнечного излучения. С другой стороны, звезда не сжигает нас, и от солнечной радиации мы защищены. Но оказалось, что это не единственная зона. В последние годы очень много говорят о зоне обитаемости даже вдали от Солнца, у спутников планет-гигантов. У Юпитера такие спутники – Европа и Ганимед. У Сатурна – спутник Титан. Там, в общем-то, тоже возможны условия для существования жизни, вероятно, в каких-то других формах. Поэтому в последние годы мы шире стали смотреть на понятие обитаемости. Это не обязательно что-то похожее на Землю или, в крайнем случае, на Марс. Жизнь может приспособиться к большему диапазону условий.

Какие все-таки могут быть ограничения? Прежде всего, уровень гравитации должен быть достаточно умеренным. Период вращения тоже должен быть ограничен. Но, главное, должна быть защита от радиации звезды, и при этом планета или спутник планеты должны получать достаточное тепловое излучение. То есть атмосфера должна обладать способностью задерживать жесткую радиацию, в том числе и гамма-диапазона, ультрафиолетовое излучение отсеивать. Но если объект будет очень далеко от звезды, мы опять попадаем в узкие «ворота». Мы избавляемся от опасностей близкого соседства со звездой, но теряем лучистую энергию звезды, тогда не на чем основывать жизнь, тем более цивилизацию. Если мы говорим об обитаемости, то в атмосфере должен быть кислород, а главное – озон, потому что он является основным поглотителем ультрафиолетового излучения. Озона может быть сотая доля процента, а поглощать он будет больше, чем весь остальной кислород. То есть это очень хорошая такая «подушка». Нам надо быть уверенными, что у той планеты, которую мы рассматриваем в качестве кандидата на обитаемость, есть такая озоновая оболочка, озоновая крыша. Ее трудно увидеть, мы пока что не умеем это делать. Но в России готовится большой космический проект «Спектр-Ультрафиолет», одна из задач которого – как раз возможная регистрация полос поглощения озона в атмосферах экзопланет.

Число кандидатов на обитаемость, конечно, может сильно уменьшиться. Сейчас представляются потенциально обитаемыми 10 планет. Это совсем недавние данные – апрель 2012 года. Если считать, что Земля – идеальная планета, и мы ей даем коэффициент единицу, то Марс в этой категории пригодности для обитания получает коэффициент 0,66. Многие из этих планет оказываются лучше, чем Марс. Коэффициент у самой последней из них 0,7–0,8. То есть, они действительно похожи на Землю и по температуре, и по всем другим условиям. Но мы, опять-таки, не знаем ничего об озоне. Вот, например, одна из этих планет, Kepler-22. Она где-то в три раза больше Земли. Температура на ее поверхности 262 градуса Кельвина, то есть минус 11 градусов Цельсия, и она находится на расстоянии, если сравнить с Солнечной системой, между Землей и Венерой. То есть это такая очень пригодная, наверное, для жизни планета.

Но тут есть одно «если». У Земли имеется чудесное свойство – наличие магнитного поля. Оно защищает нас от потока частиц, которые приходят от Солнца, кроме того, жесткое космическое излучение тоже отклоняется. Если бы у Земли не было магнитного поля, мы бы с вами, думаю, часа через четыре уже должны были дружно отправиться на кладбище. И, конечно, планета, которую мы хотим видеть обитаемой, должна иметь магнитное поле.

Пока непонятно, как можно его увидеть. Потому что магнитные поля, даже сильные, какими-то астрономическими или спектральными методами увидеть достаточно сложно. Но в нашем Институте космических исследований разрабатывается метод, который, мне кажется, сможет помочь этому.

Оказывается, наличие магнитного поля приводит к тому, что Земля оказывается очень мощным источником радиоизлучения с длиной волны в один километр. Если кто-то с другой звезды посмотрит на Землю, то первое, что он увидит, это не огни земных городов, не шум радиостанций, он обнаружит вот это километровое излучение, потому что оно намного мощнее всего, что делает человек. То есть Земля излучает как мощная антенна. Это известный эффект. Он есть и на других планетах – на Юпитере, на Сатурне. Но поскольку там другое магнитное поле, там в другом диапазоне такое излучение идет. Всякая планета, обладающая магнитным полем, является мощным источником радиоизлучения с характерной длиной волны, которая показывает как раз интенсивность этого поля.

В нашем институте рассматривается один из новых лунных проектов, – а мы сейчас много занимаемся исследованиями Луны, – так вот, мы предлагаем развернуть на Луне такую радиоантенную систему, которая будет ловить это излучение других планет в радиодиапазоне и тем самым доказывать, что у них есть магнитное поле, и они могут быть обитаемы, могут быть пригодны для жизни. Идея такая: садится посадочная станция, выезжает из нее такой ровер, на котором стоит катушка проволоки, и он ездит зигзагами, вытягивает антенну и создает антенную решетку примерно в сотню метров размером. Это вполне реальная вещь. И такая мощная антенная решетка на Луне позволит слабое излучение, создаваемое магнитным полем планеты, ловить.

Еще несколько интересных примеров. Вот я говорил, что есть, возможно, области обитаемости у спутников Юпитера и Сатурна. Среди очень крупных планет есть такая планета-гигант, она называется Gliese 876 c. Это громадная планета, ее масса соизмерима с массой Юпитера. Она и находится не очень далеко, примерно 12 световых лет от Земли. У нее уже удалось увидеть спутник. И вот на этом спутнике, так же, как на спутниках Юпитера, может быть жизнь. Она богаче, чем мы себе представляем. Даже если взять планеты-гиганты, газовые гигантские планеты, большие Юпитеры, которые мы не рассматриваем в качестве кандидатов на обитаемость, мы должны учитывать, что около них могут быть спутники, где что-то интересное для нас может найтись с точки зрения возможности жизни.

Ну, и возможны совсем красивые миры. Есть звездные системы, где три звезды. И у них тоже сейчас найдена планета. Она примерно в 4–6 раз по массе больше Земли. Про нее пока что не так много известно. Но представим, что на ней есть жизнь. Те, кто любит наблюдать закаты и рассветы, может умножить это число на три. Картина будет, конечно, не очень яркая, потому что эти звезды довольно тусклые – красные карлики. Но все равно красиво.

И вот еще одна такая экзотическая система, которую тоже открыл «Кеплер». Две звезды вращаются друг относительно друга за 21 день, и у них нашлось две общие планеты, которые вращаются вокруг этих двух звезд с периодами 130 и 260 дней.

С точки зрения обитаемости про них пока ничего нельзя сказать, но это интересный пример, подтверждающий, сколь разнообразна может быть Вселенная. Могут быть системы, где много солнц и много планет.

Лев Зеленый, академик РАН, директор Института космических исследований РАН (ИКИ).

ЗС 12/2013

Номера журнала

 

Читать номера on-line

 

вернуться


Карта сайта | Контактная информация | Условия перепечатки | Условия размещения рекламы

«Сайт журнала «Знание-сила»» Свидетельство о регистрации электронного СМИ ЭЛ №ФС77-38764 от 29.01.2010 г. выдано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор)
© АНО «Редакция журнала «Знание-сила» 2012 год

По техническим вопросам функционирования сайта обращайтесь к администратору

При поддержке медицинского портала ОкейДок


Rambler's Top100
av-source