Планета надежд

Почему малы шансы найти жизнь на ближайшей экзопланете

Борис Штерн 01.11.2016, 09:48
NASA/CXC/M.Weiss
Почему в жизнь на ближайшей открытой экзопланете остается только верить и как открытие Проксимы b подстегнет развитие астрономии, рассуждает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, главный редактор газеты «Троицкий вариант — Наука» Борис Штерн.

Эпоха великих географических открытий давно закончилась, но последние полвека нечто подобное происходит в астрономии: квазары, пульсары, черные дыры, темная материя, темная энергия, экзопланеты. В новом тысячелетии экзопланеты пошли косяком: их открыто уже три с лишним тысячи, а если добавить «кандидатов» из каталога космического телескопа Kepler, то пять с лишним тысяч.

Но среди этого изобилия время от времени попадаются экземпляры, будоражащие воображение. Самое волнующее открытие сделано летом этого года: у звезды Проксима Центавра обнаружена планета.



Данные, демонстрирующие открытие Проксимы b. По горизонтальной оси – фаза орбитального периода...

Данные, демонстрирующие открытие Проксимы b. По горизонтальной оси – фаза орбитального периода (11.2 дня), выраженная в земных сутках. По вертикальной оси – лучевая скорость звезды (т.е. скорость в проекции на луч зрения). Колебания лучевой скорости возникают из-за того, что звезда с планетой вращаются вокруг общего центра тяжести. Такой метод поиска планет у звезд называется «спектрометрическим», именно этим методом были открыты первые экзопланеты. Красные точки – результаты измерений 2016 года, когда были сведены к минимуму систематические ошибки. Остальные точки – более ранние измерения, уже по ним можно было видеть планету, но не настолько надежно.

Guillem Anglada-Escude et al./School of Physics and Astronomy/Queen Mary University of London/Max Planck Institutw for Astronomy

Все, что нам на сегодняшний день напрямую известно об этой планете, получившей название Проксима b, выводится из этого рисунка: период ее обращения вокруг звезды 11,2 дня, масса не меньше 1,3 массы Земли. Конкретное значение массы зависит от неизвестного угла наклона орбиты к лучу зрения: может быть и 5, и 10 масс Земли, но вероятность этого невелика.

Размер орбиты в 20 раз меньше, чем у Земли, — 0,05 астрономической единицы.

При этом по своей «цене» Проксима b перевешивает пару тысяч других открытых экзопланет, взятых наугад. Дело в том, что:
— Проксима Центавра — ближайшая к нам из звезд (4,2 светового года);
— Проксима b находится в «зоне обитаемости», то есть она получает столько тепла (70% от обогрева Земли), что на ней в принципе могут существовать жидкая вода и все необходимое для жизни;
— Планета близка к Земле по массе и, видимо, по составу.

Этого вполне достаточно, чтобы открытие стало сенсацией: под боком у нас (на самом деле четыре световых года — безумно далеко) есть планета, потенциально пригодная для жизни. Уже вышло несколько статей, посвященных планете. В их числе обзор довольно представительной сборной команды планетологов.

Все захватывающе интересно и в то же время драматично. Драма заключается в том, что планета может быть и хорошая, но звезда плохая. Проксима Центавра — красный карлик, его масса 0,12 массы Солнца, светимость 0,0017 солнечной, возраст 4,8 млрд лет.

Увы, красные карлики, несмотря на их гигантский век (сотни миллиардов лет), плохо приспособлены к роли приюта жизни.

Тут играют роль сразу три обстоятельства:
— В отличие от звезд типа Солнца, красные карлики сильно меняют яркость на своем веку. Первые миллионы лет они очень ярки — в сотни раз ярче, чем в установившемся режиме. Это значит, что там, где сейчас зона обитаемости, вначале при рождении планет было слишком жарко и сухо.
— Из-за слабой светимости зона обитаемости находится близко к звезде, где сильны приливные силы (тяготение пропорционально 1/R2, а приливная сила — 1 /R3). Из-за этого планета попадает в так называемое приливное замыкание: либо повернута одной стороной к звезде, либо, если повезет и орбита слегка вытянутая, попадает в резонанс 3:2 — сутки на планете равны двум годам, то есть двум периодам обращения вокруг звезды. В таком резонансе находится Меркурий;
— Красные карлики имеют очень активную магнитосферу со всеми связанными с ней «прелестями»: сильное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, мощные вспышки, сильный звездный ветер.

Активность возникает из-за того, что у таких звезд есть толстый слой, где энергия из центра наружу может переноситься только путем конвекции. Конвекция генерирует хаотическое магнитное поле, которое и вызывает вышеперечисленные явления. У Солнца тоже есть конвективная зона, но не столь глубокая.

В большинстве статей, вышедших с момента объявления об открытии, авторы все-таки стараются найти лазейки — нарисовать сценарий, когда планета выдерживает роковые обстоятельства и остается гостеприимной для жизни (см., например, эту).

Прежде всего, планете нужно достаточно воды и атмосферных газов. С водой проблема: когда формировалась планета, звезда светила на два порядка ярче и загнала всю воду на периферию протопланетного диска, примерно на астрономическую единицу или около того. Вода на планете может появиться только из пространства дальше снеговой линии: из области, где сохранились глыбы льда. Земля тоже получила воду из-за снеговой линии, которая у нас находится на уровне пояса астероидов. Здесь сильно помог Юпитер, возмущая орбиты ледяных тел, часть из которых упали на Землю. Но у Проксимы Центавра нет юпитера (его бы нашли тем же методом), а требуемые возмущения орбит для питания Проксимы b оказываются гораздо больше и необходимая «прицельность» выше.

Но есть выход! Проксима b могла образоваться гораздо дальше от звезды — за снеговой линией, набрать там много воды и впоследствии мигрировать к звезде. Мы точно знаем, что планеты могут мигрировать: это демонстрируют «горячие юпитеры», гигантские планеты на тесных орбитах, где они никак не могли образоваться. Такой сценарий подтверждается численным моделированием — люди считали на суперкомпьютерах, как эволюционирует протопланетный диск, как в нем рождаются планеты и что с ними происходит потом.

Ответ положителен: рождение планеты за снеговой линией с последующей миграцией ближе к звезде — распространенное явление.

Если есть вода и углекислый газ с его парниковым эффектом, то приливное замыкание не так уж страшно: тепло эффективно переносится с дневной на ночную сторону.

Если замыкание произошло в форме резонанса 3:2 (сутки равны 22,4 земных), то все становится еще лучше: в широкой области параметров (количество воды на поверхности и СО2 в атмосфере) на всей планете может существовать жидкая вода в виде озер или океана.

Главное, чтобы были вода и газы, но как раз с этим требованием не все так просто. Допустим, планета с рождения имеет воду и хорошую атмосферу. Как сказано выше, Проксима Центавра очень активна — испускает интенсивное жесткое излучение и сильный звездный ветер. Излучение само по себе не так страшно — толстая атмосфера служит хорошей защитой от него.

Хуже то, что это излучение и особенно звездный ветер истощают атмосферу, «обдирают» ее.

Наша атмосфера защищена магнитным полем Земли. Солнечный ветер не проникает в земную магнитосферу, обтекая ее, как вода речной валун, лишь слегка ее деформирует. Но в случае Проксимы b ветер гораздо сильнее, а магнитное поле, возможно, слабее. Дело в том, что планетарное поле связано с вращением планеты, а Проксима b вращается много медленней Земли. Ветер может «прогнуть» слабую магнитосферу до верхних слоев атмосферы и постепенно «сдуть» атмосферные газы и через водяной пар — все океаны и озера планеты.

Расчеты показывают, что за истекшие миллиарды лет атмосфера и океаны могли быть выметены звездным ветром многократно.

Но и здесь остается надежда. Во-первых, у Проксимы b все-таки может существовать приличное магнитное поле — планета большая, и в ней, скорее всего, сильна конвекция, та, что дает на Земле дрейф континентов. А конвекция — составная часть механизма генерации планетарного поля. Во-вторых, возможны сложные защитные механизмы — например, генерация дополнительного магнитного поля за счет взаимодействия ветра. Такое поле может играть роль экрана.

Так или иначе, есть отягчающие обстоятельства, но есть и надежда. Нам повезло: Проксима Центавра, будучи заурядным красным карликом, преподнесла нам хороший подарок, пробуждающий в широкой публике интерес к окружающей Вселенной и дающий хороший стимул для развития технологии астрономических наблюдений.

Проксима b поднимает целый ряд вопросов, которые не вмещаются в одну заметку: каковы перспективы наблюдений новооткрытой планеты, сможем ли мы в обозримом будущем выяснить, есть ли у планеты атмосфера и жидкая вода, смогут ли люди послать туда (или на другие многообещающие экзопланеты) зонды. И, чем черт не шутит, может быть, даже колонизовать их когда-то (см., например, «Ковчег 47 Либра», хотя это уже чистая фантастика). Так что продолжение следует.