Свет далёких планет

Невидимые спутники звёзд

О том, что Земля не уникальна, люди догадались довольно давно. Ещё древнегреческий философ Эпикур в письме к своему ученику Геродоту писал, что «миры безграничны [по числу], как похожие на этот [наш мир], так и непохожие». А это, между прочим, рубеж IV–III веков до н.э. Позднее подобные идеи высказывали и другие мыслители, но доказать их было невозможно — телескоп ещё не изобрели.

Активно искать экзопланеты учёные начали только в XIX веке. К тому моменту они уже знали, как небесные тела влияют друг на друга. Астрономы надеялись, что смогут рассмотреть в телескопы «странности» в движении звёзд по небосводу.

Обнаружить это действительно удалось. Вот только экзопланеты здесь были ни при чём — на траекторию движения влияли очень тусклые звёзды-компаньоны, невидимые невооружённым глазом. Позднее их назовут белыми карликами. Что же касается планет, то их влияние на движение звёзд было таким слабым, что заметить его в телескопы того времени оказалось невозможно.

То, чего не добились учёные XIX века, попытались сделать их коллеги в XX веке. Наибольшую известность получила история астронома Питера ван де Кампа. Значительную часть своей научной карьеры он посвятил изучению звезды Барнарда — красного карлика в созвездии Змееносца, удалённого от Земли на расстояние всего 5,96 светового года. Астроном рассудил, что эта маломассивная — примерно в 6–7 раз легче Солнца — звезда будет заметно изменять свою траекторию под влиянием других небесных тел. В конце 1960-х годов учёный объявил, что ему действительно удалось обнаружить сначала одну, а затем вторую экзопланету. По его расчётам, это были газовые гиганты массами 0,7 и 0,5 массы Юпитера.

К сожалению, ван де Камп ошибался — «найденные» им планеты не существуют. К «смещениям» звезды, которые астроном связывал с присутствием газовых гигантов, приводили погрешности в работе телескопа. Прибор выдавал ошибки в изображениях всякий раз после того, как его отправляли на техническое обслуживание и модернизацию.

Забегая вперёд, скажем, что астрономы не потеряли надежды отыскать планеты возле звезды Барнарда. В конце 2018 года международная группа учёных объявила о новой находке. Правда, это был не газовый гигант, о котором сообщал ван де Камп, а похожая на Землю планета с массой примерно в 3,2 земных. Впрочем, судьба и этого открытия оказалась незавидной — уже через три года его достоверность опровергла другая научная группа. Так что есть ли планеты у звезды Барнарда или нет — вопрос по-прежнему открытый.

Время первых

В конце 1980-х годов почти никто из специалистов не сомневался: экзопланеты вот-вот удастся обнаружить. Их поисками с помощью самых совершенных на тот момент оптических спектрометров занимались сразу несколько научных групп по всему миру. Однако удача улыбнулась тем, кто планеты даже не искал, — радиоастрономам.

В 1991 году польский учёный Александр Вольшчан заметил, что наблюдаемая им нейтронная звезда — радиопульсар PSR 1257+12 — «дышит»: частота посылаемых ею импульсов волнообразно меняется. Это значило, что на неё влияет другое небесное тело. Открытие подтвердил коллега Вольшчана — Дейл Фрейл. В январе 1992 года учёные объявили, что обнаружили у радиопульсара две планеты — PSR B1257+12 c и PSR B1257+12 d. Позднее им дали имена Полтергейст и Фобетор. Вскоре нашли и третью — PSR B1257+12 b, которую назвали Драугр. «Отцу» этого «мрачного» семейства — самому пульсару — присвоили не менее грозное имя — Лич.

Сделанное радиоастрономами открытие поставило учёных в тупик. Те планеты, что вращались вокруг звезды до вспышки сверхновой, неминуемо должны были разлететься в разные стороны, когда масса светила, а, стало быть, и сила его гравитации упали в несколько раз. Значит, Драугр, Полтергейст и Фобетор сформировались уже после того, как звезда превратилась в пульсар. Как и из чего — наука не знает до сих пор. На сегодняшний день экзопланеты удалось обнаружить лишь возле шести пульсаров, хотя их самих известно более двух тысяч.

Пока весь научный мир выяснял, как появились обнаруженные Вольшчаном и Фрейлом планеты, астрономы из калифорнийской и женевской научных групп обратили внимание на звезду 51 Пегаса — приборы зафиксировали колебания линий в её спектре с периодом в 4,23 суток.

Смещения спектра 51 Пегаса были столь значительны, что вызвать их могла только массивная планета, которая к тому же должна находиться очень близко к звезде. Это противоречило тому, что астрономы видели в Солнечной системе: небольшие и лёгкие планеты рядом со звездой, а планеты-гиганты — на значительном от неё удалении.

Калифорнийская группа, возглавляемая Джеффри Марси, решила, что в измерения закралась какая-то ошибка, и не стала публиковать результаты. А вот швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело в 1995 году объявили, что обнаружили экзопланету 51 Pegasi b — первую у солнцеподобной звезды. Она примерно вдвое легче Юпитера и удалена от светила на расстояние всего 0,0527 астрономических единиц. В 2015 году Международный астрономический комитет присвоил планете название Димидий, а четырьмя годами позже заслуги Майора и Кело отметил Нобелевский комитет, вручив им премию по физике.

Фактически награда уплыла из-под носа калифорнийской группы просто потому, что астрономам не хватило научной смелости опубликовать столь странный результат.

Владислава Ананьева, астроном

Поверхность 51 Pegasi b оказалась раскалена до 1300 К, и астрономы определили планету в новый класс — горячие юпитеры. Учёные не понимали, как газовый гигант мог сформироваться настолько близко к материнской звезде, — для него не должно было хватать материала. Достаточно логичное объяснение, впрочем, вскоре нашлось. В 1996 году астроном Дуглас Лин и его коллеги предположили, что планета возникла на значительном удалении от звезды, но мигрировала к ней, постепенно вбирая в себя вещество из остатков околозвёздного диска. Подобное, по всей видимости, происходит и с другими горячими юпитерами.

Обитатели «зоопарка»

В течение нескольких лет после открытия 51 Pegasi b метод лучевых скоростей оставался единственным эффективным способом поиска внесолнечных планет. Однако в 2000 году астрономы впервые смогли наблюдать «затмение» звезды экзопланетой: горячий юпитер Осирис (HD 209458 b), обнаруженный годом ранее доплеровским методом, прошёл по диску жёлтого карлика HD 209458.

В настоящее время Осирис считается наиболее изученной внесолнечной планетой. Известно, например, что она постоянно обращена к своей звезде лишь одной стороной, которая раскалена до 1000–1300 К. На теневой же стороне значительно холоднее. Из-за разницы температур на газовом гиганте бушует сильнейший шторм — скорость ветра достигает 7000 км/ч. А ещё Осирис стал первой экзопланетой, в атмосфере которой обнаружили кислород, углерод и водяной пар.

Транзитный метод оказался эффективным и для поиска ранее неизвестных астрономических объектов. Первым стал OGLE-TR-56 b — одна из самых горячих экзопланет, открытых учёными. Температура на её поверхности поднимается до 2000 К, из-за чего в атмосфере образуются облака из паров железа, которые затем проливаются дождями.

Чем совершеннее становилась техника, тем стремительнее росло количество найденных планет. И если поначалу каждое открытие вызывало ажиотаж в научной среде, то в последние полтора десятка лет список находок ежегодно пополняется десятками и даже сотнями новых названий.

Самыми надёжными способами поиска по-прежнему остаются метод лучевых скоростей и транзитный. На их долю приходится 95% обнаруженных экзопланет. Удивительно, но благодаря астрометрии удалось сделать только одно открытие. Правда, с её помощью подтвердили довольно много планет, обнаруженных другими способами. Зато вполне эффективным оказался самый необычный метод поиска — гравитационное микролинзирование. Он позволяет обнаруживать несветящиеся тела: холодные планеты, удалённые от родных звёзд на большое расстояние, свободно плавающие планеты и одиночные чёрные дыры.

В первые годы основным «уловом» астрономов становились горячие юпитеры. Их обнаружили так много, что в какой-то момент даже начало казаться, будто именно они составляют большинство планет в нашей Вселенной. Разумеется, это не так. Полученные космическим телескопом Kepler данные показывают, что только у каждой двухсотой солнцеподобной звезды вращается горячий юпитер. Просто отыскать массивные планеты на близких орбитах, которые вносят сильные возмущения в движение звёзд, оказалось значительно проще. Сейчас астрономы научились видеть даже объекты, удалённые от материнских звёзд на значительное расстояние.

Многообразие, или, как говорят учёные, «зоопарк» экзопланет поражает воображение. Есть газовые карлики и суперземли. Планеты, которые летают так близко к звезде, что та постепенно «пожирает» их, и планеты-бродяги, вообще не привязанные ни к одной звезде. Орбиты одних планет практически идеально круглые, орбиты других вытянуты, как у комет. Есть планеты, покрытые океаном глубиной в 100 км, и планеты, чья постоянно обращённая к звезде сторона тоже океан, только лавовый. Полностью железные планеты и планеты, плотность которых в 10 раз меньше плотности воды. Планеты белые как снег и планеты чернее угля. Список можно продолжать и продолжать.

На фоне всей этой экзотики Солнечная система с её четырьмя железно-каменными планетами, двумя газовыми и двумя ледяными гигантами выглядит заурядно и едва ли не скучно.

Внесолнечная планетология показывает: всё, что можно помыслить и что не противоречит законам физики, может существовать. Редко, но может.

Владислава Ананьева, астроном

Благодаря космическим обсерваториям экзопланетный «зоопарк» уже в обозримом будущем наверняка пополнится новыми интересными экземплярами. Большие надежды учёные связывают с запущенным в конце 2021 года телескопом James Webb — совместным проектом NASA, Канадского и Европейского космических агентств. С его помощью можно находить не только экзопланеты, значительно удалённые от своих звёзд, но и экзолуны. Кроме того, астрономы приступили к обработке данных, которые с 2014 года собирает телескоп Gaia Европейского космического агентства. Уже есть первые результаты, но всего, как ожидается, он поможет открыть не менее 10 тыс. экзопланет.

В погоне за лидерами

Поисками внесолнечных планет занимаются и российские учёные. Например, в Специальной астрофизической обсерватории РАН (Карачаево-Черкесская Республика) научная группа работает уже 10 лет. За это время методом лучевых скоростей удалось подтвердить семь экзопланет, ранее открытых транзитным методом на космических телескопах Kepler и TESS. Ещё по меньшей мере 10 небесных тел, обнаруженных отечественными специалистами, пока находятся в статусе кандидатов, и астрономы продолжают наблюдение за ними. Поисками экзопланет занимаются также в Крымской астрофизической и Пулковской обсерваториях.

В 2022 году стартовал совместный проект России и Южной Кореи EXPLANATION (EXoPLANet And Transient events InvestigatiON) по исследованию экзопланет и транзиентных событий. Но пока даже о промежуточных его результатах говорить рано.

В общей сложности российские астрономы уже открыли или подтвердили около 10 экзопланет. Точное число назвать сложно, поскольку большую часть кандидатов обнаружили с помощью иностранных телескопов, а некоторые открытия из-за недостаточного количества наблюдений имеют слабое обоснование и не признаются другими группами и международными базами данных.

Количество обнаруженных нашими учёными экзопланет кажется небольшим, особенно на фоне открытий, сделанных западными астрономами, однако на то есть объективные причины. В Институте космических исследований РАН считают, что виной всему катастрофическая ситуация, в которую отечественная наука угодила в 1990-е годы. Как раз в то время в научном мире произошла «экзопланетная революция», но российские учёные к этим исследованиям подключились довольно поздно.

Ещё один вопрос, который России предстоит решить — нехватка современных приборов, необходимых для поиска внесолнечных планет.

Крупных телескопов, которые позволяют изучать и открывать экзопланеты, в России очень мало, а те, что есть, расположены в местах с небольшим количеством ясных ночей, когда можно проводить наблюдения. В России фактически нет мест с хорошим астроклиматом.

Дамир Гадельшин, астроном

Пока у России нет и своих космических телескопов, которые бы работали в оптическом или инфракрасном диапазонах за пределами земной атмосферы. Из-за этого отечественные учёные не могут изучать землеподобные планеты в зоне обитаемости звёзд.

Чужая Земля

Какими бы интересными и будоражащими воображение ни казались планеты с железными дождями или лавовыми океанами, пределом мечтаний практически для любого экзопланетолога стало обнаружение двойника Земли.

В том, что он существует, сомнений нет. По самым скромным подсчётам, в галактике Млечный Путь находится 100 млрд звёзд, и хотя бы по одной планете, как считают астрономы, есть у каждой из них. При таком колоссальном количестве вариантов планета с жидкой водой и азотно-кислородной атмосферой обязана возникнуть и за пределами Солнечной системы. И тем не менее ничего подобного найти пока не удалось. Как и 200 лет назад, астрономия «споткнулась» об ограниченные возможности телескопов.

Если бы мы взглянули со стороны на Солнечную систему, то с помощью той техники, которая у нас есть прямо сейчас, обнаружили только Юпитер и, возможно, Сатурн. Если бы нам очень повезло, то телескоп Kepler мог бы найти и Венеру. А Землю — нет.

Владислава Ананьева, астроном

С космической обсерваторией Kepler, запущенной в марте 2009 года, астрономы связывали большие надежды. Её создавали как раз для поиска транзитным методом планет, подобных Земле, рядом со звёздами, похожими на Солнце. Увы, точность телескопа оказалась недостаточной — даже если он и наблюдал транзиты двойников Земли, сделанные им измерения оказались сравнимы с шумами самого прибора.

Проработай Kepler лет десять, он почти наверняка нашёл бы аналоги нашей планеты — за счёт сбора большого количества данных из шумов проступил бы даже мелкий сигнал. Так, например, получилось с двойниками Венеры: эти планеты, сопоставимые по размерам с Землёй, совершают оборот вокруг звёзд за меньший промежуток времени, и телескоп чаще регистрировал их транзиты. Однако через четыре года после запуска Kepler вышел из строя, так и не успев найти двойника Земли. В 2014 году инженеры NASA сумели починить прибор, но следить за тем же участком неба он уже не мог.

Окончательно телескоп прекратил свою работу 15 ноября 2018 года — в день смерти астронома Иоганна Кеплера, чьё имя он носил. И хотя главной цели миссии достичь не удалось, её научный вклад оказался бесценен: примерно две трети известных на сегодняшний день экзопланет — это планеты Kepler’а.

Но отыскать небесное тело размером с Землю — это даже не половина дела. На пригодной для жизни человека планете и условия должны быть похожими на земные.

Вода может находиться в жидком состоянии лишь при определённых температурах. На близких к звёздам планетах она испаряется из-за жары. На далёких, напротив, замерзает и превращается в лёд. Но в окрестностях звезды есть область, где вода на поверхности планеты может быть жидкой. Учёные называют её зоной жизни или зоной обитаемости. В англоязычной научной литературе наравне с этими терминами встречается ещё одно определение — Goldilocks Zone — зона Златовласки.

Кроме воды и источника света, для возникновения и поддержания жизни необходимы органические соединения, а также некоторые химические элементы. Плюс к этому атмосфера не должна быть ни чрезмерно плотной (иначе возникнет мощный парниковый эффект), ни слишком разрежённой. Проще говоря, свойства планеты не менее важны, чем её удалённость от звезды. Луна ведь тоже находится в зоне обитаемости, но ей это не очень помогло.

Билет в один конец

Концепция зоны жизни не раз и не два подвергалась сомнению. И в последние годы доводы критиков звучат всё более убедительно. По мнению группы российских учёных, у зоны обитаемости вообще может не быть внешней границы, а только внутренняя — пространство возле звёзд, где слишком горячо для существования жизни.

В недрах Энцелада, спутника Сатурна, скрывается подлёдный океан с тёплой и солёной водой, насыщенной органикой. Узнать об этом астрономам помогли гейзеры, непрерывно бьющие из трещин в его ледяной коре. Такие же гейзеры, разве что бьющие не постоянно, а время от времени, обнаружили и на спутнике Юпитера Европе. Вполне возможно, тёплые подлёдные океаны есть и на других спутниках планет-гигантов.

И Европа, и Энцелад находятся далеко за пределами зоны жизни. Им явно недостаёт солнечного тепла, а их недра разогреваются за счёт мощных приливных сил. Надеяться отыскать подо льдом развитую цивилизацию, пожалуй, бессмысленно, но если там удастся найти хотя бы микробную жизнь, идея чётко очерченной зоны обитаемости потерпит крах.

Впрочем, на роль нового дома для человечества спутники Юпитера и Сатурна всё равно не годятся — жить на дне океана мы не сможем. И если в какой-то момент придётся покидать Землю, наш путь будет лежать за пределы Солнечной системы.

Но лететь пока не на чем. Космические корабли, уже созданные человеком, не подходят для межзвёздных путешествий — все они слишком медленные, и дорога до ближайшей звезды займёт десятки тысяч лет. У экипажа просто не будет этой вечности.

Сейчас учёные работают над принципиально новыми аппаратами. Один из них — парусный звездолёт. Проект получил название Breakthrough Starshot, и среди его инициаторов — ныне покойный физик Стивен Хокинг и миллиардер российского происхождения Юрий Мильнер, который уже вложил в разработку $100 млн.

Пока технологию будут отрабатывать на миниатюрных аппаратах, которые прикрепят стропами к четырёхметровому зеркальному парусу. Затем с Земли на парус направят лазерные установки, и те за счёт давления света разгонят космолёт до скорости в 20% световой. Если всё пройдёт хорошо, через 20 лет после пуска аппарат достигнет ближайшей к нам звёздной системы — альфы Центавра.

Столь же перспективно и ещё более утопично звучит идея построить звездолёт, топливом для которого будет служить антивещество. При соединении антиматерии с обычным веществом выделяется колоссальное количество энергии, что, по расчётам учёных, позволит разогнать корабль до сверхвысоких скоростей — в проценты и даже десятки процентов от скорости света.

И всё же давайте представим, что корабль для межзвёздных путешествий уже построили. Кто на нём полетит? Кто на нём захочет полететь? Ведь для каждого члена экипажа и каждого пассажира это будет дорога в один конец, без возможности вернуться на родную Землю.

Лететь небольшой группой, в пять—семь человек, не имеет смысла. Даже если колонисты успешно доберутся до другой планеты, без поддержки со стороны они неминуемо и очень быстро скатятся в каменный век, а через какое-то время умрут от болезней или старости — так себе план покорения космоса, не правда ли? В межзвёздное путешествие должны отправиться тысячи или даже десятки тысяч человек. С собой они возьмут целые заводы, сложные производства, которые позволят им обустроиться на новом месте и не зависеть ни от помощи с Земли, ни от условий на другой планете.

В команде переселенцев должны быть те, кто занимается наукой, и те, кто сможет выполнять физическую работу — строить дома или добывать полезные ресурсы в шахтах. В конце концов, среди пассажиров звездолёта должны быть люди разных полов и возрастов, чтобы колония росла естественным образом.

Очевидно, что никому из нас — тех, кто читает эти строки, — отправиться в межзвёздное путешествие не суждено. Но, может, правнуки или хотя бы прапраправнуки исполнят нашу мечту и своими глазами увидят свет далёких планет.