Сверхземля GJ 1214b и две ее луны на фоне материнской звезды глазами художника. Изображение CfA/David Aguilar

Суперземлям отказали в праве на жизнь

Суперземли – планеты, которые в несколько раз больше Земли, но меньше газовых гигантов – возможно, в принципе непригодны для жизни. По крайней мере, в том виде, в каком мы ее знаем. Такой вывод озвучили на днях ученые. Это не первый удар, который астрофизики наносят всем любителям помечтать о возможном контакте с жителями иных миров. Несмотря на обилие планет за пределами Солнечной системы, вероятность обнаружить среди них потенциально обитаемую, кажется, по-прежнему остается обидно низкой.

Люди мечтали найти братьев по разуму с тех пор, как осознали, что Земля – не уникальное образование, вокруг которого сосредоточено все бытие Вселенной, а всего лишь крохотный каменный шар в бесконечном космосе, набитом всевозможными удивительными объектами. Долгое время грезы об обитателях иных миров оставались уделом, преимущественно, фантастов и фантазеров, но в начале 1990-х годов отношение к гипотезам о жизни вне Солнечной системы резко поменялось. Причиной “коррекции курса” стали подтвержденные открытия планет у других звезд – так называемых экзопланет.

 

Иные миры

Первое более или менее убедительное сообщение об открытии планеты за пределами Солнечной системы было сделано в 1988 году канадскими астрономами Брюсом Кэмпбеллом (Bruce Campbell), Гордоном Уолкером (Gordon Walker) и Стефенсоном Янгом (Stephenson Yang). Исследователи обнаружили планету у звезды Гамма Цефея в созвездии Цефея, хотя окончательно научное сообщество признало их открытие только в 2002 году. Через четыре года после канадцев польский астроном Александр Вольщан и его коллега из США Дейл Фрейл (Dale Frail) заявили, что им удалось найти сразу две планеты, обращающиеся вокруг пульсара PSR 1257+12. В 1995 году Мишель Майор (Michel Mayor) и Дидье Квело (Didier Queloz) из университета Женевы отыскали планету у “нормальной” звезды – похожего на Солнце светила 51 Пегаса.

Телескоп Kepler за работой. Изображение с сайта nasa.gov
Телескоп Kepler за работой. Изображение с сайта nasa.gov

Постепенно ученые совершенствовали методики поиска экзопланет, и с каждым годом количество открытых небесных тел росло. Однако настоящий бум внесолнечной планетарной астрономии начался после запуска орбитального телескопа “Кеплер”. В отличие от наземных аппаратов, которые вынуждены вглядываться в небо сквозь толстый слой атмосферы, “Кеплер” видит потенциально “опланеченные” звезды напрямую. Телескоп ищет иные миры так называемым транзитным методом: он “ловит” периодические изменения яркости далеких светил, происходящие в тот момент, когда между оптикой “Кеплера” и звездой проходит планета. Подробнее о том, как именно работает аппарат, можно прочитать здесь.

К февралю 2011 года “Кеплер” обнаружил несколько сотен экзопланет. И хотя для того чтобы окончательно подтвердить существование большинства из них потребуются месяцы, а то и годы наблюдений (для полной уверенности, что обнаруженное колебание яркости действительно вызвано прохождением планеты по диску звезды, ученым нужно увидеть его несколько раз, а планеты, обращающиеся на далеких орбитах, тратят на один оборот вокруг светила немало времени), сейчас специалистами проекта подтверждено существование 77 внесолнечных планет. В кандидатах числятся еще больше 2,3 тысячи сигналов. Всего же астрономы, охотящиеся за экзопланетами, достоверно обнаружили 838 планет в 661 планетной системе (по состоянию на конец сентября 2012 года).

На первый взгляд, эти цифры кажутся весьма впечатляющими – особенно если учесть, что “Кеплер” и другие телескопы регулярно пополняют списки новыми кандидатами на почетное звание. И первое время после того, как поиск экзопланет был поставлен на поток, энтузиасты внеземного разума здорово приободрились. Однако довольно быстро стало ясно, что для жизни в ее привычном для землян понимании подходит лишь мизерная доля обнаруженных небесных тел. И это еще оптимистичная оценка.

 

Жесткие требования

В фантастической литературе можно найти описания всевозможных инопланетян, начиная от кремнийорганических гуманоидов и заканчивая разумными океанами. Но в реальности мы знаем только один достоверно существующий тип живых существ – собранные из цепочек углерода создания, способные выдерживать очень узкий интервал температур и обязательно нуждающиеся в жидкой воде. Под эти жесткие требования и нужно “подбирать” потенциально обитаемую планету.

Основная доля подтвержденных экзопланет через фильтр пригодности для жизни земного типа не проходит. Планеты практически не испускают излучения, которое может засечь телескоп, и, кроме того, они удалены от Земли на огромные расстояния, поэтому преимущество быть открытыми получают те объекты, которые банально больше остальных по размеру. А учитывая, что большинство технологий поиска косвенные, то есть ученые не видят планету непосредственно, а судят о ее присутствии по изменениям в параметрах звезды, то чем ближе кандидат к светилу, тем быстрее будет подтверждено его существование.

Еще один немаловажный фактор для оценки потенциальной обитаемости планеты – тип звезды, вокруг которой она обращается. Слишком яркие звезды будут “выжигать” на планете все живое и неживое, чересчур тусклые не смогут поддерживать воду в жидком состоянии. До определенной степени “неидеальность” светила можно корректировать расстоянием от него до планеты, но тут в игру вступает такая характеристика как стабильность звезды. Многие из них имеют неприятную “привычку” в какой-то момент взрываться – и если это происходит относительно быстро, по космическим меркам, то жизнь просто не успеет развиться. Но, согласно последним данным, большая часть звезд во Вселенной (до 90 процентов) относится к так называемому классу красных карликов. В отличие от своих более крупных сородичей, красные карлики живут очень долго, но зато у них есть масса иных недостатков, которые ставят под сомнение возможность того, что на планетах вокруг них может сформироваться жизнь.

Таким образом на сегодня большинство открытых планет относятся к классу так называемых “горячих Юпитеров”. Масса таких объектов сравнима с массой самого крупного “обитателя” Солнечной системы, а высота орбиты при этом не превышает орбиты Меркурия. Зачастую “горячие Юпитеры” располагаются так близко к своей звезде, что успевают обернуться вокруг нее за пару земных дней. Абсолютный рекорд пока принадлежит планете KOI-55.01, на которой год длится всего 5,8 земного часа (впрочем, “горячим Юпитером” эта планета, вероятно, была в прошлом – около 18,4 миллиона лет назад ее материнская звезда превратилась в красного гиганта и выжгла большую часть KOI-55.01, оставив только каменистую “сердцевину”).

Температура поверхности на “теплолюбивых” газовых гигантах достигает нескольких тысяч градусов, так что ни о какой земной жизни или хотя бы жидкой воде говорить не приходится. Пока ученые не могут однозначно ответить на вопрос, действительно ли в планетных системах Вселенной преобладают “горячие Юпитеры” или же их доминирование – всего лишь следствие несовершенства существующих методик поиска экзопланет, и со временем этот перекос выровняется.

Некоторое количество более перспективных в плане поиска жизни планет астрономы обнаружили уже сейчас. Например, в списке из примерно тысячи кандидатов в экзопланеты, обнародованном учеными из проекта “Кеплер” в феврале 2011 года, размер 68 объектов сравним с размером Земли, а 288 относятся к классу так называемых суперземель, то есть их диаметр не превышает десяти земных. И несколько из этих суперземель попадают в так называемую зону обитаемости своих звезд – то есть находятся не слишком далеко и не чересчур близко к светилу, а ровно на том расстоянии, которое допускает существование на поверхности планеты жидкой воды.

В зоне обитаемости могут располагаться не только суперземли, но и газовые гиганты, однако последний вариант тех, кто ищет внеземную жизнь, не слишком интересует. Гравитационное притяжение таких колоссальных объектов не позволит углеродным цепочкам сформировать сколько-нибудь сложные системы, из которых впоследствии могли бы получиться хрупкие объемные организмы, подобные земным. А вот суперземли, теоретически, вполне “благосклонны” к непрочным белковым созданиям.

 

Условно-пригодны

Термин “суперземля” очень удачен с маркетинговой точки зрения – он автоматом гарантирует повышенное внимание к астрономической новости, в которой встречается. Но его смысловая нагрузка зачастую вводит людей в заблуждение. Наша родная планета – очень удобное место для проживания: умеренный климат, достаточное количество воды, земли и солнечного света, стабильная атмосфера, магнитное поле, надежно защищающее от космического излучения. И далекая космическая суперземля как бы обещает все то же самое, но в увеличенном масштабе: океаны глубже, участки суши протяженнее, больше воздуха, тепла и света. В действительности же планета в несколько раз тяжелее Земли может оказаться весьма негостеприимным местом.

Самый очевидный неблагоприятный фактор – более сильное гравитационное притяжение. И хотя для планет чуть большего радиуса и в несколько раз большей массы разница будет не так велика, те формы жизни, которым нужно поднимать жидкости организма на значимую высоту (скажем, человек, не говоря уже о жирафах и секвойях), будут испытывать сложности. Тяжелее придется и всем остальным потенциальным обитателям, так как их внутренности будут весить больше, чем на Земле.

Что касается конкретных условий на суперземлях, то здесь астрофизики могут оперировать только теоретическими предположениями. Современные методики не позволяют разглядеть, что происходит на поверхности экзопланет: в самом лучшем случае ученые могут определить приблизительный состав элементов, которые входят в их состав, да и то – косвенно, ориентируясь на спектральные линии в излучении материнских звезд.

Иллюстрация того, как может выглядеть поверхность суперземли. Иллюстрация Craig O'Neill
Иллюстрация того, как может выглядеть поверхность суперземли. Иллюстрация Craig O’Neill

Тем не менее, большинство специалистов сегодня сходятся, что геология суперземель должна сильно отличаться от земной. Часть исследователей полагает, что на таких планетах невозможно найти спокойное местечко – находящиеся под более высоким, чем на Земле, давлением внешние оболочки коры должны постоянно “рваться” и выпускать наружу потоки раскаленной магмы. Другие модели, напротив, предсказывают, что под воздействием повышенной гравитации внешние твердые породы будут только крепчать, и жидкие составляющие планеты останутся внутри. Такой сценарий самым неблагоприятным образом отразится на перспективах развития жизни, так как именно бесконечные извержения на ранних этапах развития Земли насытили ее атмосферу необходимыми для первых обитателей веществами. Например, углекислым газом – главным “ответственным” за парниковый эффект, который поддерживает климат на Земле мягким и теплым, а воду – жидкой.

Авторы новой работы, представленной на днях на Европейском конгрессе по планетарным наукам, сделали еще более радикальный вывод: согласно расчетам ученых, суперземли могут вообще не дифференцироваться на металлическое ядро, мантию и каменистую кору. Давление внутри увеличенных “аналогов” нашей планеты во много раз превышает земное, и в таких условиях, как определили специалисты, работавшие под руководством Влада Стаменковича из Массачусетского технологического института, вязкость и температура плавления составляющих суперземлю элементов сильно возрастают.

“В настоящее время считается, что планеты земного типа в Солнечной системе сформировались очень быстро – примерно за 50 миллионов лет, – говорит Стаменкович. – Время образования коры существенным образом зависит от ее вязкости. Согласно нашим расчетам, этот показатель, а также температура плавления для суперземель оказывается очень высоким, и этот факт указывает, что кора либо формировалась медленно, либо не формировалась вовсе”.

Даже если разделение на фракции внутри суперземель происходит, то передача тепла между ними – конвекция – идет очень медленно. Стаменкович и коллеги рассмотрели несколько возможных вариантов, отличающихся начальными параметрами, но во всех случаях у них получался один и тот же результат: слишком медленная конвекция не позволяет теплу эффективно перемещаться внутри суперземель, и в таких условия активная тектоника плит невозможна. Специалисты показали, что чем больше масса суперземли, тем короче будет период вулканизма.

Новая работа, как и любое другое теоретическое изыскание, безусловно, требует дополнительной проверки. Но независимо от ее результатов, исследование Стаменковича и коллег еще раз подчеркивает, насколько мало мы пока знаем о внесолнечных планетах – и насколько преждевременно делать какие-либо выводы об их пригодности для развития жизни.