Что такое экзопланеты и как ищут жизнь во Вселенной

В слове «экзопланета» приставка «экзо» означает «вне», «снаружи». Получается, что экзопланеты — это все планеты за пределами Солнечной системы. Большинство из них, как и Земля, вращаются вокруг звезд, но встречаются и не привязанные к орбите определенной звезды.

Большинство открытых экзопланет находятся в одном регионе нашей Галактики — внутри Млечного пути. При помощи мощных телескопов ученые измеряют размеры планет, их состав и поверхность. Большая часть открытых экзопланет состоят из тех же элементов, что и планеты Солнечной системы. Отличаются только комбинации и соотношение: на некоторых больше воды и льда, на других — железа и углерода. При этом нет ни одной планеты, которая была бы идентична Земле или другим телам Солнечной системы.

Первую экзопланету обнаружили в 1992 году. С тех пор астрономы идентифицировали тысячи планет, и их число постоянно растет. С Земли не всегда просто обнаружить новые тела: не хватает мощности телескопов, и обзор может перекрываться звездами или другими планетами. Количество открытых небесных объектов может увеличиться в разы, как только ученые наладят технологию запуска космических роботизированных телескопов, которые будут отправлять на Землю данные о своих наблюдениях. Часть таких телескопов уже запущена в космос, но развитие направления поможет ускорить процесс открытия и изучения небесных тел.

Обнаружение экзопланет

Изучение космоса не ограничивается исследованием нашей звездной системы с ее 8 планетами. Сегодня человечество нацелено на открытие планетарных объектов, вращающихся вокруг других светил, хотя бы потому, что какой-то из них мог бы стать для населения земного шара потенциальным домом в будущем.

Поэтому каждая открытая планета, хотя бы немного похожая на нашу, внимательно изучается. Однако пока не найдено не только полных аналогов Земли, но и таких объектов, на поверхности которых были бы подходящие для жизни условия.

Первые попытки увидеть планеты вне нашей звездной системы предпринимались астрономами еще в середине XIX в., но успехом они увенчались лишь в 1988 г., когда был обнаружен первый внесолнечный планетарный объект, похожий на Землю, вращающийся вокруг двойной звезды Альраи (гамма созвездия Цефей). Это открытие было подтверждено и официально признано научным сообществом только в начале 2000-х.

Обнаружение экзопланет — сложная задача: увидеть их даже с помощью самой мощной астрономической техники затруднительно, ведь они, в отличие от звезд, не светятся.

Сегодня астрономы применяют несколько способов открытия таких объектов:

• прямое наблюдение в телескоп;
• спектрометрическое измерение радиальной скорости звездного объекта, вокруг которого может вращаться планетарное тело;
• астрометрический способ, когда наблюдатель фиксирует изменение движения звезды под воздействием гравитационного поля соседней планеты;
• радионаблюдение пульсаров — космических источников какого-либо излучения (радиоактивного, оптического и т.д.);
• микролинзирование, когда в качестве объектива телескопа используется звездное тело — оно своим гравитационным полем фокусирует свет, излучаемый всей наблюдаемой системой;
• транзитный метод, который заключается в обнаружении объектов, проходящих по диску светящихся космических тел.

Обнаружение экзопланет

Наблюдая за положением ближайших к нам звезд, астрономы всего мира пытались отыскать планеты, похожие на Землю. Первые попытки датированы 1855 годом. Первую внесолнечную планету похожую на нашу обнаружили ученые из Канады в 1988 году у двойного газового шара Геммы Цефеи А. В 2002 году открытие признано астрономическим сообществом.

Огромный телескоп в Чили для наблюдения за экзопланетами

Годом позже найден коричневый карлик, признание открытия состоялось в 2002 году.

Обнаружение галактик и звезд не представляют серьезных трудностей. С объектами планетного типа дело обстоит иначе. Не имеющие яркого света, блеска, расположенные за сотни световых лет от Земли, они остаются неизведанными. Существует шесть способов открытия экзопланеты:

1. прямое наблюдение через телескопы;
2. астрономический;
3. радионаблюдение пульсара;
4. спектрометрическое вычисление радиальной скорости звезды;
5. транзитный метод;
6. микролинзирование (в качестве линзы используется другая звезда).

Наиболее востребованный и действенный способ — транзитный. Он заключается в наблюдении за планетами, проходящими по диску своей звезды.

Экзопланеты носят имена похожие на названия своих звезд с отдельно присваемыми литерами, чем отличаются друг от друга.

Как ученые нашли эту планету

«Различить в телескоп экзопланету рядом со звездой — довольно сложная задача, так как планета является источником очень слабого света в сравнении с ее родительской звездой, вокруг которой она вращается (в данном случае это Проксима Центавра). Никакой телескоп не увидит такой слабый объект на фоне другого сильного. Да еще и с размытием от нашей собственной атмосферы.

Сегодняшнее открытие было сделано с помощью метода лучевых скоростей, который позволяет определить массу, орбитальные периоды и расстояние планеты до звезды. Впервые поиски экзопланет этим методом увенчались успехом в начале 1990-х, когда на телескопах появилась совершенная спектральная аппаратура: в 1992 году на конференции Американского астрономического общества было объявлено о планетах около пульсара, что воспринималось полной экзотикой».

«С тех пор большая часть планет, которая наблюдалась методом лучевых скоростей, — это планеты, похожие на планеты гиганты — наши Юпитер или Сатурн. Именно такие планеты проще всего обнаружить с помощью эффекта Доплера.

Другой метод нахождения экзопланет — метод коронографии, которым, в частности, занимаются наши коллеги в ИКИ РАН, — позволяет увидеть планету на фоне более яркой звезды.

По мере увеличения качества и количества наблюдений стало понятно, что в нашей Вселенной существуют планеты, похожие на Землю по своим характеристикам, из чего напрашивается вывод, что Земля, скорее всего, не уникальна. Есть надежда, что по мере совершенствования аппаратуры мы обнаружим планеты, пригодные для жизни, но пока подтверждений этой гипотезе в нашей Галактике нет».

Физические характеристики экзопланет

В первые годы открытия внесолнечных планет большинство из них были своеобразными системами с небольшими орбитальными периодами и эксцентричными орбитами, очень близкими к родительской звезде.

Метод радиальных скоростей способствовал открытию планет-гигантов, очень близких к их звезде, некоторые из них на орбитах, меньших, чем орбита Меркурия. В последние годы астрономы смогли усовершенствовать свои методы, найдя планетные системы, более похожие на наши. Однако значительная часть планетных систем обладает планетами-гигантами на небольших орбитах, сильно отличающимися от нашей Солнечной системы.

Недавно были обнаружены новые экзопланеты с массами, примерно в 15 раз превышающими массу Земли, то есть сопоставимыми с Нептуном, а также планеты в 2 раза превышающие массу Земли. В последние годы были обнаружены планеты с массами, сходными и даже меньшими, чем земные.

Более массивные объекты, близкие к главной звезде, произвели революцию в теориях формирования планет. Существует определенный консенсус в отношении образования этих планет на более внешних орбитах и их ранней миграции на внутренние орбиты. Эта миграция определяется гравитационным взаимодействием с околозвездным диском материала, в котором образуется планета. Существует определенная связь между металличностью родительской звезды и наличием планет.

Земля обетованная. Есть ли жизнь на планете-двойнике

Астрономы агентства NASA с помощью телескопа «Кеплер» нашли экзопланету, очень похожую на Землю — на поверхности Kepler 452b может быть обнаружена жидкая вода, а, возможно, и живые организмы. «Сноб» поговорил с астрономами Анатолием Засовым и Дмитрием Вибе о шансах найти инопланетную жизнь и о том, почему открытие новой экзопланеты взбудоражило землян

Поделиться:

Как нашли планету

Телескоп «Кеплер» был запущен NASA в 2009 году: его миссия — поиск экзопланет, вращающихся вне солнечной системы, а именно в созвездии Лебедя. Телескоп ищет планеты в «обитаемой зоне» звезды, очень похожей на Солнце. Для распознания экзопланет «Кеплер» использует транзитный метод: уже шесть лет он анализирует яркость нескольких сотен тысяч звезд в определенном участке космоса, чтобы зафиксировать затмения, спровоцированные планетами некоторых звезд. Когда планета проходит по орбите вокруг звезды, она преграждает исходящий от нее свет, а «Кеплер» регистрирует затмение. Если затмение звезды происходит с определенной периодичностью, значит, телескоп обнаружил планету. Информации о временных промежутках, с которыми планета вращается вокруг звезды, может быть достаточно, чтобы вычислить ее размер или температуру на поверхности. А значит, и определить, пригодна ли она для жизни.

Новая Земля-двойник

Обнаруженная «Кеплером» экзопланета получила название Kepler 452b. В диаметре она на 60 процентов больше Земли, год на планете равен 385 земным дням, ее возраст составляет шесть миллиардов лет, что на полтора миллиарда больше, чем возраст Земли, — ученые полагают, что за это время на планете вполне могла зародиться жизнь. Геологи уже пришли к выводу, что на Kepler 452b есть действующие вулканы. По этим данным можно предположить, что планета пригодна и для жизни человека, вот только расстояние от Земли до планеты составляет 1400 световых лет — 550 миллионов земных лет.

Индексы подобия Земле и обитаемости планеты

Международная группа астрономов, биологов, геохимиков и палеонтологов разработала две системы оценки степени пригодности планеты для жизни: индекс подобия Земле и индекс обитаемости планеты. Первый, соответственно, фиксирует, насколько условия изучаемой планеты схожи с земными, а второй оценивает вероятность наличия жизни на небесном теле.

Индекс подобия Земле вычисляется простым физическим сходством с нашей планетой: температура на поверхности, расстояние от звезды, размер, масса и плотность планеты. Индекс обитаемости вычисляется более сложными характеристиками: скалистая или ледяная поверхность, наличие атмосферы, магнитного поля и воды, освещенность. Наивысший рейтинг подобия Земли имеет сама Земля — он равен единице. Также оценивается и обитаемость: на Земле индекс тоже соответствует единице.

Ученым еще предстоит вычислить индексы подобия и обитаемости Kepler 452b.

Другие планеты-двойники

За шесть лет своего путешествия в космосе телескоп «Кеплер» обнаружил около четырех тысяч экзопланет. В этом году телескоп обнаружил 11 планет в «обитаемой зоне»: две из них — Kepler 438b и Kepler 442b — до обнаружения Kepler 452b были наиболее похожими на Землю. Они превышают размеры нашей планеты в два раза и вращаются вокруг холодных по сравнению с Солнцем красных карликов.

Дмитрий Вибе, доктор физико-математических наук, заведующий отделом физики и эволюции звезд Института астрономии РАН:

Есть два метода обнаружения планет у других звезд: метод лучевых скоростей и метод затмений. В первом случае наблюдатели пытаются отследить движение родительской звезды, которое вызвано притяжением одной или нескольких планет. Не только Солнце заставляет двигаться Землю, Земля тоже сдвигает его своим притяжением. Точное оборудование этот сдвиг может зафиксировать. Второй метод — метод затмения — был использован «Кеплером»: искомая планета в далекой планетной системе проходит по диску своей звезды, тем самым эту звезду время от времени для нас затмевая. Если блеск от звезды периодически пропадает, это свидетельствует о наличии планеты. Оба этих метода с легкостью обнаруживают планеты большой массы.

Исследования планет этими методами начались в 1995 году: первые результаты с точки зрения поиска другой жизни в космосе были не обнадеживающими.

Как появляется жизнь, мы толком не знаем. Поэтому, когда мы пытаемся найти условия, благоприятные для зарождения жизни, на больших расстояниях от Земли, мы ориентируемся на Солнечную систему — по крайней мере мы точно знаем, что в Солнечной системе жизнь однажды уже зародилась. Все найденные в первое время планеты были очень сильно непохожи на Землю. А когда были найдены целые планетные системы, они тоже оказывались слишком непохожими на Солнечную.

Но потом появился телескоп «Кеплер», способности которого позволяют обнаруживать не только большие планеты, но и небольшие, похожие на Землю. Постепенно с его помощью начал пополняться каталог планет все меньшей и меньшей массы. Kepler 452b превосходит Землю в полтора раза, но это все-таки не Юпитер.

Еще один важный фактор в поиске пригодных для жизни планет — «зона обитаемости», интервал расстояний до звезды, внутри которого на планете устанавливаются физические условия, позволяющие существовать жидкой воде. В том понимании жизни, которое сложилось на Земле, жидкая вода является важнейшим ингредиентом. Ни пар, ни лед для жизни не подходят.

До открытия Kepler 452b были известны планеты, близкие по массе к Земле, но не попадающие в «зону обитаемости». Были известны планеты в «зоне обитаемости», но отличающиеся от Земли по массе. Kepler 452b максимально похожа на Землю среди открытых планет: она вращается вокруг звезды, похожей на Солнце, близка по массе и находится в «зоне обитаемости». Такого сочетания факторов раньше никогда обнаружено не было.

Но никакой гарантии наличия жизни эти характеристики нам не дают. Одного только попадания в «зону обитаемости» недостаточно, мы знаем это по Солнечной системе. Марс, например, находится в этой зоне, и есть доказательства, что на нем когда-то была жидкая вода. Но потом она куда-то подевалась — и это большая загадка.

Для дальнейшего подробного изучения Kepler 452b важны не столько технические, сколько финансовые возможности. Уже предложено большое количество способов получить информацию о химическом составе атмосферы планеты — это был бы очень большой шаг вперед. Но чтобы зафиксировать эти критерии, требуются инструменты, которые сейчас у нас отсутствуют: очень большие и мощные телескопы космического базирования. Никаких особых технологических прорывов для создания этих телескопов не требуется. Но это настолько дорогое удовольствие, что вряд ли в обозримом будущем наши космические державы смогут себе такое позволить.

В итоге нам понятно, что наблюдать, понятно, как наблюдать. Осталось решить, готовы ли мы в это вкладываться. Ведь даже при наличии дорогостоящих инструментов мы, может, и не увидим маленьких зеленых человечков или великую китайскую стену на поверхности Kepler 452b.

Анатолий Засов, доктор физико-математических наук, руководитель отдела внегалактической астрономии ГАИШ МГУ:

Вопрос, действительно ли Kepler 452b похожа на Землю, — это вопрос для будущих исследований. Обнаруженная планета — просто один из немногих кандидатов в планеты типа нашей Земли. Сейчас известно о 1935 экзопланетах — они перечислены в специальном каталоге. О каждой из них известно очень мало. Объем информации зависит от метода, которым планеты были обнаружены, — как правило, мы знаем только их расстояние от звезды, массу либо размер. Также из наблюдений можно определить, сколько земных дней продолжается на данной планете год и какое количество энергии получает планета от звезды, вокруг которой она обращается.

Из этих почти двух тысяч планет можно отобрать около дюжины, которые, как мы надеемся, могут быть похожи на Землю. Схожесть определяется рядом параметров: размер планеты должен не более чем вдвое отличаться от Земли. Нужна твердая поверхность и необходимое количество получаемой энергии для существования жидкой воды на поверхности, без которой, по нашим представлениям, развитие жизни невозможно. В прошлом году была уже найдена планета Kepler 186f, удовлетворяющая этим требованиям — она расположена гораздо ближе к нам, но все же отличается от Земли сильнее, чем недавно открытая Kepler 452b.

К сожалению, кроме перечисленных параметров, мы пока больше ничего не знаем о новой экзопланете: ни ее массы, ни наличия на ней атмосферы, воды и даже твердой поверхности. Никто эту планету своими глазами не видел: ведь планеты находят не путем разглядывания или фотографирования их в телескоп, для этого они слишком далеки, а по косвенным признакам — в данном случае путем исследования периодических изменений яркости звезд, которые возникают, если планета, обращаясь вокруг звезды, каждый раз проходит на фоне ее диска и слегка ослабляет ее свет.

Сегодня мы не обладаем техническими возможностями и средствами, чтобы обнаружить на поверхности экзопланеты воду или детально исследовать другие ее характеристики. Но в будущем уже планируются исследования, в том числе с помощью телескопа James Webb, который скоро будет запущен в США. Здесь нужны очень точные наблюдения за изменениями в спектре звезд, которые возникают, когда планета проходит между нами и звездой. Эти изменения могут быть обусловлены только атмосферой планеты, если таковая имеется. И уже сейчас есть несколько планет, где с помощью тонкого спектрального анализа обнаружены некоторые признаки атмосферы. Но эти планеты не относятся к числу планет земного типа: они гораздо больше Земли и скорее похожи на Юпитер или Сатурн.

С другой стороны, ответы на многие не решенные сегодня вопросы мы вполне можем получить в ближайшие 10–20 лет, ведь наука развивается очень быстро. Планеты Солнечной системы как физические тела начали изучать всего несколько сотен лет назад, а первые планеты у других звезд были обнаружены всего 20 лет назад. Те методы, которыми мы сейчас ищем планеты у других звезд, позволяют обнаружить только крошечную долю существующих планет. Телескоп «Кеплер», открывший большую часть известных планет, находит только те планеты, плоскости орбит которых случайным образом оказались проходящими через Землю, только в этом случае планеты могут проецироваться на центральную звезду. Поэтому можно сказать, что в нашей звездной системе — Галактике — есть не десятки или тысячи, а несколько миллиардов планет, схожих с Землей. Но они еще долго останутся необнаруженными.