Есть ли жизнь на ...? - 22 Июня 2010 - Сайт о научно-технической информации

13 Апр 2010 г. ТрВ № 51, c. 9, "Экзопланеты"
Борис Штерн
Рубрика: Исследования

Эта статья продолжает публикацию про наблюдения экзопланет, опубликованную в ТрВ № 49, где представлены основные факты, известные на настоящий момент. Повторим основное.

Рис. 1. Протопланетный диск на фоне туманности Ориона. Снимок космического телескопа «Хаббл».

Итак, известно 442 планеты у других звезд (на момент написания предыдущей статьи было 429). Почти все они гораздо больше Земли, большинство сравнимо по массе с Юпитером. Их орбиты совсем не похожи на то, что мы видим в своей системе: многие планеты-гиганты вращаются совсем близко к звезде («горячие юпитеры»), а те, что вращаются подальше, в большинстве имеют вытянутые орбиты, как будто избегая круговых. Кроме того, что эти системы не похожи на Солнечную, они в большинстве не подходят для жизни: аналога Земли со стабильной орбитой в них быть не может. Конечно, такие планетные системы легче обнаруживаются, чем копия нашей. Вопрос: насколько «уродливость» обнаруженных систем проистекает из наблюдательной селекции и насколько это — грустная правда жизни?

Несмотря на то, что систем с горячими юпитерами обнаружено много, они не столь уж типичны. Гиганты с орбитальным периодом в несколько дней при современных методах обнаруживаются наверняка с расстояний до пары сотен световых лет. И если у звезды не найдено горячего юпитера, значит его там действительно нет. Оказывается, гиганты с периодом обращения в несколько дней есть только у 1-1,5% звезд, близких к Солнцу по светимости. Гиганты на орбитах, сравнимых с орбитами Меркурия или Венеры, обнаруживаются тоже достаточно легко: такие системы есть у 3-4,5 % звезд. В этих системах жизнь весьма проблематична. Для подавляющего же большинства звезд остается полный простор для фантазии. Можно ли как-то ограничить этот простор с помощью теории? Пожалуй, да.

Существовавшие ранее взгляды на образование планетных систем сложились под сильным влиянием единственного известного экземпляра. В теории образования Солнечной системы все логично: газово-пылевой протопланетный диск становился все более плоским и структурированным (типа колец Сатурна). Все двигалось по круговым орбитам. Ближе к Солнцу -только пыль, подальше — пыль, частицы льда и газ. За счет слипания частиц образуются глыбы, из них — зародыши планет. Тяготение крупных зародышей становится заметным, и темп роста ускоряется. Поближе к звезде, где газа мало, образуются планеты земной группы, поодаль — твердые зародыши с массой в десяток земных стягивают на себя газ, вырастая в планеты-гиганты. Вдали от звезды, где газа чуть поменьше образуются ледяные гиганты (Уран и Нептун). Процесс протекает не менее 10 миллионов лет, в результате образуется хорошо сбалансированная устойчивая система. Это, конечно, сильно упрощенная картина.

Рис. 2. Протопланетный диск со спиральным рукавом и двумя бананоподобными образованиями. Звезда HD 142527. (Из работы Fukagawa, M., Tamura, M., Itoh, Y., Kudo, T., Imaeda, Y., et al. 2006, ApJ, 636, L153)

Теперь известных экземпляров много, и они, как уже было сказано, не вписываются в эту картину. Во-первых, горячие юпитеры. Там, где их находят, они образоваться не могли — звезда выметает весь строительный материал из этих областей. Их открытие стимулировало теорию: был открыт эффект миграции планет. Образовавшись, планета выедает в диске кольцевую щелью. Однако она взаимодействует с веществом диска за пределами щели, и если диск достаточно массивный, то орбита планеты начинает меняться. Как правило, уменьшается, но иногда может и увеличиваться. Орбита меняется до тех пор, пока планета не мигрирует за пределы диска, например в ближайшую окрестность звезды, где все вещество выметено ее излучением и ветром. Там она и остается.

Второй радикальный переворот в представлениях пришел с пониманием того, что протопланетный диск вовсе не обязательно должен быть столь же идеален, как кольца Сатурна. Он может быть кривым (это наблюдают), он может быть неоднородным по азимутальному углу и даже иметь спиральные рукава, подобные галактическим. Алан Босс (Институт Карнеги, США) в 1997 г. с помощью численного моделирования выявил образование спиральных рукавов в протопланетном диске и их уплотнение до той стадии, когда должна начаться гравитационная неустойчивость — прямой и быстрый коллапс больших облаков газа в планеты-гиганты без всяких твердых зародышей. Впоследствии численное моделирование провели с лучшим разрешением, что позволило проследить процесс дальше. Некое представление о нем дает рис. 3, где показана эволюция диска за очень короткий промежуток времени — буквально за несколько орбитальных периодов. Видно также, что скорость процесса очень сильно зависит от плотности диска: изменение на 10% радикально меняет картину. Итак, неустойчивость развивается мгновенно по астрономическим масштабам, и планеты-гиганты рождаются сразу многочисленными выводками, как видно из нижней правой картинки.

Рис. 3. Результаты численного моделирования гравитационной неустойчивости в протопланетном диске. Размер диска – 20 астрономических единиц, в начале диск аксиально симметричен. Верхняя пара – результат для диска плотностью на 10% меньше, чем для нижней пары. Левые картинки – распределение плотности (показано цветом) через 160 лет, правые – через 350 лет. Из работы Lucio Mayer, Thomas Quinn, James Wadsley, Joachim Stadel, Science 29, Vol. 298.

Рождением сразу многих гигантов дело не заканчивается — начинается взаимный «бильярд» за счет гравитационного взаимодействия планет. Они обмениваются импульсом, часть вышвыривается в открытый космос, пополняя множество свободно летающих планет, часть попадает на довольно близкие орбиты со сравнительно большим эксцентриситетом, каковые в основном и наблюдаются. В таком сценарии опять нет места жизни: земля, скорее всего, будет выброшена со своей орбиты. А в каком сценарии место для жизни есть?

Для выживания планет земного типа на нужных орбитах плотность протопланетного диска должна быть не слишком велика — меньше, чем требуется для массового рождения планет-гигантов и процесса миграции к звезде. Но слишком малая плотность тоже не подходит. Дело не только в том, что должны образоваться планеты земного типа. Чтобы жизнь в системе могла существовать, отсутствия юпитера в ненужном месте мало — требуется также его присутствие в нужном месте, т.е. на достаточно большой орбите. Массивная планета в системе играет роль мусорщика, очищая внутренние области от «строительного мусора», оставшегося после формирования планет. Сейчас почти весь наш мусор — за орбитой Плутона в облаке Оорта. Без Юпитера интенсивность бомбардировки Земли кометами и астероидами была бы многократно выше.

Итак, судя по всему, пригодные для жизни планетные системы возникают в каком-то диапазоне плотности протопланетного диска, когда планеты-гиганты образуются через формирование твердых зародышей в небольшом количестве. Насколько этот диапазон узок, сейчас сказать нельзя. Но, исходя из наблюдаемого изобилия планетных систем, можно ожидать, что ближайшая Земля находится не на другом конце галактики, а в пределах одной-двух сотен световых лет. Казалось бы, какая разница? И в том, и в другом случае она будет за пределами видимости и тем более досягаемости...

Аналог Земли на достаточно большом расстоянии может быть обнаружен методом транзитов (прохождение по диску звезды), см. предыдущую статью в ТрВ № 5 (49). При этом можно примерно оценить ее размер, и все. Можно получить гораздо больше информации, но уже другими средствами. На это были направлены два проекта -европейский «Дарвин» и проект НАСА TPF (Terrestial planet finder). «Дарвин» уже закрыт, практически не начавшись (в 2007 г.), TPF — еще нет (но и финансирование еще не выделено). Представим, что мы могли бы узнать о двойнике Земли с расстояния около 30 световых лет, если бы проект «Дарвин» был реализован.

Рис. 4. Инфракрасный спектр планеты, идентичной Земле, каким бы его мог зарегистрировать космический комплекс «Дарвин».

«Дарвин» задумывался как космический интерферометр из нескольких инфракрасных телескопов, аналогичных уже запущенному «Гершелю». Проект основан на методе интерферометрического зануления света звезды. Если несколько таких телескопов, расположенных в десятках метров друг от друга, могут управляться с микронной точностью с помощью микродвигателей, можно добиться того, что свет от выбранной звезды будет почти полностью занулен, а свет планет, обращающихся вокруг нее, — нет. Самое важное — то, что при этом можно снять спектр планеты в инфракрасном диапазоне, и этот спектр может сказать о многом. На рис. 4 — расчетный спектр Земли, как он был бы снят «Дарвином» с расстояния 10 парсек за 100 часов. Прекрасно видны молекулярные полосы поглощения CO₂, воды и, главное, озона. Такое количество озона (соответственно кислорода вообще) может быть, только если на планете есть жизнь. Дело в том, что кислород — очень активный элемент, он должен быть химически связан. Небольшое количество кислорода могут давать космические лучи, разбивая молекулы CO₂ или воды. Но большое количество кислорода в атмосфере однозначно говорит о том, что на планете идет мощный неравновесный процесс. Нам известен только один такой процесс — жизнь.

Очень хотелось бы дожить до открытия внеземной жизни, но, судя по «энтузиазму» с которым развиваются соответствующие проекты, пора смириться с нереальностью этой мечты. Будущие поколения, безусловно, найдут планеты с линиями поглощения молекул кислорода. Что дальше? В принципе эти планеты можно рассмотреть получше, затратив еще гораздо большие средства: где-то на бумаге существует концепция большого массива космических телескопов, способного дать снимок земли с расстояния 30 световых лет с разрешением 25 х 25 пикселей.

А можно ли послать туда зонд? «Болванку», которая прибудет в тот район через миллион лет? Нет проблем. Но в принципе возможен и зонд, который долетит за исторический масштаб времени — тысячи лет и сможет передать на Землю информацию (если здесь еще будет тот, кто способен ее принять). Здесь очень много проблем, но не принципиальных научных, а технологических, в принципе решаемых при больших затратах. Но главная проблема в другом: человек не является таким биологическим видом, у которого есть естественная мотивация прилагать усилия ради далеких поколений. По крайней мере сейчас не является.

Существовали ли вообще в истории проекты, рассчитанные на поколения вперед? Утопические теории при этом рассматривать не стоит — только практические шаги, связанные с серьезной затратой усилий и средств. Я слышал про один такой. Шведский король из династии Васа (вероятно, Густав Адольф) еще в XVII в. повелел посадить на острове в оз. Веттерн дубовый лес и при этом на протяжении десятилетий обрубать нижние ветви у дубков, чтобы к 2000 г. вырос стройный корабельный дубовый лес для шведского флота. И такой лес действительно вырос — сейчас туда валом едут туристы, вполне окупая затраты трехвековой давности. Это вселяет некоторую надежду.

Главный смысл многих масштабных проектов, если смотреть с большого расстояния, часто отличается от декларируемого. Допустим, ценой усилий группы государств, сравнимых с усилиями египтян по строительству пирамид, запущены несколько зондов к перспективным экзопланетам. Ядерные установки, плазменные двигатели, большие антенны и т.п. Основные данные ожидаются через тысячи лет, а каждый год приходят на Землю текущие рабочие данные. Заключается ли основной смысл проекта в тех долгожданных данных от экзопланет? А может быть, главный смысл — в том, что, как подсказывает чутье, все это сильно повысит шансы на существование людей, способных принять отправленные данные к проектному сроку?