Помоги проекту - поделись книгой:
В 2000 г. Питер Уорд и Дональд Браунли опубликовали революционную книгу «Уникальная Земля» (Rare Earth). В ней они рассмотрели основополагающие идеи астробиологии, а также цепь совпадений, случайностей и тонкой настройки Вселенной, которая привела к возникновению высокоразвитой жизни на нашей планете. Их главное утверждение состояло в том, что планеты, подобные Земле, населенные живыми существами вроде вас, встречаются исключительно редко. Более того, они допускали, что Земля может быть единственной среди множества обитаемых миров, населенных разнообразными примитивными формами жизни. Но в сознании читателей этой книги утверждения свелись к совершенно неправомерному выводу: «Земля уникальна, жизнь — большая редкость».
Крис Маккей, астроном, работающий в Исследовательском центре Эймса, подразделении НАСА, обыграл некоторые из этих ложных толкований, выступив с концепцией «Уникального Титана». Маккей вообразил астробиолога с Титана, рассуждающего о возможности существования жизни на Земле. Этот астробиолог утверждает, что странная сине-зеленая планета с океанами жидкой воды и насыщенной кислородом атмосферой должна быть абсолютно токсичной для любой формы жизни, биохимия которой сходна с титанианской. Более того, при таких высоких температурах, которые наблюдаются на поверхности Земли, большая часть основных молекул титанианской жизни разрушится. С учетом всего вышесказанного было бы ошибкой выбрать Землю в качестве следующей цели титанианской‹‹6›› астробиологической миссии. За этой шуткой стоит важная мысль о том, что нам необходимо избавиться от нашего эмоционального багажа, по крайней мере в той его части, которая касается необходимости воды и умеренных температур для существования жизни, если мы хотим сохранить непредвзятый подход к поискам и окончательному распознаванию хоть сколько-нибудь чуждой нам жизни.
Вода, спринцовка жизни
Так как нам избавиться от груза предрассудков, чтобы подготовиться к астробиологической экспедиции на Титан? Давайте начнем с воды.
Многие биологи выстроятся в очередь, чтобы рассказать вам о том, как важна вода для жизни на Земле. Но тут необходимо понять, является ли вода единственно возможной жидкостью для жизни или это просто одна из многих жидкостей, которые могут служить средой для развития жизни. В настоящее время мы этого не знаем главным образом потому, что еще до конца не изучили земную жизнь, не говоря уже о жизни вообще. Справедливости ради надо отметить, что многие астробиологи отдают себе в этом отчет, и поэтому дружный крик «Ищите воду!» часто сопровождается оговорками, что вода — это жидкость, используемая земной жизнью, единственной, какую мы на сегодня знаем. Поэтому я попробую на какое-то время отказаться от этой точки зрения. Вместо этого я расскажу вам о ситуациях, когда вода мешает существованию жизни и как жизнь либо как-то приспособилась к этому, либо просто притерпелась и живет себе дальше.
Вода — это образцовая полярная жидкость, хотя в данном случае термин «полярная» относится больше к химии, чем к географии. Поместите водород в молекулу с атомом, сильно притягивающим электроны, например с атомом кислорода, и окажется, что, хотя все атомы имеют общие электроны (и формируют таким образом, ковалентную связь), некоторым достается больше, а некоторым — меньше. Кислород получает львиную долю электронов, и в результате положительный и отрицательный заряды распределяются неравномерно, превращая молекулу в электрический диполь.
Там, где противоположные заряды притягиваются, они образуют слабые водородные связи, которые могут формироваться между полярными молекулами или даже внутри них. Водородные связи помогают другим полярным молекулам, таким как соли, белки или даже ДНК, растворяться в воде, что дает им возможность свободно перемещаться и реагировать с другими растворенными в воде химическими веществами. В этом смысле можно сказать, что вода «полезна» для жизни, поскольку земная жизнь использует для своей химии причудливую смесь солей и белков.
Но в отношениях воды и жизни есть и своя «темная сторона». Нуклеиновые основания, которые составляют нашу ДНК, имеют настораживающую тенденцию разрушаться в воде: полярные молекулы могут разрушить слабые ковалентные связи путем гидролиза. В результате для сохранения целостности генетического кода требуется регулярный ремонт ДНК. Полярная природа воды также затрудняет образование водородной связи, участвующей в фолдинге[15] белка. То, как каждый конкретный белок сворачивается в трехмерную структуру, играет критически важную роль в определении его биохимических свойств. Эти особенности не ставят непреодолимых препятствий на пути жизни, они больше похожи на крутые повороты, для прохождения которых требуются дополнительные химические усилия.
Многие ученые полагают, что возникновение жизни на Титане невозможно, поскольку имеющаяся там жидкая среда, скорее всего, состоит из смеси метана и этана, а молекулы обоих этих веществ неполярны. Многие полярные соли, белки и органические вещества, которые играют важную роль в жизнедеятельности земных организмов, нерастворимы в метане или этане. Вместо этого они будут выпадать в осадок и образовывать отложения на дне морей и озер. Но существует не меньшее количество органических веществ, которые растворяются в таких жидкостях, как метан и этан. Попробуйте спросить у тех, кто занимается органической химией, какую жидкость они используют в большинстве своих лабораторных экспериментов, и, скорее всего, они назовут не воду, а что-то другое. У тех химических соединений, которые хорошо растворяются в метане и этане, больше возможностей использовать слабые водородные связи, которые могут особенно хорошо подходить для низкотемпературных сред.
Может ли эта альтернативная, неполярная органическая химия стать основой внеземной жизни? Ответ, очевидно, положительный. Более важный вопрос — какие главнейшие биомолекулы нам следует искать? Чтобы найти на него ответ, нам следует отправиться на Титан и проанализировать содержимое колбы с жидкостью из небольшого холодного метанового пруда — титанианского аналога «небольшого теплого водоема», в котором Дарвин узрел зарождение земной жизни. Однако, как нам еще предстоит убедиться, на это потребуются гигантские средства (миллиарды и миллиарды) и несколько десятилетий упорного труда. А до тех пор какие черты Титана можем мы воспроизвести на Земле, чтобы заранее представить себе, с каким химическим и чисто гипотетически биохимическим окружением мы там столкнемся?
Златовласка на Титане
Может ли Титан оказаться «как раз впору» для жизни? Чтобы ответить на этот вопрос, попробуем применить к нему те же теории, которые использовались для объяснения возникновения жизни на Земле. Возможно, самый результативный лабораторный опыт из всех, что применялись для моделирования химической картины ранней Земли, — это эксперимент Миллера — Юри.
Современные атмосферные условия на Титане не сильно отличаются от тех, которые, согласно нашим представлениям, существовали на Земле до возникновения жизни, и это главная причина, которая вызывает к нему такой интерес. Важные составляющие — это наличие водорода (который может отдавать электроны) и относительное отсутствие кислорода (который электроны притягивает). В атмосфере Титана, равно как и ранней Земли, водород — хороший восстановитель, отдающий свои электроны для синтеза новых органических веществ. Кислород — хороший окислитель, всегда стремится присоединить к себе электроны других атомов или молекул.
Так как же нам создать лабораторную модель Титана? Получить аналогичную по составу химическую смесь совсем не сложно — 95 % азота, незначительное количество метана и еще капелька угарного газа. Но откуда взять энергию для химических реакций? Поверхность Титана затемнена густой атмосферной дымкой — там нет ионизирующего излучения. Кроме того, по всей видимости, на Титане не бывает молний, которые могут стать искрой жизни, способной запустить химические реакции. Но верхние слои атмосферы — над дымкой — это среда, в которой протекают различные фотохимические процессы. Нам это известно, поскольку данные, полученные с помощью «Вояджера» и «Кассини», показали наличие побочных продуктов — по крайней мере самых простых, — возникающих в результате фотодиссоциации метана под воздействием фотонов солнечного света. Следовательно, перед нами стоит задача смоделировать верхние слои атмосферы Титана — сочетание крайне низкого давления и ионизирующего излучения — и проследить, чтобы интересующая нас химическая реакция происходила в разреженном газе, а не на стенках барокамеры‹‹7››.
Титанианская версия эксперимента отличается от оригинального эксперимента Стэнли Миллера одной очень важной деталью: в ней нет жидкости. Миллер и его последователи прогоняли органические вещества через колбу с жидкой водой, которая должна была выполнять функцию земных океанов. В нашей версии атмосферы Титана все реакции происходят в камере, заполненной преимущественно азотом. С учетом этих различий, которые могли быть решающими, каковы же оказались результаты «внеземной» версии эксперимента Миллера — Юри? Как ни странно, но, изменив состав смеси и приблизив условия эксперимента к условиям Титана, а не ранней Земли, мы не повлияли на полученный результат. В эксперименте Миллера — Юри, проведенном по титанианскому рецепту, синтезируются многие известные нам аминокислоты и азотистые основания.
Возможно, вы зададитесь вопросом, каким образом органические молекулы, синтезированные в верхних слоях атмосферы Титана, могут спуститься на поверхность и принять участие в потенциальном зарождении жизни. Честно говоря, мы этого не знаем. Самые интересные органические молекулы, возникшие в результате этого эксперимента, аминокислоты и азотистые основания, значительно тяжелее молекул, составляющих атмосферу веществ. В настоящее время мы предполагаем, что они будут диффундировать по направлению к поверхности. С физической точки зрения такое вполне возможно, однако в основе этой гипотезы лежит полное отсутствие каких-либо данных о динамике атмосферы Титана.
Так какое все это имеет значение для жизни на Титане? Возникновение одних и тех же аминокислот и азотистых оснований в опытах, моделирующих как Титан, так и древнюю Землю, возможно, говорит о том, что эти молекулы — общие промежуточные этапы на извилистых путях химических реакций, в которые вступают органические вещества в обеих средах. Хотя некоторые из этих аминокислот и азотистых оснований используются земной жизнью, крайне маловероятно, что жизнь на Титане выбрала именно их, поскольку данные органические вещества не растворяются в жидком метане и этане.
Возможно, мы не заметили каких-то очень важных молекул, появившихся в ходе нашего эксперимента, поскольку нам о них ничего не известно — наши взгляды на жизнь по-прежнему находятся под влиянием земной жизни и составляющих ее молекул. Но так или иначе мы можем сказать, что Титан — разнообразная, химически активная среда, во многом сходная с ранней Землей. Большинство современных ученых полагают, что жизнь на Земле зародилась именно в такой среде. Так что в этом смысле Титан «как раз впору» для жизни. Но не стоит забывать, что мы не знаем, в результате чего состояние «как раз впору» сменилось реальной жизнью. С учетом того, что мы знаем о проходящих на Титане интенсивных химических процессах, не исключена вероятность того, что он может служить местом, пригодным для жизни.
Слишком холодно для жизни?
Можно ли говорить, что на Титане слишком холодно для жизни? Можно ли исключить всякую возможность жизни на основании одной лишь низкой температуры? И здесь опять ответ будет отрицательным. Все дело в том, что энергию для жизни дает не температура — энергию для жизни дают химические реакции.
Да, действительно, с повышением температуры скорость химических реакций увеличивается. То, что мы ощущаем как температуру, в действительности лишь хаотичное движение частиц (атомов или молекул), из которых состоит данная конкретная среда. Повышение температуры означает увеличение скорости, а значит, уменьшение времени, которое проходит между столкновениями атомов или молекул между собой. Для этого состояния нет температурного предела. Если ваш образец имеет температуру 300 К (27 °C), он обладает в два раза большим количеством теплоты, чем тот же образец при температуре 150 К (–123 °C).
Вода, из которой вы и я преимущественно состоим, станет твердой как камень задолго до того, как ее температура достигнет этого предела, поэтому можно сказать, что ниже определенного значения температуры земная жизнь не может существовать, для нее это слишком холодно. Это верно, но только потому, что земная жизнь основана на воде. Выберите другую жидкую среду, к примеру аммиак, метан или этан, и нижняя граница температуры, при которой возможна жизнь, опускается. Вам придется подобрать другие органические вещества, которые подходили бы для этой формы жизни, но большая часть органической химии по-прежнему будет в вашем распоряжении. Вы можете также раздвинуть границы земной жизни, смешав антифриз с небольшим количеством воды, и посмотреть, будет ли ферментная химия, используемая всеми живыми существами на Земле, работать по-прежнему. Как выяснилось, будет вплоть до температуры −100 °C. В целом, хотя низкие температуры отразятся на скорости протекания возможных биохимических реакций, они не помешают их осуществлению.
Если мы откажемся от землецентрической точки зрения, что температура от 0 до 100 °C «лучше всего» подходит для жизни, то обнаружим, что при более низких температурах жизнь обладает определенными преимуществами. Например, органическая химия Титана может использовать водородные связи (которые слабее ковалентных) для образования более широкого диапазона стабильных химических соединений, чем это возможно при более высоких температурах. Низкотемпературная титанианская жизнь марширует под более медленный ритм, чем теплолюбивая земная, однако, поскольку условия на Титане стабильны, это не помешает ей преодолеть как добиологическую часть пути, так и собственно возникновение жизни.
Неудобная правда
Самое трудное в обнаружении жизни на Титане — это придумать способ ее распознать. Даже на Земле ученые, представляющие различные дисциплины, не могут выработать единого определения жизни.
Вместо того чтобы рассматривать различные определения, применяемые зоологами, ботаниками, химиками, молекулярными биологами и прочими, давайте сосредоточимся на астробиологах. Давайте вспомним, какие методы применяли астробиологи ранее, когда пытались обнаружить признаки жизни, как, например, в случае экспедиции «Викинга» или изучения ALH84001. Каждая группа ученых использовала какое-то конкретное определение жизни, и при планировании экспериментов или проведении анализов они стремились проверить соответствие образцов именно этим гипотезам.
Начнем с «Викинга». В экспериментах, осуществленных в рамках биологической программы экспедиции «Викинга», питательные вещества добавлялись к образцам марсианского грунта при различных условиях. Во время планирования миссии ученые решили, что, если в ходе эксперимента будет зафиксировано выделение газов, это можно будет считать надежным показателем метаболической активности марсианских микробов. В данном случае определение жизни было: «Во мне идут процессы обмена веществ — значит, я существую». А как же тогда ALH84001? Ученые искали микроскопические — точнее, наноскопические — физические структуры, в которых можно было бы распознать окаменевшие клетки. В этом случае определением жизни было: «Я организуюсь — значит, я существую».
Итак, если мы полетим на Титан — давайте предположим, что это будет автоматическая миссия, — каким должно быть наше рабочее определение жизни? Мы пришли к заключению, что нам больше всего подходит определение жизни как самоподдерживающейся химической системы, подверженной дарвиновскому отбору. С учетом этого определения что мы будем искать и какие опыты будем проделывать?
Один из главных сторонников этого эволюционно ориентированного поиска жизни — Стивен Беннер из Фонда прикладной молекулярной эволюции. Он полагает, что три самые важные молекулы, которые использует земная жизнь, — ДНК (хранилище генетической информации), РНК (осуществляющая транспортную и строительную функцию) и белки (отвечающие за работу всей системы). Более того, он утверждает, что атомные структуры трех этих земных биомолекул соответствуют неким простым принципам, которые могут быть универсальными для любой жизни. Если мы научимся распознавать внеземные молекулы, соответствующие этим принципам, это позволит нам обнаружить инопланетную жизнь.
Один из самых простых принципов, которые нам предстоит усвоить, — полиэлектролитная теория гена. Суть ее заключается в том, что главное свойство, которое делает молекулу ДНК таким хорошим средством кодирования информации, — это повторение отрицательного заряда, присутствующего у фосфатных групп, составляющих остов всех молекул ДНК. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, это заставляет молекулы ДНК вытягиваться в длинные нити, что значительно облегчает ее дальнейшее считывание молекулой РНК. Кроме того, повторяющийся на всем протяжении электрический заряд определяет общие химические свойства молекулы ДНК, как, например, то, что она растворяется в воде. Тот факт, что изменение последовательности азотистых оснований C, A, G и T, из которых складывается здание нашей жизни, не меняет химических свойств молекулы, является исключительно важным условием для сохранения возможности генетических изменений (хотя некоторые ученые с этим не согласны).
Так что наша задача — придумать эксперименты по образцу тех, что проводились молекулярными биологами, которые были бы достаточно простыми и надежными, чтобы их можно было осуществить на Титане и попробовать отыскать эти характерные молекулы на месте. Это очень многообещающее новое направление — определение жизни на языке молекулярной биологии. Те из вас, кто подходит к астробиологии с практической точки зрения, вероятно, согласятся, что некое сочетание из трех изложенных выше подходов — метаболизма, клеточной структуры и молекулярной структуры — позволит нам создать исчерпывающую программу биологических исследований для Титана.
Кто съел весь ацетилен?
Титан постоянно подвергает сомнению наши представления о химическом составе его поверхности и атмосферы. Некоторые из этих представлений вполне убедительны: метан, присутствующий в атмосфере в больших количествах, преобразуется в более сложные органические соединения в результате воздействия солнечного излучения. Другие черты титанианской атмосферы нам по-прежнему непонятны: если метан превращается в более сложные химические вещества, то почему он со временем не иссякает?
При современной скорости фотохимических реакций метан, в настоящее время присутствующий в атмосфере, будет весь израсходован примерно за 50 млн лет. В масштабах времени существования Солнечной системы — это одно мгновение. Так как же восполняются запасы метана? Довольно убедительным объяснением этого явления может служить криовулканизм, когда струи газа изливаются на поверхность спутника из подземных резервуаров. Однако до сих пор никаких примеров отчетливых вулканоподобных образований на поверхности Титана обнаружено не было. Другим объяснением может быть биологическое происхождение метана, и этот вариант вполне заслуживает рассмотрения.
В 2005 г. тот же самый Крис Маккей, который выдвинул шуточную гипотезу уникального Титана, опубликовал небольшую статью, посвященную наличию в атмосфере Титана значительного количества потенциального метаболического топлива. Одним из самых простых (и самых высокоэнергетических) способов поддержания жизнедеятельности для жителей Титана могла бы быть реакция ацетилена с водородом, при которой выделяются две молекулы метана: C2H2 + 3H2 = энергия + 2CH2. Что нужно отметить в этой реакции? Ацетилен и водород потребляются обитающими на поверхности Титана живыми организмами, и в результате выделяется метан. Хорошо, а как это согласуется с нашими измерениями количества метана в атмосфере Титана?
Возможно, вы удивитесь, но атмосферные наблюдения, выполненные «Вояджером» и «Кассини», неплохо согласуются с возможными последствиями такого простого ацетиленового метаболизма. Два исследования проливают свет на такую странную химию Титана. В первом исследовании использованы данные миссий «Вояджера» и «Кассини», которым удалось измерить количество молекулярного водорода на больших высотах, где он, предположительно, возникает в результате разложения метана под воздействием солнечного света, и рядом с поверхностью. К немалому удивлению ученых, выяснилось, что в нижних слоях атмосферы присутствует гораздо больше водорода, чем в верхних. Их удивление легко понять: мало того, что, согласно предположениям, водород производился на большой высоте над поверхностью Титана, но к тому же водород — самый легкий из всех атмосферных газов. Полученные данные указывали на то, что какая-то часть водорода из слоя высотной дымки опускается вниз (и еще примерно столько же улетучивается в космос). Так куда же этот водород девается? Он должен на что-то расходоваться, будь то на поддержание водородолюбивой жизни или, что более прозаично (но от этого не менее интересно), на осуществление какой-то химической реакции на поверхности планеты. Нам известно, что покрывающий поверхность слой органической пыли полностью лишен ацетилена. Один из наиболее распространенных побочных продуктов разложения атмосферного метана под воздействием солнечного света, ацетилен, должен постоянно выпадать на поверхность Титана. Однако приборы «Кассини» не обнаружили его следов в спектре отраженного от поверхности света.
Так можно ли считать это неопровержимым доказательством существования ацетиленоядных микробов, нежащихся на окутанных туманной дымкой берегах титанианских озер? Разумеется, нет. Прежде чем делать вывод о существовании жизни, хороший астробиолог должен исключить все прочие причины наблюдаемых явлений. Возможно, ответственность за судьбу опускающегося вниз молекулярного водорода и за отсутствие ацетилена лежит на каком-то одном химическом процессе. Это может быть какая-то небиологическая поверхностная реакция с участием ацетилена и водорода, в результате которой синтезируются новые органические вещества, и в связи с этим стоит заметить, что большая часть поверхности Титана покрыта органическим дегтем неизвестного химического состава.
Однако косвенные указания остаются убедительными. Живые существа не выйдут встречать наш космический корабль и не прильнут к окулярам телескопов. Тем не менее можно не сомневаться, что нас там ждут загадки, аномалии, необъяснимые явления. Возможное присутствие метана на Марсе, таинственное исчезновение ацетилена и водорода рядом с поверхностью Титана — вот те указания на присутствие жизни, которые мы обнаружили, и нам же будет хуже, если мы оставим их без внимания. Перед нами стоит задача подробно изучить химию Титана, и для ее решения нам непременно нужно там побывать.
Экспедиция на Титан: продержаться на плаву
С учетом того, что мы знаем о Титане, а также того, что нам по-прежнему неизвестно, — какие научные эксперименты следует провести будущей экспедиции на Титан? Как будет выглядеть космический корабль? Какие технологии нам понадобятся для достижения своих целей? На настоящий момент разрабатывается несколько миссий, но, к сожалению, все они находятся в полузаброшенном состоянии — никто не говорит, что они не нужны, но потребность в них не настолько велика, чтобы выделять под это финансирование.
Сможем ли мы когда-нибудь преодолеть темную полосу финансовых неурядиц, постигших НАСА и ЕКА, и выйти на залитые солнцем просторы, на которых нас ожидает экспедиция к Титану? Несомненно! Это вполне по силам тем, кто отстаивает Титан в качестве главной цели для нашей следующей флагманской миссии во внешнюю Солнечную систему. Основополагающие принципы будущей экспедиции к Титану были разработаны в рамках проекта «Миссия к системе Титан — Сатурн» (TSSM). Планируется, что космический аппарат достигнет окрестностей Сатурна, совершит несколько пролетов на небольшом расстоянии от Титана и Энцелада, а затем выйдет на стационарную орбиту вокруг Титана, откуда спустит в атмосферу спутника два автоматических зонда.
Первый зонд будет нести 600 кг научной аппаратуры, которая будет располагаться в гондоле аэростата (НАСА и ЕКА в анонсе миссии романтически именуют его «монгольфьером»). Это исключительно смелый, но вместе с тем остроумный план, который должен сработать в холодной и плотной атмосфере Титана. Излишки тепла от находящегося на борту радиоизотопного термоэлектрического генератора позволят постоянно подогревать воздух в шаре. Планируется, что срок службы аппарата составит 6 месяцев. За это время циркулирующие на Титане ветры пронесут десятиметровый воздушный шар вокруг всего спутника на высоте 10 км‹‹8››. Основная научная задача зонда на воздушном шаре — съемка поверхности с недоступными для орбитальных аппаратов разрешением и длиной волны, как, например, широкоугольные снимки с разрешением до 1 м. Зонд будет отбирать образцы атмосферы и с помощью масс-спектрометра анализировать, насколько они различаются по химическому составу в зависимости от места. Это будет величайший полет на аэростате из всех, которые когда-либо знало человечество.
Второй аппарат должен будет опуститься на одно из больших титанианских озер и в дальнейшем плавать по его поверхности. Это будет целая химическая лаборатория, оснащенная масс-спектрометром, способным определять размер и состав молекул, содержащих до 10 000 атомов. Фонарь и фотокамера будут, соответственно, освещать и делать снимки поверхности озера. Время работы этого посадочного модуля будет ограниченно, поскольку вместо дорогостоящего плутониевого источника энергии на спускаемом модуле предполагается разместить химические батареи. С нормативным сроком службы батареи 9 часов, из которых 6 уйдет на спуск к поверхности, у зонда остается только 3 часа на анализ жидких углеводородов, составляющих титанианские озера.
В первую очередь, миссия Титан — Сатурн посвящена химическим исследованиям: она опишет химический состав титанианской атмосферы и озер и, я уверен, подарит нам немало сюрпризов. Обнаружит ли эта экспедиция жизнь? Только если мы возьмем на себя смелость утверждать, что любые упорядоченные молекулы — это и есть жизнь. Однако она вполне может обнаружить сырье, которое эта жизнь, если она все-таки есть, потребляет и перерабатывает.
Если бы вы, в духе этой книги, планировали исследовательскую экспедицию к Титану, устроили бы вас такие цели или бы вы постарались пройти чуть дальше? Если вы действительно стремитесь к великим целям, то, непременно, захотели бы включить в программу экспедиции на Титан биологические эксперименты, аналогичные тем, что были проделаны миссией «Викинга». Вы могли бы попробовать предсказать какие-то отличительные черты титанианского метаболизма и запланировать соответствующие химические эксперименты. Но экспедиция «Викинга» научила нас, что до тех пор, пока у вас не будет общего понимания химических процессов, протекающих в интересующей вас среде, результаты ваших опытов будут в лучшем случае давать неоднозначный ответ относительно присутствия жизни. Из-за бюджетных ограничений в программу «Викинга» не был включен эксперимент, получивший название «ловушка Вольфа» в честь своего создателя Вольфа Вишняка. Его идея заключалась в том, чтобы добавить марсианскую почву в колбу с водой и измерить степень ее помутнения, вызванного бактериальным ростом. Такие «Волчьи капканы» — стандартный инструмент, применяющийся в биологических исследованиях сухих долин в Антарктиде. Это простая и остроумная идея: «Я расту, значит, я существую», и ее вполне можно применить для определения бактериального роста в озерах Титана, только образец надо добавлять к пробирке с жидким метаном, а не с водой.
Полагаю, старая поговорка «Увидеть — значит поверить» будет важным аргументом в пользу оснащения зонда инструментами для микрофотосъемки, которые позволят точно определить, какие потенциальные биологические объекты присутствуют в «водах» озера. Нам нравится представлять себе момент научного открытия, когда ребенок впервые смотрит в микроскоп на каплю воды и обнаруживает в ней множество крошечных живых существ. Но только вообразите, какие необыкновенные открытия нам предстоят, если мы оснастим титанианский посадочный модуль мощным электронным микроскопом! Возможно, нам придется попотеть над подготовкой образцов для анализа, но полученные таким образом микроснимки и замедленная съемка позволят сразу же сделать выводы о наличии клеточной жизни.
С учетом этих ограничений и неопределенностей, почему я не уговариваю вас проникнуться энтузиазмом и запустить к Титану миссию по доставке образцов? Ведь для нас это действительно важно! Да, конечно, однако на это потребуется невероятное количество денег. По сравнению с доставкой образцов с Титана аналогичная миссия на Марс покажется детской забавой. Поэтому придется работать с тем, что у нас есть, а это $4 млрд или около того. На эти деньги можно отправить только экспедицию типа TSSM, которая по нынешним расценкам обойдется в $2,5 млрд.
Не уходи смиренно в сумрак вечной тьмы
Совершив 12 ноября 1979 г. пролет мимо Титана, «Вояджер-1» лишился возможности сблизиться с какой-либо еще планетой Солнечной системы. Не желая упустить возможность пройти на малом расстоянии от Титана, центр управления полетом изменил траекторию «Вояджера-1», и после сближения со спутником крохотный зонд вышел из плоскости эклиптики и начал удаляться за пределы Солнечной системы. Следовавший за ним по пятам «Вояджер-2» сблизился с Сатурном 25 августа, однако, в отличие от предшественника, продолжил движение по первоначальному курсу, что позволило ему в дальнейшем достичь Урана и Нептуна.
Какая судьба ожидает эти космические аппараты? Оба «Вояджера» сейчас проходят через турбулентный регион Солнечной системы, именуемый гелиопаузой, — область, где давление частиц солнечного ветра уравновешивается давлением межзвездной среды. Некоторые журналисты называют эту область «границей Солнечной системы». На самом деле это лишь первая из нескольких промежуточных точек на нашем пути.
«Вояджер-1» движется со скоростью 56 000 км/ч, или 3 а.е. в год‹‹9››. Он покинет область гелиопаузы и примерно через 1000 лет войдет в облако Оорта — неизведанное и невидимое царство древних комет. Примерно на полпути до ближайших звезд зонд выйдет за пределы гравитационного воздействия Солнца и присоединится к веренице звезд, вращающихся по своим орбитам в нашей Галактике. В конце концов через 90 000 лет оба зонда преодолеют расстояние до ближайшей к нам звездной системы — Альфа Центавра, расположенной в 4,3 световых года от Солнца‹‹10››.
Мы делаем лишь первые шаги в далекий мир. Позволят ли новые технологии догнать и перегнать «Вояджер-1» на его пути к ближайшим звездам? Будем ли мы существовать через 90 000 лет как биологический вид? Удастся ли нам возмужать и преодолеть все болезни роста? Это, конечно, непростые вопросы. Пока расстояние даже до ближайших звезд невероятно велико по сравнению с нашими сегодняшними возможностями звездоплавания. Тем не менее именно на эти звезды нам предстоит обратить свое внимание и использовать астрономические наблюдения, а не космические аппараты для изучения их планетных систем и условий для существования жизни.
Глава 8. Экзопланеты: миры без конца
Вы помните, как в первой главе я предлагал вам выйти на улицу, поднять голову и всмотреться в звездное небо? Каждая из нескольких тысяч звезд, которые вы видите на небе невооруженным глазом, — это почти такое же солнце, как наше собственное. Однако большая часть из 400 млрд звезд, составляющих галактику Млечный Путь, расположена слишком далеко и недоступна для нашего взора. Но если наше Солнце — рядовая, ничем не примечательная звезда, каких в Галактике миллиарды, то что можно сказать о планетах? Они тоже обыкновенные? Правда ли, что у каждой звезды, которую мы видим в ночном небе, есть свой планетный эскорт?
В этой главе речь пойдет об открытии экзопланет — планет, обращающихся вокруг далеких звезд. Какие они? Неизведанные новые миры вроде тех, о которых писали фантасты, или самые обычные планеты, похожие на те, что имеются в нашей Солнечной системе? Как выясняется, и то и другое — правда. Несмотря на то что большинство экзопланет было обнаружено только по косвенным признакам — свет от планет теряется в сиянии родительских звезд, — мы в силах измерить некоторые из их фундаментальных физических свойств. Окажутся ли они газовыми гигантами, подобными Юпитеру, или каменистыми планетами, такими как Земля? Будут они теплыми и гостеприимными или нам предстоит встреча с экстремально неприятными значениями температур?
История экзопланет — это история непрерывных открытий: за каких-то 20 лет были обнаружены тысячи миров, о существовании которых мы даже не догадывались. Но наш неугомонный внутренний астробиолог торопится задать вопрос по существу: как оценить вероятность того, что на этих планетах есть жизнь? Как мы сможем подтвердить ее присутствие? Нам предстоит долгое научное путешествие. Но есть одна очевидная трудность: звезды и их планеты расположены очень далеко от нас. Когда мы говорим о поисках жизни на экзопланетах, мы понимаем, что нам необходимо менять свои методы. Мы находимся слишком далеко от экзопланет и той жизни, которая, возможно, на них обитает. Послать туда автоматический зонд для доставки на Землю проб воздуха и грунта? Не вариант. Вместо этого нам придется использовать телескопы и другие методы дистанционных наблюдений.
Поиски инозвездных планет
Так как же мы находим экзопланеты? В первой главе я рассказывал об открытии первой экзопланеты, 51 Пегаса b, и о том, что она была обнаружена благодаря гравитационному воздействию, которое оказывает на родительскую звезду. Движение планеты по своей орбите заставляет саму звезду совершать небольшие вращения вокруг общего центра тяжести, которые могут быть зафиксированы с помощью мощного спектрографа. Этот метод известен как спектроскопическое измерение лучевой скорости звезд, или метод Доплера. С 1995 г. с его помощью было открыто несколько сотен новых экзопланет.
В этой главе я хочу сосредоточить свое внимание еще на одном методе обнаружения экзопланет. Этот метод получил название транзитного метода. Сам по себе он не лучше и не хуже метода Доплера (или любого другого метода, о котором я не могу здесь рассказать в силу ограниченности места на страницах книги). Однако история транзитного метода, его развития и достижений, на мой взгляд, заслуживает отдельного разговора.
Мерцай, мерцай, маленькая звездочка
Мерцание звезд, которые мы видим на ночном небосклоне, объясняется турбулентностью земной атмосферы. Если поменять место наблюдения и проводить наблюдения звезды из космоса — что мы и делаем посредством расположенных там телескопов, — дрожащие, колышущиеся изображения замрут в неподвижности.
Однако некоторые звезды отличаются удивительным непостоянством: пульсации их обширной атмосферы, состоящей из плазмы, вызывают изменения яркости, подобные медленному биению звездного сердца. Но, если мы ограничимся только «порядочными», неизменными звездами, иногда на их диске можно разглядеть слабое, еле заметное затемнение — изменения яркости происходят с регулярностью часового механизма. Это признак наличия планеты. Незначительное уменьшение яркости родительской звезды вызвано прохождением по ее диску планеты. Мы называем это явление транзитом. На практике это очень похоже на солнечные затмения, которые мы наблюдаем с Земли, хотя в данном случае свет звезды нам закрывает планета, а не наша Луна.
Планетные транзиты происходят и в нашей Солнечной системе. С Земли регулярно можно наблюдать, как Венера проходит по диску Солнца. Ей требуется примерно 7 часов, чтобы закончить проход. Во время транзита Венера закрывает незначительную часть солнечной поверхности. Какую именно? С Земли Венера выглядит как черный круг, движущийся по солнечному диску. Как известно, площадь круга равна числу π, умноженному на квадрат его радиуса. В данном случае радиус Венеры приблизительно равен 6000 км. Площадь солнечного диска равна числу π, умноженному на квадрат радиуса Солнца — 700 000 км. Отсюда получаем, что доля солнечного света, которую закрывает от нас транзит Венеры, равна отношению квадратов радиусов, т. е. одна десятитысячная часть.
Это если смотреть на Венеру с Земли. Но что бы увидел удаленный наблюдатель, если бы следил за прохождением по солнечному диску такой большой планеты, как, например, Юпитер? Юпитер примерно в 11 раз больше Венеры. Доля солнечного диска, которую будет закрывать транзит Юпитера, составит одну сотую, или 1 %. Современным земным телескопам вполне по силам зафиксировать такое изменение яркости. С учетом всего сказанного неудивительно, что первыми экзопланетами, обнаруженными с помощью транзитного метода, были миры размером с Юпитер, обращающиеся вокруг звезд, похожих на наше Солнце.
Но что, если орбита, по которой вращается планета, такова, что не оказывается между нами и родительской звездой? Что, если наши звездные системы расположены под таким углом друг к другу, что мы видим планету движущейся по орбите вокруг своей звезды? Тогда наше взаимное расположение в космосе таково, что планета никогда не окажется между нами и звездой — мы никогда не увидим транзита в этой системе‹‹1››.
Это действительно так. Мы наблюдаем транзит, только если планета оказывается на одной линии со звездой и наблюдателем с Земли. Имеет ли это какое-то принципиальное значение? Нет, ни малейшего. В зависимости от размера звезды, размера планеты и радиуса орбиты мы можем ожидать, что только 10 % далеких планет будут проходить между нами и своей родительской звездой. Во всех других отношениях эти 10 % планет ничем не будут отличаться от остальных. И только случайность решает, сможем ли мы наблюдать их транзит или нет.
Что мы можем узнать о планете на основании периодических затмений ее родительской звезды? Во-первых, мы можем определить период ее обращения. Если транзит наблюдается каждые 20 дней, это значит, что планета совершает один оборот вокруг звезды каждые 20 дней. Это очень просто. А что нам скажет процент уменьшения яркости? На основании этого значения мы можем рассчитать отношение площади проекции планеты к площади проекции звезды, что в свою очередь даст нам возможность определить соотношение их радиусов. Еще один важный момент заключается в том, что все звезды подчиняются одним и тем же физическим законам. Если вам известна светимость звезды и температура ее поверхности, вы можете очень точно рассчитать ее радиус. Затем, зная параметры транзита, можно определить радиус планеты. Если к тому же вы сможете измерить массу планеты с помощью доплеровской спектроскопии, вы сразу узнаете ее плотность. Это позволит вам составить представление о физических свойствах планеты: плотная и твердотельная или разреженная и газовая.
Итак, благодаря относительно простым наблюдениям вы можете узнать период обращения планеты и ее радиус (а также массу и плотность). Наблюдения, которые используются для обнаружения транзита, также дают нам массу сведений о звезде, вокруг которой обращается планета: более массивная, яркая и горячая, чем наше Солнце, или, наоборот, меньше, тусклее и холоднее. На самом деле мы можем узнать даже больше. Но прежде, чем мы поговорим об этом, я бы хотел вам представить моего друга Иоганна Кеплера.
«Несравненный человек» Иоганн Кеплер
Иоганн Кеплер жил на территории современной Германии и Австрии с 1571 по 1630 г. Он был астрономом и математиком, современником и корреспондентом Галилея. На его судьбу, как и на судьбу Галилея, в значительной степени повлияли религиозные преобразования и войны, которые бушевали в то время в Европе. Я бы хотел объяснить, почему Кеплер — настоящий герой и подвижник науки, хоть он и не снискал такой широкой славы, как Галилей. Кеплер — герой по крайней мере в моих глазах, поскольку он был первым ученым, который сумел понять, что его представления об устройстве Вселенной были неверны. Неверны, потому что они не согласовывались с результатами наблюдений. Его дорога к величию отмечена не столько открытиями, сколько отказом от прежних воззрений.
Сказать, что Кеплер был очарован движениями планет, — это почти ничего не сказать. Он был одержим ими. В своем первом крупном труде Кеплер сформулировал законы движения планет с помощью системы правильных многогранников, или Платоновых тел‹‹2››, вписанных в сферы орбит планет. Эта модель выглядела очень эффектно и вносила приятную глазу математическую гармонию в недавно вошедшую в обиход гелиоцентрическую систему. Но, к сожалению, она оказалась неверна. Кеплер обнаружил свою ошибку, воспользовавшись методом, который с тех пор применяется всеми учеными: он попытался на основании своей модели предсказать положение планет в небе и сравнил свои выкладки с имеющимися наблюдениями. Стоит отметить, что для этого потребовалось выполнить вручную такое количество невероятно кропотливых вычислений, какое едва ли возможно себе представить в наш компьютерный век.
Хотя сам Кеплер был не слишком хорошим наблюдателем, ему удалось (после ожесточенных споров) стать хранителем огромного каталога астрономических наблюдений, скрупулезно проделанных его предшественником и наставником Тихо Браге. Кеплер работал помощником Браге вплоть до смерти последнего в 1601 г., и эти два таких разных по характеру человека не испытывали друг к другу большой симпатии. Однако стоит подчеркнуть, что у Кеплера хватило мудрости не подвергать сомнению результаты работ Тихо Браге. Ошибка астрономических наблюдений в каталоге Браге обычно не превышала двух угловых минут.
С учетом того, каких трудов стоило вычисление положений планет, Кеплер сосредоточил свои усилия на Марсе: если наблюдать Марс с Земли, то можно видеть, что время от времени он начинает двигаться в обратном направлении и, совершив по небу круг, возвращается на прежнюю траекторию. Ни одна из существовавших в то время теорий не позволяла объяснить это явление, и расчеты, сделанные Кеплером для круговой орбиты, также расходились с результатами наблюдений. Предсказанное им положение Марса отличалось от наблюдаемого на восемь угловых минут, или приблизительно четверть диаметра полной Луны. Раздосадованный тем, что годы упорного труда прошли впустую, Кеплер, однако, не посчитал возможным пренебречь результатами наблюдений. Он мог бы не обратить внимания на несоответствия или придумать им какое-то объяснение. Он мог бы усомниться в точности наблюдений. Он мог решить, что, прежде чем отказываться от такой стройной теории, надо получить более веские опровержения. Но Кеплер был, вероятно, первым современным ученым, поскольку осознавал, что каждая мелочь имеет значение, а в его теорию эти мелочи не вписывались.
Кеплер вновь уселся за свой письменный стол, разочарованный, но по-прежнему полный решимости. Долгие поиски вернули его к той же точке, с которой он начинал, — к неподдающейся объяснению замысловатой орбите Марса. На самом деле Кеплер уже вплотную подошел к разгадке, просто сам еще этого не понимал. Могла ли орбита быть не кругом, а эллипсом? Кеплеру уже было известно, что эллипсы, как и круги, относятся к семейству кривых, именуемых коническими сечениями, образованных пересечением плоскости с конусом.
Вернувшись к идее эллиптических орбит, Кеплер неожиданно обнаружил, что они идеально подходят для описания движения Марса. Остальные известные планеты заняли свои места в Солнечной системе, расположившись на эллиптических орбитах. Свое открытие он сформулировал в виде первого закона планетного движения: планеты обращаются вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, причем в одном из фокусов эллипса расположено Солнце. Каждая планета двигалась в собственном ритме: ускоряясь вблизи Солнца и замедляясь на другом конце эллипса. Это стало вторым законом. Наконец, Кеплер выразил математическую гармонию планетных орбит в третьем законе: квадрат периода обращения планеты пропорционален кубу среднего расстояния от Солнца.
Кеплер умер в 1630 г., а его законы получили окончательное признание лишь 57 лет спустя, в 1687 г., когда Исаак Ньютон опубликовал один из самых выдающихся трудов в истории науки — «Математические начала натуральной философии» (Mathematical Principles of Natural Philosоphy), в котором среди прочего сформулировал закон всемирного тяготения. Ньютон восхищался законами Кеплера. Полученные с помощью этих законов предсказания положения планет оставались такими же точными, как в тот день, когда эти законы были впервые сформулированы. Но почему? Какая невидимая сила заставляла планеты вращаться вокруг Солнца? Пытаясь найти ответ на этот вопрос, Ньютон создал закон всемирного тяготения, в соответствии с которым сила гравитационного притяжения между двумя телами пропорциональна произведению массы этих тел, разделенному на квадрат расстояния между ними. Ньютон показал, что законы Кеплера справедливы не только для Солнечной системы, но и для любой планетной системы, обращающейся вокруг звезды. Иными словами, зная массу родительской звезды, вы можете рассчитать диапазон возможных планетных орбит‹‹3››. Вместе законы Ньютона и Кеплера позволяют отследить движения планет не только вокруг нашего Солнца, но и вокруг всех звезд, которые обладают планетными системами.
И наконец, становится на место последний элемент головоломки, которого нам не хватало для полноты картины, полученной на основе наблюдений планетного транзита: зная орбитальный период планеты и массу родительской звезды, вы можете с помощью третьего закона Кеплера вычислить орбитальный радиус. Теперь вы представляете себе масштаб новой планетной системы.
«Кеплер» — космический телескоп
Благодаря всем перечисленным особенностям планетные транзиты служат нам щелочкой, в которую мы можем подсмотреть отдаленные планетные системы. Однако для этого нужна исключительно высокая точность. Транзит планеты размером с Землю перед звездой величиной с Солнце вызывает уменьшение ее яркости на одну десятитысячную, или на 0,01 %. Чтобы быть уверенным, что вы наблюдаете именно транзит, а не случайную погрешность, ошибка измерений должна быть в пять раз меньше ожидаемой величины сигнала, или 0,002 %‹‹4››. Этого трудно добиться даже на больших наземных телескопах, большинство из которых позволяет измерить яркость звезд с точностью, не превышающей 1 %.
Для обнаружения транзита необходимы точные измерения, а значит, надо переносить телескоп в космос. Наблюдения, проводимые за пределами Земли, обладают несколькими важными преимуществами. Вы избавляетесь от влияния земной атмосферы с ее турбулентностью и рассеянным светом. Вы можете проводить наблюдения непрерывно, независимо от смены дня и ночи. И наконец, стабильные условия наблюдения в сочетании с малошумными цифровыми датчиками позволяют проводить фотометрические‹‹5›› измерения высочайшей точности.
В 1984 г. небольшая группа ученых, возглавляемая Уильямом Боруки из Исследовательского центра Эймса в Калифорнии, впервые свела эти идеи воедино. Они задумали построить космическую обсерваторию, которая позволила бы на протяжении 4 лет непрерывно наблюдать участок неба, содержащий 160 000 ярких звезд. Вероятность случайного попадания трех точек на одну линию указывает, что даже если у каждой звезды есть планета, то в лучшем случае мы сможем наблюдать транзит лишь у 10 % из них, т. е. у 16 000 звезд. Точность наблюдений будет достаточной, чтобы обнаружить транзит планеты размером с Землю по диску звезды, подобной Солнцу. Если эта далекая «Земля» совершает оборот вокруг своей родительской звезды за один год, тогда за 4 года работы миссия по обнаружению новых миров должна зафиксировать 4 транзита в этой системе, чтобы мы могли быть уверены в природе наблюдаемого явления.
Прошло больше 20 лет, прежде чем космический телескоп «Кеплер» был запущен в космос и смог приступить к поиску новых миров. НАСА бесконечное число раз отклоняло планы проведения миссии, но, к чести готовивших ее ученых, надо отметить, что все технические трудности и сомнения были преодолены с помощью лабораторных и полевых испытаний‹‹6››. «Кеплер» был выбран в качестве исследовательской миссии НАСА в декабре 2001 г. Сколько это стоило? $600 млн на все: создание телескопа, запуск и обработку данных на Земле. С учетом полученных на сегодняшний день научных результатов инвестиции оказались очень выгодными.
Космический телескоп «Кеплер» был запущен 6 марта 2009 г. Основная программа была рассчитана на 3,5 года с возможностью проведения наблюдений на протяжении 6 лет. Размеры «Кеплера» относительно невелики, диаметр его главного зеркала составляет 0,95 м. Главное достоинство телескопа — 95-мегапиксельный сверхчувствительный фотометр. Телескоп направлен на скопления звезд между созвездиями Лиры и Лебедя, и его поле зрения охватывает 105 квадратных градусов. Это очень обширный участок неба. Если учесть, что угловой размер Луны равен примерно половине градуса, то поле зрения «Кеплера» настолько велико, что по каждой его стороне разместилось бы по 21 Луне.
Зачем это понадобилось? В поле зрения телескопа попадает 160 000 звезд, яркость которых позволяет добиться необходимой фотометрической точности, при этом они не должны перекрывать друг друга или проецироваться на дальние галактики. Каждые шесть секунд «Кеплер» фотографирует это скопление звезд, а затем обрабатывает и записывает полученные данные. Первичная информация не сохраняется, поскольку в таком случае у «Кеплера» довольно быстро закончилось бы место на жестком диске. Более того, скорость, с которой поступает информация, значительно превышает скорость передачи данных на Землю. Вместо этого «Кеплер» замеряет яркость каждой из 160 000 исследуемых звезд и хранит только эту информацию. На основании массивов измерений яркости, сделанных для каждого снимка, затем рассчитываются средние значения за 3 минуты. «Кеплер» хранит эту информацию в сжатом виде на диске и только раз в месяц посылает «цифровую открытку» со значениями яркости для каждой звезды на Землю, где этих ежемесячных посланий с нетерпением ожидает команда ученых, анализирующая данные наблюдений.
«Кеплер» следовал этому распорядку на протяжении 4 лет, последовательно измеряя яркость всех 160 000 звезд каждые 6 секунд. Такое терпение и аккуратность сделали бы честь даже Кеплеру. К несчастью, 11 мая 2013 г. произошла поломка второго из четырех установленных на борту двигателей-маховиков. Эти двигатели применяются для высокоточной ориентации и стабилизации космического телескопа, обеспечивая его выравнивание вдоль осей. Поскольку пространство имеет три измерения (оси), необходимо по крайней мере три двигателя-маховика, чтобы поддерживать ориентацию телескопа на определенный участок неба. Более того, поскольку точность ориентации телескопа является критически важным компонентом, влияющим на общую погрешность измерения яркости звезд, отказ двух двигателей-маховиков означал для «Кеплера» полную потерю управляемости и работоспособности.
Основная часть миссии по обнаружению экзопланет завершилась, но слухи о кончине самого «Кеплера» сильно преувеличены — телескоп по-прежнему способен следить за различными участками неба, используя для стабилизации космического аппарата давление солнечного излучения. В будущем нас, несомненно, ждут новые миссии по обнаружению внесолнечных планет, но не будет преувеличением сказать, что миссия «Кеплера» позволила нам раздвинуть границы наших познаний так же, как и любая другая космическая миссия в настоящем, прошедшем и, возможно, будущем. Так что же мы выяснили? Как выглядят эти дивные новые миры?
Горячие юпитеры
Чтобы охарактеризовать недавно открытые экзопланеты, нам придется выдумать новые термины — новые слова для новых классов планет. Теперь вокруг звезд нашей галактики Млечный Путь обращаются горячие юпитеры и сверхземли. Самое удивительное в том, что касается недавно открытых экзопланет — различными методами, не только с помощью «Кеплера», — это их невероятное разнообразие. Упомянутая ранее 51 Пегаса b была первым обнаруженным горячим юпитером, а теперь я хочу представить вам Ипсилон Андромеды b. Звезда Ипсилон Андромеды расположена в 44 световых годах от Земли. Это звезда спектрального класса F, немного горячее и ярче нашего Солнца и, по счастливой случайности, видимая невооруженным глазом‹‹7››. Ипсилон Андромеды b была обнаружена в 1996 г., через год после 51 Пегаса b, и это еще один пример горячего юпитера — этой удивительной новой разновидности планет. Но на каких измерениях основано это утверждение? А конкретнее, как мы определяем температуру планеты?
На основании лучевых скоростей планет в системе Ипсилон Андромеды мы смогли определить, что масса Ипсилон Андромеды b равна примерно половине массы Юпитера и он обращается вокруг своей родительской звезды за 4,6 суток. Если масса звезды сопоставима с массой Юпитера, мы можем считать, что этот мир похож на Юпитер, но почему в таком случае он горячий? Чтобы в этом разобраться, мы должны вспомнить третий закон Кеплера и зависимость между периодом вращения и орбитальным радиусом. Если масса родительской звезды примерно такая же, как у Солнца, мы можем представлять себе орбиту Ипсилон Андромеды b в масштабах нашей Солнечной системы. Итак, если период обращения составляет 4,6 суток, то орбитальный радиус Ипсилон Андромеды b равен приблизительно 1/12 (точнее 0,06) а. е. Это примерно восьмая часть расстояния от Меркурия до Солнца. Очевидно, это будет горячая планета, но можно ли сказать точнее?
Чтобы определить температуру поверхности планеты, мы должны сделать одно важное допущение: большую часть энергии, полученной от своей родительской звезды, планета отдает в космос. На основании температуры родительской звезды, доли ее излучения, поглощаемой планетой (в противовес отражаемому излучению), и орбитального расстояния планеты можно подсчитать температуру энергетического баланса на поверхности планеты. Для Ипсилон Андромеды b равновесная температура оказалась больше 1130 °C — действительно горячо!
Однако вскоре выяснилось, что, если вычесть влияние планеты Ипсилон Андромеды b на доплеровское смещение родительской звезды, у нее по-прежнему будут наблюдаться заметные колебания лучевой скорости, а значит, в ее системе есть и другие планеты. Как оказалось, Ипсилон Андромеды обладает четырьмя планетами с массами порядка массы Юпитера, обращающимися на расстоянии, сопоставимым с орбитальным радиусом Юпитера в нашей Солнечной системе. Три оставшиеся планеты более удалены от звезды, чем планета b, и, следовательно, температуры равновесия для них будут ниже. Я надеюсь, что на этом месте у вас что-то щелкнуло и вы увидели связь между равновесной температурой и зоной обитаемости. Хотя зону обитаемости можно определить несколькими способами — от самых простых, не выходящих за рамки курса общей физики, до более сложных, учитывающих состав атмосферы конкретной планеты, — но проще всего, наверное, сказать, что границы зоны обитаемости устанавливаются из расчета, что температура равновесия для планет должна находиться в диапазоне между 0 и 100 °C.
…и сверхземли!
Одной из самых неожиданных находок в коллекции планет, обнаруженных «Кеплером», стало большое количество миров, радиусы которых равны радиусу Земли или незначительно (до четырех раз) его превышают. В нашей Солнечной системе радиусы Урана и Нептуна в четыре раза превышают земной. Их массы равны 14 и 17 массам Земли соответственно. В нашей Солнечной системе нет планет, чья масса превышала бы массу Земли, но была бы меньше массы Нептуна, однако в каталоге планет, обнаруженных «Кеплером», планеты среднего размера встречаются чаще всего. Как они выглядят? Окажутся ли они каменными планетами с массой большей, чем Земля, так называемыми сверхземлями, или уменьшенными юпитероподобными мирами, маломерными Нептунами?
Ярким примером сверхземли может служить планета под названием Кеплер 10c. Она была обнаружена космическим телескопом «Кеплер» с помощью транзитного метода. Ее радиус в 2,3 раза больше земного. Вычисленная на основании лучевой скорости родительской звезды масса планеты в 17 раз больше массы Земли — почти так же, как масса Нептуна. Зная массу и радиус, мы можем вычислить плотность Кеплера 10c. Она в 1,3 раза плотнее Земли, а это значит, что ее нельзя отнести к газовым гигантам: это суперсверхземля. Но почему планеты с массой, превышающей массу Земли в 17 раз, иногда оказываются каменными (как Кеплер 10c), а иногда газовыми гигантами (как Нептун)? У нас пока нет ответа на этот вопрос.
Теперь можно сказать, что было бы совсем не интересно и даже немного обидно, если бы оказалось, что наша планетная система всего лишь одна из множества таких же систем, созданных словно по шаблону.
Надо признаться, что наша современная планетология — как показало открытие экзопланет — больше напоминает фантастический сценарий, в котором возможны почти любые варианты планет. Но от этого она только интересней!
Множественность миров
В нашем языке нет общепринятого собирательного существительного, обозначающего совокупность планет. «Планетная система» — функциональный термин, но звучит как-то не очень. «Множество планет» — тоже не слишком вдохновляюще. Эта фраза часто приписывается Джордано Бруно, жившему в XVI в. священнику и философу, который утверждал, что звезды — это солнца и что каждое из них имеет не только свои планеты, но и жителей, их населяющих. Идея космического плюрализма получила широкое распространение в эпоху Просвещения и с тех пор пережила лишь один (по счастью, короткий) период общественного разочарования после краха теории Лоуэлла относительно жизни на Марсе. Данные, полученные «Кеплером», говорят о настоящем космическом плюрализме: планеты — это заурядное явление. Настолько заурядное, что я бы предложил другое собирательное существительное — рой планет!
Когда «Кеплер» только приступил к своей миссии, мы уже знали о существовании 332 экзопланет. Астрономы обнаружили их с помощью разных методов, не только транзитного. К концу 2014 г. нам было известно о 1849 планетах, примерно половина из которых (923) были обнаружены «Кеплером». Астрономы считают эти планеты «подтвержденными», если им удалось измерить массу каждой планеты либо с помощью спектрометрического измерения лучевой скорости звезд, либо с помощью более тонких методов вроде метода вариации времени транзитов‹‹8››. Помимо этих 923 подтвержденных планет существует более 2500 кандидатов в планеты. С учетом того, какой процент из этих кандидатов в планеты получил подтверждение после дополнительного рассмотрения, мы можем с большой вероятностью сказать, что 90 % из них действительно существуют[16].
А теперь позвольте мне задать один очень важный вопрос. Сколько планет обращаются вокруг обычной звезды? Дает ли проведенная «Кеплером» перепись планет ответ на этот вопрос? По состоянию на 2014 г. «Кеплер» обнаружил 3533 кандидата в планеты, обращающиеся вокруг 2658 звезд. Примерно у одной из пяти звезд в этой выборке имеется более одной планеты. Анализ данных «Кеплера» дает нам четкий ответ относительно частоты встречаемости небольших планет (радиус которых меньше половины радиуса Земли) на орбитах вокруг маленьких и относительно холодных звезд (от 1/10 до половины массы Солнца — спектральный класс М). Такие планеты есть у каждой второй звезды. Если распространить этот анализ на звезды, подобные нашему Солнцу (спектральные классы K и G), то ответ будет примерно 0,2 планеты на звезду или одна планета на каждые пять звезд.
Поделиться книгой: