Как учёные находят признаки жизни в спектрах экзопланет?

19 сентября 12:00

14 минут на чтение

В 2025 году группа астрономов из Кембриджского университета заявила, что обнаружила однозначные следы жизнедеятельности в спектре отражённого света экзопланеты, вращающейся вокруг звезды К2–18. Хотя их коллеги сразу поставили это утверждение под сомнение, открытие дало надежду в обозримом будущем подтвердить существование внеземных биосфер. Что же удалось разглядеть в спектре экзопланеты? И как астрономы научились распознавать в лучах света, преодолевшего десятки парсеков, признаки жизни?

Читайте также

Что такое экзопланеты? История изучения внесолнечных миров

Кирилл Размыслович

07.02.2026

7217

Сёстры Земли в дальнем космосе

Линии в радуге

Если принять, что законы физики едины для всей Вселенной, то почему бы и не иметь другим звездам своих планет. А если повезёт, одна из планет будет похожа на Землю…

Kepler-62f, NASA / Ames / JPL-Caltech

Долгое время все рассуждения учёных о сходстве звёзд с Солнцем, а планет с Землёй оставались чистой спекуляцией, потому что опирались на метод аналогий. Действительно, мы можем предположить, что все тела во Вселенной сложены из одних и тех же элементов и соединений, а также подчиняются общим физическим законам. Вот почему другие звёзды горят так же, как наша, а планеты обладают такой же твёрдой поверхностью и газообразной атмосферой, как Земля. Но подстёгнутая воображением мысль пошла дальше: если везде всё одинаково, то в остальных мирах царят примерно те же природные условия, что и у нас, а значит, их могут населять существа, похожие на людей и известных нам животных.

И всё же многие учёные сомневались, что метод аналогий допустимо применять к космосу. Например, Луна: она расположена относительно близко, и астрономы наблюдали её тысячелетия, однако от Земли отличается слишком явно. Ответить на вопрос, из чего состоят небесные тела, помог спектральный анализ.

То, что стеклянная призма разлагает свет на спектр, первым показал Исаак Ньютон. Он обратил внимание, что звёзды, когда наблюдаешь их в телескоп, иногда окружает слабый радужный ореол. Чтобы понять причины явления, он пропустил свет в тёмной комнате через небольшое отверстие в стене, направив луч на трёхгранную призму, и получил на установленном за ней экране радугу — спектр. Эффект, вызываемый призмой, был известен и ранее, но Ньютон экспериментальным путём доказал, что не она окрашивает свет, а свет сам «расщепляется» на цветные лучи, которые по-разному отклоняются при её прохождении.

Проходя сквозь призму, волны разной длины преломляются под разными углами и образуют радугу

Spigget [CC BY-SA 3.0]

Ньютон назвал явление дисперсией света и доложил о нём научному сообществу в феврале 1672 года. Хотя открытие было важно для физики, до XIX века его не применяли к изучению Вселенной. В 1814 году немецкий оптик Йозеф Фраунгофер, совершенствуя линзы, разложил свет призмой, установленной перед объективом небольшого теодолита, и обнаружил сотни «сильных и слабых вертикальных линий, которые темнее остальной части цветного изображения». Заинтересовавшись явлением, он тем же способом получил спектры Венеры и Сириуса и «убедился, что свет Венеры в этом отношении имеет ту же природу, что и солнечный свет», а в спектре звезды «совершенно точно увидел… три широкие полосы, которые, по-видимому, не имеют никакой связи с солнечным светом».

В 1823 году Фраунгофер продолжил наблюдения, снабдив телескоп-рефрактор призмой. Он описал спектры Сириуса, Кастора, Поллукса, Капеллы, Бетельгейзе и Проциона, увидев при этом, что положение тёмных линий разнится от звезды к звезде. К сожалению, Фраунгофер умер от туберкулёза и не смог внести существенный вклад в науку, которую, по сути, основал.

В начале 1820-х годов знаменитый английский астроном Джон Гершель начал изучать спектры света, получаемого при горении разных веществ, и установил, что они отличаются: каждый химический элемент даёт свой, «индивидуальный» набор ярких цветов, который трудно перепутать с другим.

На непрерывном спектре (сверху) тёмные линии поглощения (в середине) возникают от того, что свет проходит через определённое вещество, а цветные линии (внизу) — это излучение от самого вещества

К середине XIX века физики пришли к выводу, что спектр — с учётом оптического, инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов — позволяет определить полный состав любого нагретого соединения элементов, даже на Солнце и звёздах.

В то же время физик Густав Кирхгоф, работавший с химиком Робертом Бунзеном, обнаружил, что тёмные линии солнечного спектра возникают из-за присутствия в солнечной «атмосфере» (фотосфере) тех же веществ, которые в спектре пламени создают яркие линии в одном и том же месте. Кирхгоф определил важнейший принцип: вещества видны в спектре либо как яркие линии (полосы) излучения, либо как тёмные линии (полосы) поглощения. Всё зависит от того, наблюдается ли собственный свет вещества — или же свет от более горячего источника, проходящий через вещество.

В исторически значимой статье «Исследования солнечного спектра и спектров химических элементов» (1861) Кирхгоф сообщал, что «в местах расположения всех наблюдаемых линий железа в солнечном спектре обнаруживаются очень отчётливые тёмные линии». Поскольку в земной атмосфере паров железа нет, получалось, что поглощения создаёт железо в фотосфере Солнца. Следовательно, за ней находится ещё более раскалённое ядро. Своим выводом Кирхгоф опроверг популярную в то время теорию о том, будто бы внутри нашего светила есть относительно холодная поверхность, и подтвердил, что небесные тела действительно состоят из тех же химических элементов, что и Земля. При этом его открытие показало, что метод аналогий не подходит для изучения космических объектов. Хотя они состоят из тех же веществ, природные условия там могут сильно отличаться от земных: трудно вообразить существ, способных развиваться в столь горячем мире, что пары железа становятся частью его атмосферы.

Наблюдения Кирхгофа и Бунзена вызвали большой резонанс в научных кругах: астрономы осознали, что наконец-то появился способ изучать химический состав и физическое строение небесных тел, невзирая на расстояния. Они сразу обратили внимание на другие звёзды, рассчитывая найти ответы на накопившиеся вопросы. Большой вклад в новую науку, названную астрофизикой, внесли Уильям Хаггинс и Уильям Миллер, которые получили спектры Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна и пятидесяти звёзд. В 1864 году они докладывали: все процессы во Вселенной подчинены «единству плана», поэтому нельзя исключать, что у звёзд есть невидимые в телескоп спутники, подобные планетам Солнечной системы.

Органика в космосе

Поначалу открытия астрономической спектроскопии внушали надежду на скорое обнаружение внеземной жизни. К примеру, французский астроном Пьер Жансен в 1869 году сообщил, что в спектрах Марса и Сатурна есть полосы поглощения водяного пара, а значит, на этих небесных телах возможна жизнь. Конечно, астрономы знали, что отражённый планетами свет проходит не только через их атмосферы, которые дают полосы поглощения в спектре, но и через атмосферу Земли. Для чистоты эксперимента Жансен проводил наблюдения на вершине сицилийского вулкана Этна (высота 3357 метров над уровнем моря), где, как считалось, влияние земных паров воды на спектр не должно быть значительным.

Чтобы максимально сократить влияние земной атмосферы на наблюдения, наземные космические обсерватории строят на большой высоте. Ликская обсерватория возвышается на 1,2 км над уровнем моря

Michael [CC BY 2.0]

Уильям Хаггинс и Герман Фогель подтвердили открытие коллеги относительно Марса. Эта планета считалась наиболее похожей на нашу, и раз на ней есть вода, значит, разумно предположить, что на ней есть и жизнь. Однако летом 1894 года американский астроном Уильям Кэмпбелл провёл серию наблюдений Марса и Луны с помощью усовершенствованного спектроскопа на большом рефракторе Ликской обсерватории, построенной на склоне горы Гамильтон (высота 1283 м), и заявил, что между спектрами планеты и нашего спутника нет разницы.

То есть полосы поглощения, соответствующие водяному пару, появились из-за земной атмосферы. Жансен, Хаггинс и Фогель сразу же выступили в защиту своих открытий. Спор продолжался несколько лет, пока в сентябре 1909 года Кэмпбелл не отправился на гору Уитни (высота 4421 м), где провёл новое наблюдение спектров Марса и Луны и снова пришёл к тем же выводам.

Попытки обнаружить в атмосфере Марса кислород дали ещё более удручающий результат. С середины 1920-х годов его искали Уолтер Адамс и Теодор Дэнхем в обсерватории Маунт-Вилсон в Калифорнии (высота 1742 м). Они использовали эффект Доплера: когда планета приближается к нам, все полосы в её спектре сдвигаются к фиолетовому краю, когда удаляется — к красному. Учёные получили спектры Марса, когда тот приближался к Земле со скоростью 13,8 км/с и когда удалялся со скоростью 12,6 км/с. Детально обработав данные, они не обнаружили даже ничтожного изменения в профилях полос кислорода, а значит, в атмосфере Красной планеты свободного кислорода «ничтожно мало»: «определённо менее 1 % и, вероятно, менее 0,1 % от того количества, которое присутствует в атмосфере Земли на том же уровне поверхности». При этом углекислый газ в атмосфере Марса обнаруживался, и оценки его количества постоянно росли: с 0,25 % в 1954 году до 14 % в 1964-м.

Астрономическая спектроскопия позволила еще в 1920-х годах выяснить, что кислорода в атмосфере Марса меньше 1 %

NASA

Сегодня благодаря космическим аппаратам мы знаем, что атмосфера Марса на 95 % состоит из углекислого газа, доля кислорода в нём не превышает 0,2 %, а водяной пар присутствует в столь малых количествах, что его можно обнаружить только с орбиты планеты.

История изучения Марса хорошо показывает, что в астрономической спектроскопии интерпретировать данные можно довольно широко, поэтому к результатам измерений и анализа нужно относиться осторожно.

Примерно тогда же появился способ изучать спектры с помощью радиотелескопов. В космосе довольно много нагретых газопылевых облаков, которые излучают не столько в оптическом, сколько в инфракрасном, рентгеновском и микроволновом диапазонах. Каждое вещество там даёт уникальный спектр, что позволяет надёжно его идентифицировать.

Теорию Фреда Хойла и Чандры Викрамасингха о зарождении жизни в космическом пространстве научный мир не принял

Count Nightmare [CC BY-SA 4.0]

Первое открытие в этой области было сделано ещё в 1937 году, когда в космосе обнаружили молекулы метилидина (метилидинового радикала). Позже, когда радиотелескопов стало гораздо больше, удалось выявить более 260 молекул. Среди них вода, кислород, озон, углерод, аммиак и органические соединения: метан, формальдегид, этилен, метанол, этанол, пропанол, пропаналь, ацетон, бензол… Сравнительно недавно были найдены полиароматические углеводороды (ПАУ) — достаточно сложные химические соединения, которые часто обнаруживают в организмах и продуктах их разложения.

В результате учёные предположили, что основные «кирпичики» жизни формируются в околозвёздном и межзвёздном пространстве и лишь потом попадают на планеты. В частности, такой идеи придерживались астроном Фред Хойл, известный научно-фантастическими романами «Чёрное облако» (1957) и «Андромеда» (1962), и его ученик Чандра Викрамасингхе, который изучал космическую пыль. В ноябре 1976 года после открытия внеземных органических веществ они сделали вывод, что именно в газопылевых облаках, под воздействием галактической радиации, начинают формироваться высокостабильные полимеры, которые участвуют в предбиологической эволюции и которые можно найти в метеоритах. Позднее учёные развили свою теорию, предположив, что в космическом пространстве образуются не только соединения, предшествующие жизни, но и её простейшие формы, а затем попадают на планеты с кометами.

Научный мир не поддержал теорию Хойла — Викрамасингхе, но само существование сложной органики в пространстве наводило на мысль, что жизнь действительно может быть широко распространена во Вселенной.

Читайте также

Теория панспермии: а что если жизнь на Земле появилась из космоса?

Антон Первушин

09.11.2024

8538

Мы — дети галактики?

Планета-океан K2–18b

На ночной стороне планеты KELT-9b в созвездии Лебедя, возможно, идут железные и титановые дожди

NASA / JPL-Caltech

Многие проблемы астрономической спектроскопии помогли решить космические обсерватории. Они способны наблюдать Вселенную в широком диапазоне излучений без искажений из-за земной атмосферы. Границы поиска расширились, и сегодня учёные исследуют спектры экзопланет — миров у других звёзд. Это очень сложный и тонкий процесс, и в нём возможны ошибки. Тем не менее определённых успехов достичь удалось.

Проще всего оказалось получить спектры атмосфер экзопланет-гигантов, подобных Юпитеру и находящихся поблизости от своих «родительских» светил: газы там разогреты до почти «звёздных» температур, что позволяет напрямую увидеть их свечение. Понятно, что там, как и на наших гигантах, в атмосфере преобладают водород и гелий, но встречаются и более экзотические вещества. К примеру, в 2016 году с помощью роботизированного телескопа KELT-North (Kilodegree Extremely Little Telescope) в американском штате Аризона была открыта экзопланета KELT-9b. Она вращается вокруг бело-голубого карлика в созвездии Лебедя на расстоянии около 620 световых лет от нас. Экзопланета в 2,8 раза тяжелее Юпитера и очень близка к своему светилу, так что год на ней пролетает меньше, чем за полтора земных дня. Из-за приливного захвата она всё время повёрнута к звезде одной стороной, которая разогрета до 4600 K.

Спектрографы высокого разрешения позволили «увидеть» в атмосфере KELT-9b магний, железо, титан, натрий, хром, скандий и иттрий. (Кроме того, там нашли признаки кальция, кобальта и стронция, но, чтобы подтвердить присутствие этих веществ, нужны дополнительные наблюдения.) Из-за чудовищно высоких температур на «дневной» стороне металлы должны там испаряться, перелетать с ветрами на «ночную» сторону и выпадать в виде дождя.

Банксия, или WASP-19b, похожа на Юпитер, но находится очень близко к родительской звезде

ESO / M. Kornmesser [CC BY 4.0]

Похожие природные условия сложились и на горячем юпитере под названием WASP-19b, или Банксии (Banksia, в честь вечнозелёного австралийского дерева). Экзопланета находится в созвездии Парусов на расстоянии 815 световых лет от нас. Её открыли в 2009 году с помощью телескопа SuperWASP-South (Wide Angle Search for Planets), развёрнутого в Южноафриканской астрономической обсерватории в Сазерленде. Банксия близка к Юпитеру по массе, при этом в 1,31 раза превосходит его радиусом. Она вращается вокруг старого жёлтого карлика по очень низкой орбите: год на ней длится всего 19 часов. На «дневной» стороне экзопланеты температура поднимается до 2240 К, что позволяет получать достаточно чёткие спектры.

В 2013 году астрономы, работавшие с космическим телескопом «Хаббл», выявили в её атмосфере водяной пар; в 2017 году Очень большой телескоп (Very Large Telescope, VLT) помог открыть там натрий и оксид титана; а в июле 2025 года JWST (James Webb Space Telescope) «разглядел» на Банксии угарный газ, углекислый газ, метан и ацетилен. Данные космического телескопа TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) показали, что горячие атмосферные слои «дневной» стороны активно смешиваются с холодными «ночной» стороны, а больше всего разогрета верхняя часть газовой оболочки, где находится оксид титана, который защищает планету от испепеляющих лучей светила.

Конечно, все эти миры интересны и сами по себе, но куда важнее найти признаки привычных нам химических соединений в атмосфере тела, похожего на Землю. Такой случай представился учёным в 2015 году, когда космический телескоп «Кеплер» открыл экзопланету K2–18b (EPIC 201912552 b) у красного карлика, расположенного в 124 световых годах от нас в созвездии Льва. Она в 8,6 раза массивнее Земли, а её радиус в 2,6 раза больше земного, то есть по астрономической классификации находится где-то посередине между суперземлёй и мини-нептуном. При этом K2–18b вращается вокруг своего светила с годовым периодом в 33 земных дня, а её орбита пролегает внутри обитаемой зоны, где вода на поверхности твёрдых тел может пребывать в жидком состоянии.

Название категории планет-океанов происходит от hydrogen — «водород» и ocean — «океан»

Pablo Carlos Budassi [CC BY 4.0]

В 2019 году в инфракрасной части спектра K2–18b, полученного телескопом «Хаббл», обнаружились сильные полосы поглощения воды, при этом атмосфера экзопланеты, как оказалось, в целом состоит из водорода. В открытии водяного пара в мире у другой звезды ничего нового на тот момент не было. Только в 2013 году «Хаббл» выявил её на пяти экзопланетах: WASP-12b, WASP-17b, WASP-19b, HD209458b и XO-1b. Однако всё это горячие юпитеры, а K2–18b сопоставима по размерам с Землёй, поэтому сразу привлекла к себе повышенное внимание. Учёные провели цифровое моделирование и предположили, что K2–18b должна быть покрыта горячим океаном. Таким образом, они ввели в обсуждение новый класс экзопланет — гикеаны. С тех пор обнаружилось ещё двенадцать кандидатов в гикеаны, но K2–18b остаётся эталоном, и её продолжают внимательно изучать.

Следы жизни

Дальнейшие наблюдения принесли новые открытия. Группа астрономов из Кембриджского университета под руководством профессора Никку Мадхусудхана получила данные о K2–18b с JWST, который дважды снял спектры экзопланеты, и в сентябре 2023 года заявила, что, помимо водяных паров, в её атмосфере присутствуют углерод, углекислый газ и метан. Более того, участники группы осторожно предположили, что в спектре есть полосы поглощения диметилсульфида (ДМС). Это органическое вещество, знакомое нам по специфическому запаху при готовке свёклы, капусты и кукурузы. На Земле оно образуется в основном при метаболизме некоторых морских водорослей.

Эти две малышки: молекулы диметилсульфида (CH3)2S...

...и диметилдисульфида CH3SSCH3 — могут рассматриваться как надежные биосигнатуры

Перед тем, в 2011 году, американские астробиологи опубликовали значимую статью «Использование биогенных серных газов в качестве дистанционно обнаруживаемых биосигнатур на бескислородных планетах». В ней авторы смоделировали возможную жизнедеятельность в мирах, где в атмосфере практически нет свободного кислорода. Они показали, что выявить её можно по «следам» (биосигнатурам) в спектре определённого набора химических соединений: воды, метана, этана, ДМС и диметилдисульфида (ДМДС) — ещё одного органического вещества с характерным «чесночным» запахом, который появляется при утечке бытового газа.

Получалось, что астрономы из Кембриджа нашли признаки жизни на K2–18b. Впрочем, в то время они очень сдержанно комментировали своё достижение, и сенсацией новость не стала.

К вопросу вернулись в мае 2024 года, когда международная группа учёных из Калифорнийского университета в Риверсайде обнародовала результаты собственного анализа данных, полученных JWST. Выяснилось, что если специально ввести в данные больше метана, то получится спектр, в котором можно увидеть метан и якобы ДМС, — всё потому, что полосы поглощения у них частично накладываются. При достаточной яркости источника можно отличить одно соединение от другого, но родительская звезда K2–18b очень тусклая, поэтому вероятны ошибки интерпретации. Кроме того, учёные рассчитали, сколько ДМС должно быть в атмосфере экзопланеты, чтобы его полосы поглощения «заметил» космический телескоп, — оказалось, в 20 раз больше, чем на Земле. С учётом того, что мы знаем о «производительности» водорослей, такой объём диметилсульфида кажется невероятным.

K2–18b в представлении художника

ESA / Hubble, M. Kornmesser [CC BY 4.0]

Тем временем JWST провёл новые наблюдения K2–18b, и в апреле 2025 года сенсация всё-таки грянула! Кембриджская группа сообщила, что очередные спектры подтверждают наличие не только ДМС, но и ДМДС. То есть определённо выявлено четыре биосигнатуры из пяти, перечисленных в статье 2011 года. При этом, согласно статистическим расчётам, вероятность случайного совпадения результата — всего лишь 0,3 %. Такая уверенная оценка обусловлена тем, что прежние данные были получены спектрографами NIRISS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph) и NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph), работающими в ближнем инфракрасном диапазоне, а новые — с помощью прибора MIRI (Mid-Infrared Instrument), охватывающего средний инфракрасный диапазон.

Все научные журналисты тут же принялись писать, что наконец-то открыта первая «живая» экзопланета. Но и у нового достижения нашлись критики. В то же самое время вышла статья трёх исследователей экзопланет из Великобритании и Германии, которые смоделировали зависимость развития катастрофического парникового эффекта, приводящего к испарению всей воды на планете, от её отражающей способности (альбедо). Согласно их выкладкам, альбедо K2–18b должно быть не ниже 0,6 при давлении 1 бар. Но на столь огромной экзопланете давление наверняка выше, а значит, и отражающая способность больше.

Однако значение её действительного медианного альбедо, судя по анализу спектра, не превышает 0,18. И даже если ввести в модель плотные туманы, способные искажать данные, расчётное альбедо всё равно будет не больше 0,49. Авторы статьи сделали вывод: на K2–18b океан находится в парообразном состоянии, а известные нам формы жизни в таких условиях существовать не могут.

В мае 2025 года астрономы из университета Чикаго провели независимый анализ полного набора спектров K2–18b от JWST и показали, что спорные полосы поглощения могут принадлежать не ДМС и ДМДС, а этану, образовавшемуся, как метан, без участия органической жизни.

Кембриджская группа Никку Мадхусудхана не настаивает на том, что нашла «жизнь» на планете. Учёные собираются провести ещё десятки наблюдений, чтобы максимально снизить вероятность ошибки.

Спектральный анализ небесных тел — всё ещё трудоёмкий и не слишком надёжный метод для изучения Вселенной. Специалисты теперь способны обнаруживать известные элементы и вещества в космосе, однако почти всегда расходятся в толковании данных. Исторический опыт показывает, что желаемое часто выдаётся за действительное, и более поздние исследования опровергают слишком оптимистичные выводы. Впрочем, научный инструментарий со временем совершенствуется — вполне возможно, что завтра найдётся надёжный способ выявлять жизнь на других планетах.

Читайте также

Самые странные экзопланеты во Вселенной: татуины, горячие юпитеры и хтонические миры

Антон Первушин

28.06.2025

6549

Экзотические миры у далёких звёзд

Читайте также

Экзопланеты, похожие на Землю, и где их найти

Антон Первушин

23.02.2017

9871

За последний год учёные открыли множество землеподобных планет у других звёзд и даже поймали сигнал из космоса. Кто знает, может, мы близки и к открытию жизни?

Если вы нашли опечатку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Антон Первушин

Писатель-фантаст, популяризатор науки, член Союза писателей Санкт-Петербурга, Федерации космонавтики России, Санкт-Петербургского Союза ученых, Клуба научных журналистов, Ассоциации футурологов

#космос #планеты #наука #научпоп