Оазисы экзопланет

Горячие Нептуны и Юпитеры

Первая открытая экзопланета напоминает Юпитер, но расположена очень близко от звезды, из-за чего температура ее поверхности достигает почти +1 000°С. Такой тип экзопланет, масса которых в сотни раз больше, чем у Земли, астрономы назвали «горячими газовыми гигантами», или «горячими Юпитерами». В 2004 году, используя усовершенствованные спектрометры, удалось открыть совсем новый класс экзопланет, гораздо меньшего размера — так называемые «горячие Нептуны», масса которых лишь в 15—20 раз больше, чем у Земли. Сообщения об этом были опубликованы одновременно и европейскими, и американскими астрономами. А в начале нынешнего года была открыта совсем небольшая экзопланета с массой всего в 6 раз больше, чем у Земли. Она существенно удалена от своей звезды, расположена в холодной области планетной системы, поэтому должна представлять собой «ледяной гигант», аналогичный Урану или Нептуну. Интересно, что ранее около той же самой звезды уже были обнаружены два газовых гиганта.

«Горячий Юпитер» и его каменные спутники — экзопланеты земного типа. Вполне возможно, что есть системы, в которых обитаемы «луны», а не «земли»

Экзопланеты, открытые к сегодняшнему дню, расположены чрезвычайно далеко от нашей Солнечной системы. Ближайшая к нам звезда (помимо нашего Солнца) — Проксима Центавра — находится в 270 тысяч раз дальше, чем Солнце, — на расстоянии 40 000 миллиардов километров (4,22 световых года). До ближайшей же планетной системы — 10 световых лет, а до самой далекой из обнаруженных — 20 000. Большинство экзопланет отстоит от нас на десятки и первые сотни (до 400) световых лет. Каждый год астрономы открывают около 20 экзопланет. Среди них выявляются все новые и новые разновидности. Самая «тяжелая» — в 11 раз массивнее Юпитера, а наибольшая по размеру имеет диаметр в 1,3 раза больше, чем у Юпитера.

Откуда берутся планеты
До сих пор нет надежной теории, объясняющей, каким образом формируются планетные системы звезд. На этот счет имеются лишь научные гипотезы. Наиболее распространенная из них предполагает, что Солнце и планеты возникли из единого газово-пылевого облака — вращающейся космической туманности. От латинского слова nebula («туманность») эта гипотеза получила название «небулярной». Как ни странно, она имеет довольно солидный возраст — два с половиной века. Начало современным представлениям о формировании планет было положено в 1755 году, когда в Кенигсберге вышла из печати книга «Всеобщая естественная история и теория неба». Она принадлежала перу безвестного 31-летнего выпускника Кенигсбергского университета Иммануила Канта, который был в то время домашним учителем у детей помещиков и преподавал в университете. Весьма вероятно, что идею происхождения планет из пылевого облака Кант почерпнул из книги, выпущенной в 1749 году шведским писателем-мистиком Эмануэлем Сведенборгом (1688—1772), который высказал гипотезу (по его словам, рассказанную ему ангелами) об образовании звезд в результате вихревого движения вещества космической туманности. Во всяком случае, известно, что довольно дорогую книгу Сведенборга, в которой излагалась эта гипотеза, купили лишь три частных лица, одним из которых был Кант. Впоследствии Кант прославится как родоначальник немецкой классической философии. А вот книга о небе осталась малоизвестной, поскольку ее издатель вскоре обанкротился и почти весь тираж остался нераспроданным. Тем не менее гипотеза Канта о возникновении планет из пылевого облака — первоначального Хаоса — оказалась очень живучей и в последующие времена послужила основой для многих теоретических рассуждений. В 1796 году французский математик и астроном Пьер-Симон Лаплас, судя по всему незнакомый с работой Канта, выдвинул похожую гипотезу формирования планет Солнечной системы из газового облака и дал ее математическое обоснование. С тех пор гипотеза Канта — Лапласа стала ведущей космогонической гипотезой, объясняющей, как произошли наше Солнце и планеты. Представления о газово-пылевом зарождении Солнца и планет в последующем уточнялись и дополнялись в соответствии с новыми сведениями о свойствах и строении материи.

Сегодня предполагают, что формирование Солнца и планет началось около 10 миллиардов лет назад. Исходное облако состояло на 3/4 из водорода и на 1/4 из гелия, а доля всех остальных химических элементов была ничтожно малой. Вращающееся облако постепенно сжималось под действием сил гравитации. В его центре сосредоточилась основная масса вещества, которая постепенно уплотнилась до такого состояния, что началась термоядерная реакция с выделением большого количества тепла и света, то есть вспыхнула звезда — наше Солнце. Остатки газово-пылевого облака, вращаясь вокруг него, постепенно приобрели форму плоского диска. В нем стали возникать сгустки более плотного вещества, которые за миллиарды лет «слепились» в планеты. Причем сначала возникли планеты рядом с Солнцем. Это были сравнительно небольшие образования с высокой плотностью — железокаменные и каменные сферы — планеты земного типа. После этого в более удаленной от Солнца области сформировались планеты-гиганты, состоящие в основном из газов. Таким образом, исходный пылевой диск перестал существовать, превратившись в планетную систему. Несколько лет назад появилась гипотеза геолога академика А.А. Маракушева, по которой предполагается, что планеты земного типа в прошлом также были окружены обширными газовыми оболочками и выглядели как планеты-гиганты. Постепенно эти газы были унесены в окраинные области Солнечной системы, а близ Солнца остались лишь твердые ядра бывших планет-гигантов, которые и являются теперь планетами земного типа. Эта гипотеза перекликается с новейшими данными об экзопланетах, представляющих собой газовые шары, расположенные очень близко от своих звезд. Возможно, в будущем под влиянием нагрева и потоков звездного ветра (высокоскоростных частиц плазмы, испускаемых светилом) они тоже потеряют мощные атмосферы и превратятся в двойников Земли, Венеры и Марса.

Космический паноптикум

Экзопланеты весьма необычны. Одни движутся по сильно вытянутым орбитам, что приводит к существенным изменениям температуры, другие из-за чрезвычайно близкого расположения к светилу постоянно раскалены до +1 200°С. Есть экзопланеты, делающие полный оборот вокруг своей звезды всего за двое земных суток, настолько быстро они движутся по своим орбитам. Над некоторыми сияют сразу два и даже три «солнца» — эти планеты вращаются вокруг звезд, входящих в систему из двух или трех светил, расположенных близко друг к другу. Столь разнообразные свойства экзопланет на первых порах просто ошеломили астрономов. Пришлось пересмотреть многие устоявшиеся теоретические модели образования планетных систем, ведь современные представления о формировании планет из протопланетного облака вещества основаны на особенностях строения Солнечной системы. Считается, что в наиболее жаркой области вблизи Солнца остались тугоплавкие материалы — металлы и каменные породы, из которых образовались планеты земного типа. Газы улетучились в более прохладную, удаленную область, где и сконденсировались в планеты-гиганты. Часть газов, которая оказалась на самом краю, в наиболее холодной области, превратилась в лед, сформировав множество крошечных планетоидов. Однако среди экзопланет наблюдается совсем иная картина: газовые гиганты расположены почти вплотную к своим звездам. Теоретическое объяснение этих данных и первые результаты нового понимания процесса формирования и эволюции звезд и планет астрономы намерены обсудить в начале 2007 года на международной научной конференции в Университете Флориды.

Большинство обнаруженных экзопланет являются гигантскими газовыми шарами, подобными Юпитеру, с типичной массой около 100 масс Земли. Их около 170, то есть 90% от общего количества. Среди них различают пять разновидностей. Наиболее распространены «водные гиганты», названные так из-за того, что, судя по расстоянию от звезды, их температура должна быть такой же, как на Земле. Поэтому естественно ожидать, что они окутаны облаками из водяного пара или ледяных кристаллов. А в целом эти 54 прохладных «водных гиганта» должны иметь вид голубовато-белых шаров. Следующими по распространенности идут 42 «горячих Юпитера». Они находятся совсем близко от своих звезд (в 10 раз ближе, чем Земля от Солнца), и поэтому их температура — от +700 до +1 200°С. Предполагается, что атмосфера у них коричневато-багрового цвета с темными полосами облаков из графитовой пыли. Немного прохладнее на 37 экзопланетах с атмосферой синевато-сиреневого оттенка, названных «теплыми Юпитерами», температура которых от +200 до +600°С. В еще более прохладных областях планетных систем расположены 19 «сернокислых гигантов». Предполагается, что они окутаны облачным покрывалом из капелек серной кислоты — таким, как на Венере. Соединения серы могут придавать этим планетам желтовато-белую окраску. Еще дальше от соответствующих звезд расположены уже упомянутые «водные гиганты», а в самых холодных областях находятся 13 «двойников Юпитера», которые по температуре аналогичны настоящему Юпитеру (от –100 до –200°С на внешней поверхности облачного слоя) и, наверное, выглядят примерно так же — с голубовато-белыми и бежевыми полосами облачности, в которые вкраплены белые и оранжевые пятна крупных вихрей.

Кроме гигантских газовых планет в последние два года найдено полтора десятка экзопланет поменьше. Они сравнимы по массе с «малыми гигантами» Солнечной системы — Ураном и Нептуном (от 6 до 20 масс Земли). Астрономы назвали этот тип «Нептунами». Среди них выделяются четыре разновидности. Наиболее часто встречаются «горячие Нептуны», их обнаружено девять. Они расположены очень близко к своим звездам и поэтому сильно нагреты. Найдено также два «холодных Нептуна», или «ледяных гиганта», — аналогичных Нептуну из Солнечной системы. Кроме того, к этому же типу отнесены и две «суперземли» — массивные планеты земного типа, не имеющие столь плотной и толстой атмосферы, как у планет-гигантов. Одна из «суперземель» считается «горячей», напоминающей по своим характеристикам планету Венера с весьма вероятной вулканической активностью. На другой же, «холодной», предполагают наличие водного океана, за что ее уже успели неофициально окрестить Океанидой. Вообще же экзопланеты пока не имеют собственных названий и обозначаются буквой латинского алфавита, добавляемой к номеру звезды, вокруг которой они вращаются. «Холодная суперземля» — наименьшая из экзопланет. Ее открыли в 2005 году в результате совместных исследований 73 астрономов из 12 стран. Наблюдения велись на шести обсерваториях — в Чили, ЮАР, Австралии, Новой Зеландии и на Гавайских островах. От нас до этой планеты чрезвычайно далеко— 20 000 световых лет.

Космический телескоп Kepler предназначен для поиска планет, пригодных для жизни

Америка присоединяется

В 2008 году NASA планирует запустить в космос первый американский аппарат, предназначенный для изучения экзопланет. Это будет автоматическая станция Kepler. Она названа именем немецкого астронома, который в XVII веке установил законы движения планет вокруг Солнца. С помощью космического телескопа диаметром 95 см, способного одновременно следить за изменениями яркости 100 000 звезд, планируется найти около 50 планет размером с Землю и до 600 планет с массой в 2—3 раза больше земной. Поиск будет проводиться путем регистрации периодического ослабления света звезды, вызванного прохождением на ее фоне планеты. К сожалению, у этой простой и наглядной методики есть один недостаток — она позволяет увидеть только те планеты, которые оказываются на одной линии между Землей и звездой, а множество других, кружащихся в наклонных плоскостях, остаются незамеченными. За 4 года Kepler должен подробно изучить два сравнительно небольших участка неба, каждый размером с «ковш» созвездия Большой Медведицы. Результаты работы этого телескопа позволят построить своего рода «периодическую таблицу» планетных систем — классифицировать их по особенностям орбит и другим свойствам. Это даст представление о том, насколько типична или уникальна наша собственная Солнечная система и какие процессы привели к формированию планет, в том числе и Земли.

Галактическая экосфера

Наибольший интерес, конечно, вызывают те экзопланеты, на которых возможно существование жизни. Чтобы целенаправленно начать искать в космосе «братьев по разуму», надо сначала найти планету с твердой поверхностью, на которой гипотетически они могли бы жить. Вряд ли инопланетяне летают внутри атмосфер газовых гигантов или плавают в глубинах океанов. Кроме твердой поверхности нужны еще и комфортная температура, а также отсутствие вредных излучений, несовместимых с жизнью (по крайней мере, с известными нам формами жизни). Пригодными для обитания считаются такие планеты, где есть вода. Поэтому средняя температура на их поверхности должна быть около 0°С (она может существенно отклоняться от этой величины, но не превышать +100°С). Например, средняя температура на поверхности Земли +15°С, а размах колебаний от –90 до +60°С. Области космоса с условиями, благоприятными для развития жизни в том виде, который известен нам на Земле, астрономы называют «зонами обитания». Планеты земного типа и их спутники, находящиеся в таких зонах, — это наиболее вероятные места проявления внеземных форм жизни. Возникновение благоприятных условий возможно в тех случаях, когда планета располагается сразу в двух зонах обитания — в околозвездной и галактической.

Околозвездная зона обитания (иногда ее называют также «экосфера») — это воображаемая сферическая оболочка вокруг звезды, в пределах которой температура на поверхности планет допускает наличие воды. Чем жарче звезда, тем дальше от нее находится такая зона. В нашей Солнечной системе такие условия есть только на Земле. Ближайшие к ней планеты, Венера и Марс, расположены как раз на границах этого слоя — Венера — на жаркой, а Марс — на холодной. Так что местоположение Земли весьма удачно. Окажись она ближе к Солнцу, океаны испарятся, а поверхность станет раскаленной пустыней. Дальше от Солнца — произойдет глобальное оледенение и Земля превратится в морозную пустыню. Галактическая зона обитания представляет собой ту область пространства, которая безопасна для проявления жизни. Такая область должна находиться достаточно близко к центру галактики, чтобы содержать много тяжелых химических элементов, необходимых для формирования каменных планет. В то же время эта область должна быть на определенном удалении от центра галактики, чтобы избежать радиационных всплесков, возникающих при взрывах сверхновых звезд, а также — губительных столкновений с многочисленными кометами и астероидами, которые могут быть вызваны гравитационным воздействием блуждающих звезд. Наша Галактика, Млечный Путь, имеет зону обитания на расстоянии примерно 25 000 световых лет от своего центра. И вновь нам повезло с тем, что Солнечная система оказалась в подходящей области Млечного Пути, в которую входят, как считают астрономы, лишь около 5% от всех звезд нашей Галактики.

Будущие поиски планет земного типа возле других звезд, планируемые с помощью космических станций, нацелены именно на такие благоприятные для жизни области. Это позволит существенно ограничить зону поиска и даст надежду на обнаружение жизни вне Земли. Список из 5 000 наиболее перспективных звезд уже составлен. Первоочередному изучению будут подвергнуты окрестности 30 звезд из этого списка, расположение которых считается наиболее благоприятным для возникновения жизни.

«Флотилия» Darwin будет состоять из трех таких телескопов с рабочим зеркалом диаметром 3,5 м и солнцезащитным экраном 7,5 м

Инфракрасный взгляд на жизнь

Важный этап в исследованиях экзопланет начнется после запуска флотилии космических телескопов в 2015 году. Для этого потребуются целые две ракеты «Союз—Фрегат», стартующие с расположенного близ экватора космодрома Куру во Французской Гвиане (Южная Америка). Европейское космическое агентство назвало этот проект Darwin в честь знаменитого английского натуралиста Чарлза Дарвина, работы которого буквально перевернули сложившиеся к середине XIX века представления об эволюции живых организмов на Земле. Полтора века спустя что-то подобное, возможно, сделает и его космический тезка, но уже в отношении планет за пределами нашей Солнечной системы. Для этого на орбиту вокруг Солнца, в точку, расположенную в 1,5 миллиона км от Земли (в 4 раза дальше, чем Луна), должны быть отправлены сразу три телескопа с зеркалами диаметром 3,5 метра. Они будут вести наблюдения за экзопланетами земного типа в инфракрасном (тепловом) диапазоне. Эти три автоматические станции представляют собой единую систему, эффективность которой будет соответствовать телескопу с зеркалом гораздо большего размера. Они разместятся вдоль окружности диаметром 100 м, и их взаимное положение будет корректироваться лазерной системой. Для этого вместе с телескопами будет запущен и навигационный спутник, координирующий их местонахождение и помогающий ориентировать оптические оси всех трех телескопов строго в заданном направлении. С помощью дискообразных радиаторов инфракрасные фотоприемники будут охлаждаться до –240°С, чтобы обеспечить высокую чувствительность — в десятки раз большую, чем у нового космического телескопа James Webb. В отличие от предыдущих станций COROT и Kepler поиск признаков жизни будет вестись по заранее подготовленному списку и только около звезд, расположенных сравнительно близко от нас — не более 8 световых лет. Анализ спектров атмосфер экзопланет позволит выявить такие следы возможной жизнедеятельности, как наличие кислорода, углекислого газа, метана. Должны быть получены и первые изображения экзопланет, подобных Земле.

Планетный дозор

Первым специализированным спутником для поиска планет земного типа за пределами Солнечной системы станет COROT, старт которого намечен на середину октября этого года. На его борту — космический телескоп диаметром 30 см, предназначенный для наблюдений за периодическими изменениями яркости звезды, вызванными прохождением планеты на ее фоне. Полученные данные позволят определить наличие планеты, установить ее размер и особенности движения по орбите вокруг звезды. Этот проект разработан Национальным центром космических исследований Франции (CNES) при участии Европейского (ESA) и Бразильского (AEB) космических агентств. В подготовку аппаратуры внесли вклад специалисты из Австрии, Испании, Германии и Бельгии. С помощью этого спутника предполагается найти несколько десятков планет земного типа размером лишь в несколько раз больше Земли, которая является крупнейшей из «каменных» планет в нашей Солнечной системе. Это почти невозможно сделать, проводя наблюдения с Земли, где дрожание атмосферы препятствует фиксированию столь малых объектов — вот почему все обнаруженные до сих пор экзопланеты представляют собой гигантские образования размером с Нептун, Юпитер и даже еще крупнее. Каменные планеты земного типа в несколько раз меньше по диаметру и в десятки и сотни раз меньше по массе, но именно они представляют интерес при поиске внеземной жизни.

Научная аппаратура, установленная на спутнике COROT, берет не размером или количеством, а качеством — высокой чувствительностью. На спутнике расположены телескоп, состоящий из двух параболических зеркал с фокусным расстоянием 1,1 м и полем зрения примерно 3х3°, высокостабильная цифровая фотокамера и бортовой компьютер. Спутник будет летать вокруг Земли по полярной круговой орбите высотой 900 км. Первый этап наблюдений займет пять месяцев, в течение которых будут изучены две области неба. Общая продолжительность работы спутника составит два с половиной года. Весной 2006 года COROT был доставлен на космодром Байконур в Казахстане для проведения предполетных испытаний и установки на ракету-носитель. Запуск планируется на 15 октября этого года с помощью российской ракеты «Союз—Фрегат». На таких ракетах уже неоднократно выходили в космос европейские автоматические станции, направлявшиеся к Марсу и Венере. Кроме основной задачи по поиску экзопланет спутник выполнит наблюдения за «звездотрясениями» — колебаниями поверхностей звезд, вызванными процессами в их недрах.

Четыре века назад итальянский монах, доктор богословия и писатель Джордано Бруно полагал, что жизнь присутствует на всех небесных телах. Он считал, что «разумные животные» других миров могут сильно отличаться от людей, но более определенно представить себе, какова внеземная жизнь, не имел возможности, поскольку о природе планет в то время ничего не было известно. В своей уверенности о наличии жизни за пределами Земли он был не одинок. В наши дни один из первооткрывателей двойной спирали молекулы ДНК английский ученый Фрэнсис Крик, отмечая, что генетический код идентичен во всех живых объектах, говорил, что жизнь на Земле могла зародиться благодаря микроорганизмам, занесенным извне. Он даже вполне серьезно полагал, что мы, возможно, «до сих пор находимся под наблюдением более разумных существ с планеты, расположенной возле какой-нибудь соседней звезды». На что же может быть похожа внеземная жизнь? На поверхности небольших, но массивных планет, где велика сила тяжести, скорее всего, должны жить плоские, ползающие существа. А обитателям планет-гигантов придется парить в их плотной влажной атмосфере. Жизнь в водных оболочках планет — хоть в поверхностных, хоть в подледных — представить легче по аналогии с земными морями и океанами. Нет принципиальных преград для жизни и на небольших планетах, далеких от своего светила, — просто их обитатели будут вынуждены прятаться от холода в расселинах и собирать слабый свет похожим на цветок тюльпана отражателем.

Охотники за экзообъектами

Вслед за спутником COROT на поиски экзопланет должны ринуться другие космические станции. Причем каждый последующий полет будет осуществляться после анализа данных, полученных с ранее запущенных аппаратов. Это позволит вести целенаправленный поиск и сократит время обнаружения интересных объектов. Ближайший из запусков намечен на 2008 год: на вахту заступит американская автоматическая станция Kepler, с помощью которой планируется найти около 50 планет размером с Землю. Еще через год должен начаться полет второй американской станции — SIM (Space Interferometry Mission — «Космическая интерферометрия»), исследования которой охватят еще большее количество звезд. Предполагается получить сведения о нескольких тысячах экзопланет, в том числе — о сотнях планет земного типа. В конце 2011 года должен быть выведен в космос европейский аппарат Gaia (Global Astrometric Interferometer for Astrophysics — «Глобальный астрометрический интерферометр для астрофизики»), с помощью которого намечено отыскать до 10 000 экзопланет.

В 2013 году по совместному проекту США, Канады и Европы планируется запуск крупного космического телескопа JWST (James Webb Space Telescope). Этот гигант с зеркалом диаметром 6 метров, носящий имя бывшего директора NASA, призван заменить ветерана космической астрономии — телескоп «Хаббл». В числе его задач будет и поиск планет вне Солнечной системы. В том же году предстоит запуск комплекса из двух автоматических станций TPF (Terrestrial Planet Finder — «Поисковик планет земного типа»), предназначенного исключительно для наблюдений за атмосферами экзопланет, сходных с нашей Землей. С помощью этой космической обсерватории намечено искать обитаемые планеты, анализируя спектры их газовых оболочек для выявления водяного пара, углекислого газа и озона — газов, указывающих на возможность жизни. Наконец, в 2015 году Европейское космическое агентство отправит в космос целую флотилию телескопов Darwin, предназначенных для поиска признаков жизни вне Солнечной системы путем анализа состава атмосфер экзопланет.

Если космические исследования экзопланет пойдут по намеченным планам, то уже лет через десять можно ожидать первых надежных известий о планетах, благоприятных для жизни — данных о составе атмосфер вокруг них и даже сведений о строении их поверхностей