Что такое экзопланеты? История изучения внесолнечных миров

7 февраля 12:00

20 минут на чтение

Если открыть какую-нибудь книжку по астрономии, изданную до 1990-х, и поискать там экзопланеты, то вряд ли найдётся что-то большее, чем самые общие фразы и осторожные предположения. Вся имевшаяся тогда достоверная информация о внесолнечных мирах спокойно уместилась бы на паре страниц. Всё изменилось в 1995 году, когда астрономы сумели найти первую экзопланету у солнцеподобной звезды.

Спустя 30 лет подобными новостями уже давно никого не удивишь. Количество открытых внесолнечных миров приближается к шести тысячам, ещё порядка десяти тысяч числится в кандидатах. Про экзопланеты ежегодно публикуются сотни статей, а кроме того, сейчас разрабатывается несколько телескопов, которые уже в ближайшем будущем позволят узнать о таких планетах ещё больше.

Но как произошла революция? Как астрономам удаётся находить экзопланеты и что нам известно об этих телах?

Открытие на кончике спектра

NASA, ESA, Hubble / G. Bacon (STScI) [CC BY 4.0]

На ясном ночном небе можно увидеть — в зависимости от того, где находишься, — десятки, сотни или даже тысячи звёзд. Но это лишь малая доля от их реального количества. По разным подсчётам в одном Млечном Пути от 200 до 400 миллиардов звёзд. Предположение, будто во всём этом космическом зоопарке лишь у нашего Солнца есть планеты, кажется поистине невероятным.

Многие мыслители прошлого придерживались такого же мнения. Однако даже после изобретения телескопа они никак не могли его проверить: звёзды всё равно выглядели как маленькие дрожащие точки. Разглядеть воочию в их окрестностях невероятно тусклые планеты — с такой задачей, вероятно, не справился бы даже Супермен.

Астрономы пошли другим путём. Они начали искать экзопланеты по влиянию, которое те оказывают на свои звёзды. Первопроходцем стал глава Мадрасской обсерватории капитан Уильям Стивен Джейкоб. В своей статье 1855 года он рассказал об аномалиях в движении двойной звезды 70 Змееносца. По мнению Джейкоба, их вызвала гравитация экзопланеты, обращающейся вокруг неё.

Газовый гигант Гамма Цефея А b мог бы стать первой открытой экзопланетой

Tyrogthekreeper [CC BY-SA 3.0]

С позиции наших дней исследование Джейкоба выглядит довольно наивно: его основными рабочими инструментами были глаза и зарисовки. Так что неудивительно, что он ошибся. Тем не менее Джейкоб вошёл в историю как первый человек, применивший научный метод к поискам внесолнечного мира.

Любопытно, что первые данные, с помощью которых астрономы могли бы доказать существование экзопланет, были собраны ещё в 1917 году. Тогда телескоп Маунт-Вилсон получил спектр звезды Ван Маанена — белого карлика в 14 световых годах от Солнца. В нём обнаружились линии поглощения кальция, магния и железа. Сейчас известно, что это говорит о «загрязнении» поверхности белого карлика веществом из окружающего его пояса обломков. Но откуда там берутся обломки? Это остатки экзопланет, которые некогда обращались вокруг звезды и были разрушены, когда она превратилась в красный гигант, а затем сбросила атмосферу и стала белым карликом. Но в начале XX века об этом ещё никто не знал. Так что открытие не состоялось, а пластинку со спектром звезды нашли в архивах уже в наше время.

В 1960-х много шума наделали заявления нидерландского астронома Питера ван де Кампа. Он утверждал, что обнаружил отклонения в движении звезды Барнарда (второй по удалённости звёздной системы от Солнца), а это свидетельствует о том, что вокруг неё вращается минимум одна массивная планета. Через несколько лет выяснилось, что, как и в случае с открытием Джейкоба, его расчёты были ошибочными. Впрочем, это не помешало новости закрепиться в умах. Дошло до того, что авторы проекта межзвёздного корабля «Дедал» рассматривали целью его путешествия не более близкую к нам альфу Центавра, а именно звезду Барнарда: у неё-то «точно» были экзопланеты.

Если бы «Дедал» всё же отправился к звезде Барнарда, он нашёл бы там планету — но не такую, какую ожидали бы увидеть астрономы

Diego bf109 [CC BY-SA 4.0]

Наличие экзопланет у звезды Барнарда удалось подтвердить лишь в 2024 году: астрономы нашли обращающийся вокруг неё небольшой каменный мир. Но это совсем не то тело, о существовании которого некогда заявил Питер ван де Камп.

Ситуация с поиском экзопланет стала меняться с началом цифровой революции. Компьютеры и современные средства обработки изображений позволили добиться такой точности измерений, о какой астрономы прошлого даже не мечтали. Кроме того, появились некоторые принципиально новые технологии (вроде адаптивной оптики и системы создания искусственных звёзд), которые значительно снизили влияние атмосферных искажений на результаты наблюдений наземных обсерваторий. И конечно же, важную роль сыграло то, что телескопы начали выводить в космос.

В 1988 году канадские астрономы заявили, что обнаружили отклонения в радиальной скорости звезды гамма Цефея А, вызванные экзопланетой. К большому сожалению для них, измерения оказались недостаточно точными для того, чтобы другие научные коллективы могли подтвердить эту находку. Позже исследователям даже пришлось отозвать своё заявление, однако в конце концов выяснилось, что они были правы. В 2003 году существование экзопланеты удалось подтвердить.

Звезда Барнарда b на самом деле не массивная экзопланета, а относительно небольшая суперземля

ESO / M. Kornmesser [CC BY 4.0]

Формально первые экзопланеты были найдены в 1991 году, однако открытие не произвело сенсации. Дело в том, что это оказались крайне нестандартные тела: они обращаются вокруг пульсара — остатка гигантской звезды, что некогда превратилась в сверхновую. Поскольку взрыв сверхновой — одно из самых мощных событий во Вселенной, которое никакая экзопланета не смогла бы пережить, считается, что там нашли «вторичные» объекты, сформировавшиеся из вещества, которое осталось после взрыва.

Но к тому моменту заявлять о первенстве было бы слишком поздно. В октябре 1995 года учёные Мишель Майор и Дидье Кело из Женевского университета объявили, что обнаружили планету у солнцеподобной звезды 51 Пегаса, которая находится в 50 световых годах от Земли. Это была первая «полноценная» экзопланета, существование которой удалось независимо подтвердить. В 2019 году за своё открытие Майор и Кело удостоились Нобелевской премии по физике.

Как найти экзопланету

Экзопланету у звезды 51 Пегаса обнаружили при помощи метода радиальных скоростей — это была «рабочая лошадка» астрономов в первые годы экзопланетной лихорадки. В методе радиальных скоростей получили своеобразное развитие идеи капитана Джейкоба.

Первой подтвержденной экзопланете 51 Пегаса b было присвоено официальное название — Димидий

ESO / M. Kornmesser / Nick Risinger [CC BY 4.0]

Говоря об орбите планеты, мы обычно подразумеваем, что она вращается вокруг звезды, — но это не совсем так. На самом деле планета и звезда вращаются вокруг общего центра тяжести. Просто чаще всего звезда настолько больше планеты по массе, что общий центр тяжести находится глубоко внутри неё.

Тем не менее гравитация планеты всё же влияет на движение звезды: радиальная скорость светила, с которой оно движется к Земле и от неё, будет иной, и это отразится в спектре звезды в виде эффекта Доплера. Удаляясь от нас, она покажет смещение в красную часть спектра, а приближаясь — в синюю часть.

Однако это смещение ничтожно. Отличие в скорости составляет несколько метров, а то и пару сантиметров в секунду. Например, из-за влияния Земли скорость Солнца меняется всего на 9 см/с. И тем не менее современная техника в состоянии обнаружить столь крошечное смещение.

Основной недостаток метода радиальных скоростей — он позволяет измерить массу, но не диаметр экзопланеты, так что астрономы могут лишь предполагать, к какому типу она относится. В целом этот метод лучше всего подходит для того, чтобы находить массивные экзопланеты, которые вращаются относительно недалеко от своей звезды.

Четыре экзопланеты в системе HR 8799 вращаются вокруг звезды

Jason Wang (Caltech)/Christian Marois (NRC Herzberg) [СС BY-CA 4.0]

Впрочем, метод радиальных скоростей давно уступил пальму первенства транзитному: примерно три четверти всех экзопланет были найдены с его помощью. Суть метода проста. Когда экзопланета проходит перед своей звездой, яркость светила уменьшается: на графике кривой его блеска образуется симметричный провал. Величина провала зависит от относительных размеров звезды и экзопланеты: от пары процентов в случае самых крупных миров до тысячных долей процента. Например, когда Земля проходит перед Солнцем, его яркость для внешних наблюдателей уменьшается на 0,008 %.

С помощью транзитного метода можно искать не только экзопланеты, но и инопланетные астросооружения. Например, яркость звезды Табби меняется нерегулярно, так что некоторые исследователи даже осторожно предположили, что вокруг неё строится что-то вроде сферы Дайсона. Хотя, конечно, подавляющее большинство учёных склоняется к более тривиальным объяснениям: например, что звезду окружает облако пыли, образовавшееся после крупного столкновения.

Транзитный метод хорош тем, что с его помощью можно определить диаметр экзопланеты, а в сочетании с методом радиальных скоростей — вычислить её плотность и понять, каменное это тело, газовый гигант или нечто промежуточное, например водный мир.

Мы можем своими глазами увидеть, как Венера проходит по диску Солнца, а вот в случае с внеземными мирами приходится пользоваться кропотливыми расчётами

NASA

Кроме того, транзитный метод позволяет изучать атмосферу экзопланеты. Возможно, вы слышали историю о том, как Ломоносов открыл атмосферу Венеры. Когда планета проходила по диску Солнца и только коснулась его, произошла вспышка из-за рефракции солнечных лучей в атмосфере. Тот же эффект возникает во время транзита экзопланеты. Если выделить свет, который прошёл через атмосферу, и получить его спектр, то можно узнать много интересного: содержание в ней химических элементов или даже особенности её строения, например, есть ли в ней облачный покров. Если в атмосфере какой-то экзопланеты астрономам удастся найти большое количество кислорода и/или его соединений, которые вряд ли могут возникнуть естественным путём, это подкрепит гипотезу о её обитаемости.

В общем, у транзитного метода множество плюсов, и всё же, как всегда, есть одно очень жирное «но». Чтобы наблюдать транзит, плоскость орбиты экзопланеты, звезда и Земля должны находиться на одной линии. Столь удачно тела выстраиваются, мягко говоря, редко. Если бы где-то существовал условный аналог Земли, находящийся на расстоянии 1 а. е. от звезды размером с Солнце, вероятность того, что её орбита располагалась бы так, как нужно астрономам, чтобы наблюдать её транзит, составляет лишь 0,47%, или 1:210.

И тут на выручку приходит статистика. Да, вероятность обнаружить транзиты в одной конкретной системе сравнима с выигрышем в лотерею. Но если одновременно наблюдать за тысячами звёзд, то мы гарантированно найдём как минимум несколько экзопланет. Именно так их искал знаменитый телескоп «Кеплер». Он одновременно удерживал в поле зрения 150 тысяч звёзд (позже число светил, за которыми он пронаблюдал, увеличилось до полумиллиона) и в итоге за девять лет работы нашёл более 2700 экзопланет. Однако его данные продолжают анализировать — и число новых экзопланет продолжает расти.

На счету телескопа «Кеплер» — открытие почти 3000 экзопланет

NASA / Ames / W. Stenzel

Как и в случае с методом радиальных скоростей, транзитный метод куда эффективнее использовать для поиска экзопланет, находящихся недалеко от своих звёзд. Чем ближе экзопланета к звезде, тем выше вероятность увидеть её транзит и тем чаще транзиты повторяются, а значит, проще подтвердить, что это именно транзит, а не что-то другое.

Проведём мысленный эксперимент. Представим, что условные пришельцы могут наблюдать транзиты планет Солнечной системы и хотят узнать, сколько их. За десять лет непрерывных наблюдений они зафиксируют столько транзитов:

Меркурий — 41;
Венера — 16;
Земля — 10;
Марс — 5;
Юпитер — 0,85;
Сатурн — 0,33;
Уран — 0,12;
Нептун — 0,06.

А ведь в реальности земные телескопы не ведут непрерывные наблюдения так долго. Тот же «Кеплер» делал это лишь первые три года своей службы, а его преемник TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) наблюдает за одним участком неба и вовсе 27 дней, после чего переходит к следующему.

Странности в блеске звезды Табби может объяснить облако обломков…

NASA / JPL-Caltech

Вот почему у абсолютного большинства обнаруженных внесолнечных миров относительно небольшой период обращения. Их транзиты случаются гораздо чаще и их намного проще поймать, чем у планет, которые проходят перед своей звездой раз в 50–100 лет.

93% всех известных сегодня экзопланет были найдены при помощи транзитного метода и метода радиальных скоростей, остальные же удалось обнаружить другими способами. На счету многих из них лишь единичные открытия, так что мы не станем перечислять все — лишь выделим отдельно метод гравитационного микролинзирования.

Представьте, что две звезды выстроились по одной линии. Гравитационное поле более близкой звезды будет подобно линзе увеличивать свет от более далёкой звезды. А если около звезды на переднем плане есть экзопланета, то её гравитационное поле может усилить эффект линзирования. Современные телескопы вполне способны обнаружить отклонение в линзировании и на его основании определить орбитальные характеристики и массу экзопланеты.

…или строительство сооружения вроде сферы (роя) Дайсона

Archibald Tuttle [CC BY-SA 4.0]

Ключевая особенность этого метода — его «случайность». Две звезды выстраиваются по одной линии исключительно редко. Длится это событие всего несколько дней и имеет чрезвычайно мало шансов повториться в обозримом будущем, так что может считаться, по сути, однократным. Как и в случае с транзитным методом, микролинзирование работает благодаря статистике. Если нацелить телескоп на большое скопление звёзд, то со значительной долей вероятности хоть какие-то из них встанут на одну линию с более далёкими светилами.

Несмотря на столь существенное ограничение, у микролинзирования есть несколько очень важных плюсов. В отличие от двух других описанных методов, оно позволяет открывать экзопланеты на очень больших расстояниях от Земли. Астрономам удавалось отыскать миры в центре Млечного Пути и даже в других галактиках (правда, миры в последних пока что не получили подтверждения). Ещё с его помощью можно находить так называемые планеты-сироты. Это свободнолетящие тела: они не входят в какую-либо систему, и потому их нельзя обнаружить по воздействию на окружение.

Планета в объективе

Точка под названием C1 (Candidate 1) — это и есть фотография потенциальной экзопланеты в системе альфы Центавра

Wagner, K. et al. Imaging low-mass planets within the habitable zone of α Centauri. Nat Commun 12, 922 (2021) [CC BY 4.0]

Все методы, о которых мы рассказали в этой статье, косвенные. Астрономы ищут экзопланеты по изменению яркости звёзд, колебанию их радиальных скоростей и так далее. А можно ли просто их сфотографировать?

Ответ — да, но со множеством оговорок. Современные обсерватории ушли далеко вперёд от примитивной зрительной трубы Галилея. Однако даже с их помощью крайне сложно поймать свет, отражённый экзопланетой, которая проходит на фоне ослепительно яркой звезды.

Сейчас практически все сфотографированные экзопланеты представляют собой крупные газовые гиганты: их масса значительно превышает массу Юпитера, а орбиты сильно удалены от звезды, что позволяет выделить их излучение. Кроме того, это, как правило, довольно молодые тела. Они ещё не успели остыть и потому интенсивно излучают в инфракрасном диапазоне, а современным телескопам намного проще уловить такое излучение, чем видимый свет.

Карл Саган не знал, есть ли у Веги собственные экзопланеты — но его догадки вскоре нашли научное подтверждение

Warner Bros., 1997

Пока что чуть ли не единственное исключение из этого правила — объект, якобы сфотографированный у альфы Центавра в 2021 году. Его орбита примерно так же удалена от одной из центральных звёзд системы, как орбита Земли от Солнца. Правда, эта находка всё ещё не получила независимого подтверждения.

Также можно сфотографировать следы экзопланет. Новорождённые звёзды окружены газопылевыми дисками, и формирующиеся в них тела оставляют характерные следы — своеобразную кильватерную струю.

Иногда пылевые диски есть и у более старых звёзд — например, у знаменитой Веги из «Контакта». Так, телескопы «Хаббл» и «Джеймс Уэбб» провели её детальную съёмку, но так и не нашли никаких следов в пылевом диске. Получается, что автор оригинального романа (1985) Карл Саган, а также создатели экранизации (1997) угадали: там по сюжету у Веги не было собственных экзопланет.

Что мы знаем об экзопланетах

Изучая экзопланеты, учёные выяснили, что далеко не все системы выглядят так же, как привычная нам Солнечная

Omarius257 [CC BY-CA 4.0]

Итак, несмотря на технические ограничения, астрономы поставили поиск и обнаружение экзопланет на поток. Но что им удалось узнать? Насколько другие звёздные системы похожи на нашу?

Один из основополагающих принципов современной науки — принцип Коперника, или принцип заурядности: ни Землю, ни Солнце нельзя назвать уникальными или особенными объектами во Вселенной, а законы науки универсальны и везде действуют одинаково. Это значит, что где-то должны существовать системы, напоминающие нашу. Открытие экзопланет не вступило в конфликт с этим принципом, но явно заставило учёных взглянуть на него по-новому.

Как устроена Солнечная система: ближе всего к звезде расположены четыре небольшие каменные планеты, за ними следует пояс астероидов, затем два газовых гиганта, два ледяных гиганта и далее царство ледяных тел поменьше. Считалось, что сформированное Солнце своим излучением оттолкнуло лёгкие вещества вроде водорода и гелия подальше от себя. В результате рядом со звездой остались более тяжёлые элементы, которые образовали каменные тела, а гиганты рождались уже за ними. Вроде бы всё просто и логично.

За горячим юпитером может тянуться хвост атмосферы, сдуваемой звёздным ветром

NASA's Goddard Space Flight Center

Однако уже самая первая экзопланета, обнаруженная в 1995 году, разрушила эту стройную схему. Наши представления о том, как могут выглядеть другие звёздные системы, изменились навсегда — а всё потому, что орбита этого мира проходит всего в нескольких миллионах километров от поверхности звезды. Для сравнения: Меркурий никогда не приближается к Солнцу ближе, чем на 46 миллионов километров. Но ещё больше астрономов поразило то, что это было не каменное тело, а напоминающий Юпитер газовый гигант. Собственно, этот тип объектов так и назвали — горячие юпитеры.

Сейчас мы знаем, что горячие юпитеры широко распространены. Это самые «экстремальные» планеты во Вселенной. Атмосфера на них может разогреваться до температуры плавления вольфрама и даже больше, а звёздное излучение изо всех сил пытается её сдуть, так что за горячим юпитером может тянуться огромный газовый хвост, придающий ему сходство с кометой.

Есть две основные версии о появлении горячих юпитеров. Согласно первой они формируются сразу на своих орбитах, а по второй изначально образуются дальше от звезды и уже потом мигрируют ближе из-за гравитационных пертурбаций. Некоторые исследователи считают, что в далёком прошлом наш Юпитер тоже попытался совершить такое путешествие. Естественно, Земле это не сулило ничего хорошего, однако нам повезло, и его уравновесила гравитация Сатурна.

Один из самых знаменитых горячих юпитеров — Kelt-9 b. Температура на его дневной стороне почти достигает 4000 °C. Эта планета горячее, чем многие звёзды

NASA / JPL-Caltech

Другое очень важное открытие позволило обнаружить миры, которым попросту нет аналогов в Солнечной системе. К ним относятся, например, суперземли — каменные экзопланеты, которые по массе больше Земли, но размерами значительно меньше Нептуна. Также были обнаружены мини-нептуны — что-то среднее между суперземлями и планетами вроде Урана и Нептуна. Некоторые из них могут представлять собой планеты-океаны, не имеющие твёрдой поверхности. Именно суперземли и мини-нептуны встречаются наиболее часто среди экзопланет, открытых у других звёзд.

Астрономы выявили и другие важные закономерности: например, что многие экзопланетные системы гораздо компактнее нашей. В Солнечной системе по грубым подсчётам расстояние между звездой и каждой последующей планетой удваивается. Однако во множестве систем есть по пять, шесть и даже семь экзопланет, чьи орбиты легко бы уместились внутри орбиты Меркурия. Кроме того, в системах с большим количеством планет они, как правило, примерно одинаковы по размеру.

Классический пример воплощения этих двух закономерностей — система TRAPPIST-1, красного карлика в 40 световых годах от Земли. Вокруг него обращается как минимум семь каменных миров, причём орбиты трёх из них проходят в зоне обитаемости: их поверхность получает достаточно света, чтобы при подходящих атмосферных условиях там могла сохраняться жидкая вода. Но гораздо интереснее, что орбиты всех семи миров лежат в промежутке шириной всего в 7 миллионов километров (в нашей системе Меркурий и Уран разделяют 2,8 миллиарда километров, то есть расстояние в 400 раз больше). Гипотетический наблюдатель с любой из этих семи экзопланет увидел бы на небе все остальные и, вероятно, даже смог бы разглядеть невооружённым глазом их основные геологические достопримечательности.

В системе TRAPPIST-1 как минимум семь каменных миров, и все они находятся очень близко друг к другу

NASA / JPL-Caltech / Spitzer Space Telescope

Отличие многих экзопланет от знакомых нам миров подчёркивают характеристики их орбит. В Солнечной системе орбиты планет более-менее близки к круговым и лежат примерно в одной плоскости. А вот в других системах астрономы нашли планеты с экстремальными орбитами: например, газовый гигант TOI-640 b находится на полярной орбите — то есть пролетает над полюсами звезды. И это отнюдь не уникальный случай. Судя по всему, значительная часть горячих юпитеров движется по орбитам с большим наклонением.

Также астрономы нашли экзопланеты с орбитами, подобными кометным: например, HD 80606 b. В ближайшей к звезде точке она получает в 800 раз больше тепла, чем в самой отдалённой. В перигелии температура её освещённой стороны всего за шесть часов поднимается на 700 °С! И сопровождается это ураганными ветрами, скорость которых достигает 4 км/с.

Конечно, тут надо сделать важную оговорку. Современные астрономические методы куда лучше подходят для обнаружения массивных тел на небольшом расстоянии от звезды — и это частично объясняет, почему так много систем не похожи на нашу.

Мини-нептуны также называют газовыми карликами

Pablo Carlos Budassi [CC BY-SA 4.0]

Ещё нельзя забывать, статистически Солнце нельзя назвать заурядной звездой. Это жёлтый карлик, а в Млечном Пути доля таких светил — всего 8 %. Больше всего же в нашей галактике красных карликов. Это тусклые и наименее массивные светила, и у их систем есть характерные особенности. Например, в них редко встречаются крупные газовые гиганты вроде Юпитера: это обычно связывают с тем, что в протопланетных дисках красных карликов часто недостаточно вещества для формирования массивных экзопланет.

Кроме того, зона обитаемости охватывает совсем небольшое расстояние от красного карлика, и экзопланета там, скорее всего, находится в приливном захвате: одна из её сторон постоянно освещена, а на другой царит вечная ночь. В таких мирах привычная нам смена времени суток станет возможна лишь на узкой полосе вдоль линии светораздела. А там сформируется совсем иной климат, чем на любой из планет Солнечной системы.

В поисках второй Земли

Суперземли Kepler-22b, Kepler-69c, Kepler-62e и Kepler-62f больше нашей планеты, однако как они выглядят, мы не знаем

NASA / Ames / JPL-Caltech

Это лишь самые базовые вещи, которые сейчас известны астрономам об экзопланетах. Но давайте будем честны. Когда обыватели читают новости на эту тему, их обычно не интересует, как формируются химические элементы в атмосфере горячих юпитеров или что именно находится в центре мини-нептунов. В первую очередь всем любопытно узнать, удалось ли астрономам найти что-то вроде второй Земли, где может существовать инопланетная жизнь.

На самом деле потенциально обитаемой может оказаться даже экзопланета у ближайшей к Солнцу звезды — Проксимы Центавра. Проксима b, которая обращается вокруг неё, по массе всего на 7 % больше Земли, так что это практически наверняка каменный мир. Но, к большому сожалению, мы не можем наблюдать транзиты Проксимы b, а потому нам не известен ни её диаметр, ни, что более существенно, наличие у неё атмосферы. А это важно.

Дело в том, что Проксима Центавра — красный карлик. Она излучает в 630 раз меньше энергии, чем Солнце — и это если считать всё её излучение. В видимом же спектре Проксима Центавра тусклее Солнца более чем в 17 тысяч раз! Проксима b попадает в условную зону обитаемости благодаря тому, что её орбита проходит в 7 миллионах километров от звезды. И даже на таком небольшом расстоянии она получает лишь 65 % от того света и тепла, что достаются Земле. Впрочем, если у неё есть достаточно плотная атмосфера, то за счёт парникового эффекта на поверхности всё же может существовать жидкая вода.

Проксима Центавра b — ближайшая из известных экзопланет, однако мы знаем о ней гораздо меньше, чем о более далёких мирах

ESO / M. Kornmesser [CC BY 4.0]

Но есть ли в реальности у Проксимы b хоть какая-то атмосфера — вопрос на миллион. Красные карлики намного тусклее Солнца, но они отличаются очень бурным нравом и могут время от времени производить чрезвычайно мощные вспышки. Некоторые астрономы считают, что эти вспышки постепенно способны полностью сдуть атмосферы близко расположенных экзопланет, превратив их в голые каменные шарики.

Если Проксима b обладает сильным магнитным полем, оно может защитить планету от потери атмосферы. Но и в этом случае не стоит забывать, что экзопланета почти наверняка находится в приливном захвате и постоянно обращена к звезде одной и той же стороной. Так что, даже если на Проксиме b сохраняются условия для существования жизни, её никак не назовёшь второй Землёй.

Это утверждение справедливо и для всех других потенциально обитаемых миров в системах красных карликов: из-за особенностей своих звёзд они не могут претендовать на статус копии нашего родного дома. Тем не менее их поиск и изучение всё равно представляет огромный интерес для астрономов. Во-первых, как мы уже сказали, красные карлики — звезды самого распространённого типа во Вселенной. А во-вторых, они ещё и самые долгоживущие. Красные карлики светят сотни миллиардов, а возможно, и триллионы лет, тогда как солнцеподобные звёзды — около 10–12 миллиардов лет. Так что именно красные карлики станут последними звёздами во Вселенной и, возможно, последними оазисами жизни.

Системы оранжевых карликов, возможно, более пригодны для жизни, чем системы других типов звезд

ESO [CC BY 4.0]

А что насчёт того, чтобы искать аналоги Земли у звёзд, подобных Солнцу? Сейчас астрономам удалось обнаружить несколько перспективных миров в зонах обитаемости оранжевых и жёлтых карликов. Но ни одну из них нельзя назвать второй Землёй: все они массивнее нашей планеты (если помните, с поиском небольших экзопланет у астрономов пока что есть сложности). С развитием технологий ситуация наверняка изменится, и мы ещё услышим об открытии миров, своими характеристиками напоминающих Землю.

Впрочем, есть любопытное мнение, что наш дом в принципе не стоит считать неким эталоном обитаемости: якобы для жизни лучше приспособлены как раз те каменные экзопланеты, что несколько больше Земли. В таких мирах более интенсивная геологическая активность, что отразится на тектонике плит и, вероятно, приведёт к формированию защитного магнитного поля: считается, что именно эти факторы обеспечили возникновение жизни на Земле. Кроме того, более массивный мир сможет лучше удерживать атмосферу.

Также сторонники этой гипотезы указывают, что оптимальные условия для зарождения жизни в своей системе создают не аналоги Солнца, а оранжевые карлики. Такие звёзды более распространены в Млечном Пути, живут дольше, отличаются стабильным характером. Кроме того, они излучают достаточно тепла и света, чтобы поддерживать жизнь, а вот ультрафиолета испускают мало, а значит, экзопланете не нужен будет защитный озоновый слой.

Телескопы будущего

Гигантский Магелланов телескоп сможет улавливать спектр экзопланетных атмосфер

Giant Magellan Telescope / GMTO Corporation [CC BY-SA 3.0]

За три десятилетия астрономы собрали большой массив данных об экзопланетах. Но, конечно, это лишь крохотная верхушка айсберга. Да, мы знаем, что экзопланеты существуют и их много. Но каковы реальные условия на поверхности той же Проксимы b — об этом мы пока что можем в лучшем случае лишь выдвигать обоснованные предположения.

К счастью, наука не стоит на месте. Сейчас разрабатывается уже несколько проектов телескопов следующего поколения, и после ввода их в эксплуатацию мы сможем узнать намного больше о мирах у других звёзд.

Один из них уже строится на вершине чилийской горы Серро-Армасонес — Чрезвычайно большой телескоп (ELT, Extremely Large Telescope). И это не преувеличение: когда строительство будет завершено, ELT станет мощнейшей оптической обсерваторией в истории. Благодаря гигантской оптической системе он сможет собирать света в 100 миллионов раз больше, чем человеческий глаз, и в 13 раз больше, чем крупнейшие действующие оптические телескопы. ELT представляет собой 80-метровый вращающийся купол с 39-метровым главным зеркалом внутри, состоящим из 798 шестиугольных сегментов общей площадью 978 м² и массой 132 т.

Чрезвычайно Большой Телескоп в представлении художника

Swinburne Astronomy Productions/ESO. ESO [CC BY-CA 4.0]

ELT должен внести значительный вклад в поиск экзопланет. Он будет отслеживать колебания звёзд, вызванные гравитацией планетных тел, и пытаться разглядеть их напрямую. Ожидается, что ELT сможет фотографировать крупные экзопланеты и определять основные характеристики их атмосфер. Кроме того, астрономы планируют сфотографировать землеподобные экзопланеты у ближайших к нам звёзд. ELT должен приступить к наблюдениям в 2028 году.

Гигантский Магелланов телескоп, который строится тоже в Чили, оптическими характеристиками несколько уступает ELT, но его ни в коем случае нельзя сбрасывать со счётов. У исследователей внесолнечных миров на него большие планы: с его помощью они рассчитывают получать спектры экзопланетных атмосфер. Магелланов телескоп должен начать работать в конце десятилетия.

Помимо наземных обсерваторий, экзопланеты будут искать и космические телескопы. Европейское космическое агентство создаёт сразу два таких аппарата — PLATO и ARIEL. Первый сконцентрируется на поисках экзопланет транзитным методом в зоне обитаемости вокруг жёлтых карликов. А вот ARIEL будет изучать уже открытые планеты — определять состав и температуру их атмосфер. PLATO планируют запустить в 2026 году, ARIEL — в 2029-м.

До конца десятилетия экзопланеты начнут искать и изучать европейские аппараты PLATO...

ESA [CC BY 3.0 IGO]

... и ARIEL

ESA [CC BY 3.0 IGO]

У Китая тоже весьма амбициозные планы, связанные с изучением экзопланет. По проекту «Земля 2.0» в 2028 году Поднебесная собирается запустить обсерваторию с семью телескопами, призванными искать экзопланеты в зонах обитаемости, а также планеты-сироты. Шесть из них будут работать при помощи транзитного метода, а седьмой — при помощи метода гравитационного микролинзирования.

NASA тоже не упускает возможности углубиться в эту тему. В 2027 году агентство планирует запустить инфракрасный телескоп Roman («Нэнси Грейс Роман»). Его основная задача — изучать крупномасштабные структуры Вселенной и охотиться на тёмную материю, но телескоп также хотят задействовать и для фотосъёмки экзопланет. Для этого Roman оснастили коронографом — устройством, отсекающим свет звезды; благодаря ему в теории можно будет наблюдать окрестности светила и обращающиеся вокруг него тела.

В случае успеха этот эксперимент заложит фундамент для куда более амбициозного проекта — нового флагманского телескопа NASA под названием HWO (Habitable Worlds Observatory). Его цель — искать следы жизни в других звёздных системах; если проект дойдёт до реализации, это будет первый в истории космический аппарат с такой специализацией. HWO сможет напрямую фотографировать землеподобные внесолнечные миры и выявлять в их атмосфере водяной пар, углекислый газ, кислород, озон и метан. Если проект одобрят, обсерватория будет запущена в начале 2040-х.

Примерно так, в представлении художника, будет выглядеть HWO

NASA

Но предположим, что астрономам действительно удастся найти мир с признаками обитаемости. Что дальше? К сожалению, сейчас идея отправить зонд даже к самой близкой звезде выглядит утопичной. Человечество ещё не готово к такой миссии. Однако есть интересная альтернатива: мы можем воспользоваться гравитацией Солнца, чтобы сфотографировать этот мир. Причём получится не крохотная точка, как у всех вышеперечисленных телескопов, а изображение, которое сопоставимо по качеству с фотографией Земли, сделанной с поверхности Луны.

Классическому телескопу для такой задачи потребовалось бы зеркало диаметром в 20 раз больше диаметра Земли. Однако если разместить космический телескоп с таким же зеркалом, как у «Хаббла», на одной линии с экзопланетой и с нашей звездой между ними, то гравитация Солнца сыграет роль гигантской линзы и усилит её свет на много порядков.

Но есть большая проблема: эффект солнечной линзы сработает, только если увести телескоп от Земли на расстояние примерно в 550 а. е. или 82 миллиарда километров. Это в четыре раза больше, чем путь, который преодолел легендарный зонд «Вояджер-1» за почти полвека. Кроме того, такой телескоп сможет изучить лишь одну конкретную систему. Но если астрономам однажды удастся найти экзопланету с явными признаками обитаемости, проект гравитационно-солнечного телескопа вполне может получить зелёный свет. Да, реализовать его будет сложно, и работа растянется на десятилетия. Но для такой миссии у человечества уже есть все необходимые технологии. Тем более — как знать? Вполне возможно, что прямо сейчас за нашей планетой наблюдает такой же телескоп, расположенный у другой звезды.

Видят ли они нашу бледную голубую точку?..

Voyager 1