Миры под красным солнцем

Большой раскаленный огненный шар постоянно висит в небе. Тени от больших камней, холмов и гор не меняются тысячелетиями. Зато по небу несутся быстрые облака, принося холодный влажный воздух с полушария, где царит вечная ночь. Иногда порывы ветра настолько сильны, что могут поднять в воздух не только зазевавшегося астронавта, но и тяжелую технику. Есть ли в этом мире место для живых организмов? Или планеты у красных звезд – это безжизненные космические тела с адской жарой на дневной стороне и лютым холодом на ночной? Этот вопрос возникает в научной среде уже не первый раз, и тому есть несколько причин.

Поиск экзопланет – это довольно сложная научная задача, поскольку большую их часть мы не можем наблюдать непосредственно в телескоп. Способов их обнаружить довольно много, но чаще всего в сводках новостей упоминаются метод лучевых скоростей (метод Доплера) и транзитный метод. Суть первого состоит в том, что ученые исследуют спектр звезды, пытаясь с помощью эффекта Доплера заметить в нем признаки наличия одной или нескольких планет. Дело в том, что в процессе своего орбитального движения планета тоже притягивает к себе звезду, заставляя ее как бы «покачиваться» в такт периода обращения.

Амплитуда таких покачиваний зависит от массы планеты, расстояния между планетой и звездой, а также угла, под которым на орбиту планеты смотрит наблюдатель с Земли. Если экзопланета достаточно массивна и вращается близко к своей звезде, а из Солнечной системы ее орбита видна с ребра, то шансы ее обнаружить будут высоки. Однако с увеличением радиуса орбиты или уменьшением массы чужой планеты найти ее становится все сложнее. Так что этот метод гораздо эффективнее будет находить тяжелые планеты на близких к звезде орбитах. Более того, методом лучевых скоростей определяют лишь нижнее возможное значение массы планеты, так как, изучая смещение спектральных линий, исследователи не могут узнать угол, под которым видна чужая звездная система. Именно этим способом были открыты планеты у Проксимы Центавра и звезды Gliese 581.

Для того, чтобы вести поиски вторым методом, ученые очень точно измеряют блеск звезды, пытаясь обнаружить тот момент, когда экзопланета пройдет между ней и Землей. В этот момент яркость звезды немного упадет, а исследователи смогут сделать некоторые выводы о параметрах чужой звездной системы. Метод интересен и тем, что в некоторых случаях позволяет получить представление об атмосфере экзопланеты. Дело в том, что при транзите свет звезды проходит через верхние слои атмосферы, поэтому, анализируя спектры, можно попытаться хотя бы грубо оценить ее химический состав. Например, таким способом астрономы обнаружили в атмосфере планеты HD 209458b, более известной как Осирис, следы кислорода и углерода.

Правда, исследовать Осирис несколько проще, ведь это огромная планета, немногим меньше Юпитера по массе, но расположенная чрезвычайно близко к своей звезде. К минусам транзитного метода можно отнести низкую вероятность того, что плоскость орбиты планеты лежит прямо на луче зрения между Солнечной системой и другой звездой. Вероятность оценивается как отношение радиуса внесолнечной планеты к радиусу звезды. Более того, эта вероятность будет убывать с увеличением радиуса орбиты и уменьшением размера экзопланеты. Например, вероятность обнаружить с соседних звезд транзитным методом нашу Землю составляет всего 0,47%. И даже если орбиты Земли и Солнца окажутся у какого-нибудь инопланетного наблюдателя на одном луче зрения, это вовсе не гарантирует точное обнаружение нашей планеты. Для надежного подтверждения проход Земли по диску Солнца необходимо было бы заметить несколько раз, чтобы безошибочно определить период обращения. Частично ситуацию спасает то, что транзитным методом можно просматривать сразу большое количество звезд. Например, знаменитый телескоп «Кеплер» непрерывно наблюдает примерно 100 тысяч звезд. Транзитный метод, как и метод лучевых скоростей, будет более чувствителен к крупным планетам на тесных орбитах.

Конечно, кроме лучевых скоростей и транзитов есть еще несколько методов, позволяющих обнаружить внесолнечные планеты. Например, существуют метод гравитационного микролинзирования, астрометрия или прямые оптические наблюдения. Эти способы как раз более эффективны для планет, находящихся на относительно больших расстояниях от своих звезд. Однако пока все эти методы поиска далеко не так эффективны, и счет планет, открытых с их помощью, не превышает несколько десятков.

Внезапные герои

Безусловно, многим бы хотелось обнаружить планету, пригодную для жизни, «вторую Землю», как прозвали ее некоторые журналисты. Однако у нас есть всего один известный пример возникновения на планете жизни – наша собственная Земля. Чтобы упростить постановку задачи, ученые ввели концепцию так называемой «обитаемой зоны», или «зоны Златовласки». Это область пространства вокруг звезды, где количество получаемой энергии достаточно для существования жидкой воды на поверхности. Конечно, такая концепция не учитывает, например, отражательную способность экзопланеты, состав атмосферы, наклон оси и так далее, но позволяет примерно прикинуть распространенность интересующих нас космических тел.

Название «зона Златовласки» связано со сказкой о трех медведях (в оригинале – «Златовласка и три медведя»), в которой девочка, оказавшись в доме трех медведей, пытается устроиться там с комфортом: пробует кашу из разных мисок и лежит на разных кроватях. И первой звездой, где удалось найти планету в зоне обитаемости, стала Gliese 581. Сразу две планеты, Gliese 581 c и d, на теплой и холодной границе зоны обитаемости, были обнаружены методом лучевых скоростей на спектрографе HARPS обсерватории Ла-Силья в Чили. Причем, судя по нижней границе их возможных масс (5.5 и 7 масс Земли соответственно), это вполне могут быть каменистые тела.

Позже, в 2010 году, ученые из Калифорнийского университета в Санта-Крузе и Института Карнеги в Вашингтоне объявили об обнаружении планеты Gliese 581 g, которая располагается прямо посередине зоны обитаемости. Планете даже присвоили неофициальное имя – Зармина – в честь жены руководителя группы поиска экзопланет Стивена Вогта. Открытие всколыхнуло общественность. Звездная система теперь постоянно появлялась в новостных сводках «желтых» газет и на страницах фантастических произведений. Именно с планеты Gliese 581 g прибыли злобные пришельцы, атаковавшие Землю в фильме «Морской бой» 2012 года. Однако другие научные группы не подтвердили открытие Gliese 581 g, объясняя результаты скорее ошибкой в обработке наблюдений и активностью самой звезды. Препирательства группы Вогта с другими «экзопланетчиками» продолжались несколько лет и завершились не в его пользу. Зармина существовала, скорее всего, только в воображении исследователей.

Но новые открытия не заставили себя долго ждать. С появлением телескопа Kepler планеты в обитаемой зоне посыпались одна за другой. Kepler-186f, Kepler-438 b, Kepler-296 e, Kepler-442 b и многие другие экзопланеты были обнаружены за время работы этого космического телескопа. Но оказалось, что подавляющее большинство из них объединяет одно общее свойство – они все вращаются вокруг красных карликов. Красные карлики – это маломассивные и холодные звезды с температурой поверхности около 3500K. Это не сильно превышает температуру спирали лампы накаливания. Такие звезды тускло светят, но зато долго живут, так как очень медленно расходуют запасы водорода. Красный карлик массой в 10 раз меньше, чем Солнце, в теории будет светить триллионы лет, что на много порядков превышает возраст Вселенной. Кстати, недавно открытые Проксима b и планеты системы TRAPPIST-1 также вращаются вокруг подобных тусклых звезд. Проксима b – это ближайшая к нам экзопланета, причем расположена она в зоне обитаемости.

Скорее всего, это каменистое тело, значит, и существование морей и океанов там не исключено при наличии атмосферы. Правда, планета была открыта методом лучевых скоростей, поэтому точное значение ее массы и плотности мы пока не знаем. Ну, а у звезды TRAPPIST-1 сразу несколько планет теоретически могут иметь условия для существования жидкой воды на поверхности. На самом деле такое обилие планет в зоне жизни красных карликов вовсе не значит, что там они появляются чаще, чем, например, у желтых звезд. Поскольку звезды поздних спектральных классов (холодные и красные) излучают иногда в 10 000 раз меньше энергии, чем Солнце, зона обитаемости расположена к ним значительно ближе. И здесь уже начинает работать выборка методов поиска внесолнечных планет. Если «зона Златовласки» расположена ближе к звезде, значит, в ней проще отыскать экзопланеты. Более того, считается, что красные карлики – это самый распространенный тип звездного населения, и в нашей Галактике их примерно 70%. Выходит, и открывать мы их будем гораздо чаще.

TRAPPIST-1 в представлении художника во время транзита двух из семи известных планет / ©ESA

Миры под красным солнцем

После первых публикаций об обнаружении планет у Gliese 581 в научной среде разгорелся спор об их возможной обитаемости. Если бы жизнь могла возникнуть и развиваться у красных звезд, это серьезно повысило бы ее распространенность во Вселенной. Более того, биосфера на планетах под красным солнцем могла бы существовать гораздо дольше, чем земная, а значит, и шансов развиться до возникновения разумного вида было бы больше. Ведь даже наше светило, казалось бы, такая стабильная звезда, через 1 млрд лет может стать настолько яркой, что поверхность Земли превратится в пустыню. Безусловно, жизнь сохранится под поверхностью, но она будет скорее выживать, а не развиваться. А вот красный долгожитель мог бы поддерживать свою биосферу десятки, если не сотни миллиардов лет. Это заманчивая идея, но исследования показывают, что с красными карликами все далеко не так просто. И чтобы жизнь смогла возникнуть и развиваться в такой звездной системе, ей придется преодолеть множество очень серьезных проблем.

Приливный захват

Когда мы смотрим на Луну, мы всегда видим один и тот же рисунок морей – темные пятна на поверхности нашего спутника. Это происходит потому, что Земля и ее спутник вращаются синхронно и один оборот вокруг своей оси Луна делает за то же время, за которое обходит Землю. И это не совпадение. Ее вращение вокруг оси приостановили приливные силы со стороны нашей планеты. И такая картина весьма распространена в Солнечной системе. Спутники Марса и планет-гигантов, система Плутон-Харон – перечислять космические тела с синхронным вращением можно долго. Даже Меркурий, который на первый взгляд этому принципу не подчиняется, тоже находится в орбитальном резонансе. Звездные сутки там длятся 58.65 земных, а оборот вокруг Солнца планета делает за 88 дней. То есть сутки Меркурия длятся 2/3 его года. Кстати, из-за этого эффекта, а также довольно вытянутой орбиты планеты, на небосводе Меркурия случаются моменты, когда движение Солнца по небу вдруг останавливается, а потом идет в обратном направлении.

Расчеты показывают, что, скорее всего, все планеты в зоне обитаемости красных карликов будут всегда обращены к звезде одним полушарием. В лучшем случае возможен резонанс по типу вращения Меркурия. Долгое время считалось, что в таких условиях одно полушарие будет раскалено под постоянными прямыми лучами светила, а другое будет царством вечного холода. Более того, на ночной стороне будет возможно даже замерзание некоторых атмосферных газов.

Но модель атмосферы захваченных приливными силами землеподобных планет, созданная учеными из Калифорнийского технологического института в 2010 году, показывает, что даже при медленном вращении воздушной оболочки тепло будет достаточно эффективно переноситься и на ночную сторону. В итоге температура ночной стороны не должна опуститься ниже 240К (–33 Со). А еще по такой планете должны гулять довольно сильные ветры. Согласно моделям атмосфер, разработанным Людмилой Каронэ и ее коллегами из Лёвенского католического университета, в верхних слоях атмосферы должен возникать эффект суперротации. Вдоль экватора такой планеты постоянно циркулирует очень быстрый ветер, скорость которого достигает 300км/ч и даже выше. Авиаперевозки в таком мире были бы очень рискованным делом.

Другая 3D-симуляция, проведенная группой ученых под руководством Маноджа Джоши, показала, что достаточно лишь 10% от давления земной атмосферы, чтобы началась эффективная перекачка тепла на ночную сторону планеты. Из этой модели также следует, что в подсолнечой точке планеты (области, расположенной ближе всего к звезде) будет не выжженная пустыня, а гигантский атмосферный циклон – вечный ураган, который не движется, а стоит на одном месте. Эти данные были использованы каналом National Geographic Channel при создании документального мини-сериала «Аурелия и Голубая луна», где сам Джоши выступал в качестве консультанта. Правда, для развития жизни мало лишь одной комфортной температуры.

Дальнейшие исследования показали, что если экзопланета имеет не очень большой запас воды, то существует риск того, что большая ее часть будет перемещаться на ночную сторону вместе с ветрами и там замерзать. Постепенно массы льда будут перемещаться с ночной стороны обратно, но тем не менее есть риск, что планета станет сухой пустыней. Насколько быстро влага будет переноситься на ночную сторону и обратно, зависит от многих факторов, в том числе конфигурации материков, химического состава и плотности атмосферы и так далее. В то же время достаточно глубокий океан будет оставаться жидким и подо льдом, что также предотвратит его полное вымерзание. Кстати, моделирование самого процесса формирования землеподобных планет у красных карликов как раз показывает гораздо более высокое содержание воды в сравнении с Землей. Работа Янна Алиберта и Вилли Бенза, опубликованная в журнале Astronomy and Astrophysics, показывает, что в некоторых случаях доля H2O может доходить до 10% по массе. Интересно, что если планеты, наоборот, обладают плотной атмосферой, то существует вероятность преодолеть приливный захват. Момент вращения плотной атмосферы будет передаваться планете, за счет чего на ней могут снова начать сменяться день и ночь. Правда, эти дни и ночи могут длиться довольно долго.

Переменность

Другая, еще более серьезная проблема состоит в том, что красные карлики часто весьма неспокойные объекты. Большая их часть – это переменные звезды, то есть звезды, меняющие светимость в результате некоторых происходящих внутри или возле них физических процессов. Например, довольно часто эти звезды демонстрируют переменность типа BY Дракона. Вариации блеска при таком типе активности связаны с вращением звезды вокруг своей оси, так как ее поверхность покрыта большим числом пятен, аналогичных солнечным. Солнечные пятна – это области выхода в фотосферу сильных (до нескольких тысяч гаусс) магнитных полей, которые препятствуют переносу тепла из более глубоких слоев. Таким образом, температура у пятен ниже, чем у окружающей фотосферы, отчего в телескоп со светофильтром они кажутся темнее.
Пятна, подобные солнечным, присутствуют и на красных карликах, однако занимают гораздо большую площадь. Как результат, в короткое время яркость звезды может измениться на 40%, что, скорее всего, негативно скажется на гипотетической жизни.

Но куда более опасное свойство красных звезд – их вспышечная активность. Значительная часть красных карликов относится к переменным звездам типа UV Кита. Это вспыхивающие звезды, которые в момент вспышки увеличивают светимость в несколько раз, причем в диапазоне от радио- до рентгеновского. Сами вспышки могут длиться от минут до нескольких часов, а интервал между ними – от часа до нескольких суток. Ученые считают, что природа этих вспышек такая же, как и у вспышек на Солнце, однако мощность значительно выше. Кроме повышения светимости во всех диапазонах в момент вспышки происходит выброс заряженных частиц, которые способствуют потере атмосферы, особенно легких элементов, таких как водород. К переменным звездам типа UV Кита относится и знаменитая Проксима Центавра. Но что говорят научные исследования о возможности противостоять столь неблагоприятной среде?

Проксима Центавра, снимок телескопа «Хаббл» / ©NASA

По мнению некоторых астрофизиков – например, по мнению популяризатора науки и астронома из Университета Южного Иллинойса Памелы Гэй, – большая часть красных карликов активна примерно первые 1,2 млрд лет жизни, после чего у них снижается и частота, и мощность вспышек. Теоретически в случае частичного сохранения или повторного появления атмосферы, биосфера могла бы начать развиваться уже после прохождения звездой активной стадии эволюции. Но далеко не все ученые придерживаются мнения о коротком этапе активной фазы. Вот что по этому поводу Naked Science рассказал ведущий научный сотрудник отдела нестационарных звезд и звездной спектроскопии Института астрономии РАН Николай Самусь: «У красных карликов очень распространена вспышечная активность. Она должна затухать с возрастом, но красные карлики совсем поздних классов и действительно низкой светимости «стареют» так долго, что все реально наблюдаемые из них можно считать молодыми. В целом среди карликов класса M не менее четверти – Me (активные карлики с мощными спектральными линиями излучения. – Прим. ред.), и практически все они имеют либо пятенную, либо вспышечную, либо обе переменности сразу. На поздних подклассах M переменно до 100% звезд». Кстати, возраст той самой Проксимы Центавра почти 5 млрд лет, однако звезда остается весьма активной и регулярно демонстрирует мощные вспышки.

Ситуацию частично спасает наличие у планеты магнитного поля. Расчеты показывают, что даже медленного вращения приливно захваченных планет будет достаточно для генерации магнитного поля все время, пока внутренняя часть планеты остается расплавленной. Но моделирование темпов потери атмосфер, проведенное астрофизиком Хорхе Зулуага и его коллегами, показало, что даже при условии наличия у планеты мощного магнитного поля она будет довольно интенсивно терять атмосферу из-за взаимодействия с веществом, выброшенным в процессе вспышки. Согласно этому исследованию, немного лучше обстоит ситуация у суперземель массой в 3 и более раза выше земной, но и там потери значительны. В соответствии с этой моделью экзопланета Gliese 667Cc должна была бы уже полностью лишиться атмосферы, но вот Gliese 581d и HD 85512b ее должны были сохранить. Интересно, что более ранние модели, например, исследование Максима Кродаченко и его коллег, опубликованное в журнале Astrobiology, предсказывало, наоборот, очень слабые магнитные поля планеты, не способные защитить атмосферу от мощных выбросов вещества звезды.

Планета HD 85512 b в представлении художника / ©NASA

В настоящее время исследования красных карликов осложнены тем, что это довольно тусклые звезды, которые сложно изучать на больших расстояниях. Предстоит еще ответить на вопрос о том, какая доля этих звезд остается активной миллиарды лет и от чего это зависит. И Проксима Центавра, и Gliese 581, и даже недавний герой новостных сводок TRAPPIST-1 демонстрируют вспышечную активность, а значит, атмосферы планет будут облучаться и ультрафиолетом, и потоком заряженных частиц. Модели в основном показывают возможность сохранить атмосферу даже в таких жестких условиях, но вопрос о возможности существования биосферы пока открыт. Кстати, уже в начале 2017 года Хорхе Зулуага опубликовал статью, в которой показал возможность Проксимы Центавра b иметь мощное магнитное поле.

Биосфера

Но, допустим, на планете, несмотря на все трудности, появились примитивные формы жизни. На Земле фотосинтез – это энергетическая основа всего живого, кроме бактерий, питающихся неорганическими веществами, например серобактерий. Большая часть атмосферного кислорода – это побочный продукт фотосинтеза. Однако может ли фотосинтез использовать свет красного солнца? Существует несколько форм хлорофилла, использующих свет разных участков спектра. В основном это хлорофиллы а и б, которые немного отличаются поглощаемыми частотами. В основном хлорофилл высших растений поглощает синий и красный участок солнечного спектра, отчего листья кажутся зелеными. В зависимости от условий освещения соотношение между двумя типами хлорофилла и его концентрация могут меняться. Например, у тенелюбивых растений содержание хлорофилла может быть в 5–10 раз выше, чем у растений, любящих яркий свет. Интересное приспособление существует у красных водорослей, которые благодаря дополнительным пигментам могут поглощать свет почти всей видимой части спектра.

В 2014 году был обнаружен теневыносливый штамм цианобактерий Leptolyngbya JSC-1, живущих в горячих источниках. Эти бактерии способны использовать свет ближнего ИК-диапазона (от 700 до 800 нм). Интересно, что при попадании в более освещенную местность эта цианобактерия способна перестраивать фотосинтезирующий механизм. Также обнадеживающая информация поступает и со дна океана. Другая международная группа биологов обнаружила в окрестностях глубоководного термального источника у побережья Коста-Рики серобактерию GSB1, содержащую хлорофилл. Поскольку солнечный свет не проникает на глубину 2,4 км, исследователи предположили, что серобактерия использует инфракрасный источник света, испускаемый горячими гидротермальными источниками (~750 нм). Исследование было опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences. Таким образом, гипотетические формы жизни красного карлика не должны погибнуть голодной смертью.

А что дальше?

В настоящее время компьютерное моделирование – это едва ли не единственный способ оценить условия на поверхности экзопланеты у красного карлика. Наблюдательная техника пока не способна уточнить химический состав и уж тем более различить какие-нибудь детали на поверхности. Но результаты моделирования зависят от многих факторов, а иногда расчеты разных научных групп дают чуть ли не противоположные результаты. Окончательно разобраться в вопросе жизнепригодности красных карликов помогут новые телескопы. В 2020 году должен состояться запуск космического телескопа имени Джеймса Уэбба. Предполагается, что он сможет проводить спектроскопические исследования атмосфер некоторых экзопланет. Также в пустыне Атакама в Чили уже идет строительство телескопа E-ELT (European Extremely Large Telescope), диаметр главного зеркала которого составит почти 40 метров. Более далекие проекты предполагают запуск нескольких космических телескопов, способных работать в режиме интерферометра, получая при этом сверхчеткое разрешение. Также в последнее время в научной среде набирает популярность еще более экстравагантный проект – наблюдение экзопланеты с помощью гравитационной линзы от Солнца. Суть метода в том, что небольшой телескоп отправляется на расстояние 547 астрономических единиц от Солнца в его так называемый гравитационный фокус. Гравитационное линзирование – это процесс искривления электромагнитного излучения полем тяготения тяжелого объекта, подобно тому, как обычная линза искривляет световой луч. Фактически человечество получит гигантский телескоп с Солнцем в роли объектива, с помощью которого получится увидеть рельеф, очертания материков и облачный покров далеких экзопланет, например, планеты системы TRAPPIST-1 или Проксимы b. Подобный «гравитационный» телескоп будет иметь увеличение 1011 раз, что аналогично наземному инструменту диаметром 80 км.