Земля 2.0: грандиозные планы поиска экзопланет на ближайшее будущее

Еще каких-то двадцать лет назад обнаружение еще одной планеты, похожей на Землю, считалось очередной научно-фантастической мечтой. Но поколения сменяются, и современные астрономы считают, что нет ничего невозможного.

«Обнаружение доказательств существования жизни за пределами Земли – это совсем не пустая мечта», — говорит Натали Батала, астроном из Исследовательского центра Эймса NASA.

«Это то, что мы действительно можем достичь. Возможно, не на моем веку, но, вполне возможно, на веку моей дочери».

Мнение Баталы пронеслось эхом в прошлую субботу на церемонии открытия Института имени Карла Сагана при Корнелльском университете. Институт, являющийся детищем астронома Лизы Калтенеггер, был основан для поиска и исследования миров, которые только-только начали появляться на нашем космическом горизонте. Если повезет, мы сможем найти еще одну Землю. А возможно, и десяток. Или тысячу таких же планет.

«Как выяснить – является ли оборачивающийся вокруг другой звезды мир обитаемым? К счастью, мы перешли в век истории, когда у нас есть инструменты, которые позволяют ответить на этот вопрос», — говорит Калтенеггер.

Найти «Землю 2.0» будет нелегко. Это потребует колоссальных усилий, но у астрономов, планетологов, химиков и биологов, собравшихся в стенах Института имени Карла Сагана, есть план. И вот как мы постараемся найти новую «бледно-голубую точку» и положим конец нашему космическому одиночеству.

Миллиарды и миллиарды

Сейчас самое интересное время для тех, кто заинтересован в открытии новых миров за пределами нашей Солнечной системы. За последние двадцать лет планетология не претерпела никаких серьезных пересмотров, а скорее прошла логичный эволюционный путь. Даже если среди нас по-прежнему остались скептики, считающие существование внеземной жизнью каким-то бредом, то даже для них становится сложным отрицать факты тех удивительных открытий, которые были совершены за это время.

Художественное представление планет вокруг звезд Млечного Пути

Если смотреть на цифры, двадцать лет назад астрономы не могли подтвердить наличия ни одной планеты за пределами Солнечной системы. За последние шесть лет благодаря проекту NASA «Кеплер» — космическому телескопу, кружащему по нашей Солнечной системе и следящему за более чем 100 тысячами звезд одновременно, — ученые обнаружили более 4100 планетарных кандидатов и подтвердили существование 1000 настоящих планет. При этом следует отметить, что «Кеплер» не смотрит за абсолютно всеми звездами. Те звезды, за которыми он следит, представляют лишь малую часть общей картины. На базе такой выборки ученые, используя статистику, высчитывают распределение звезд по всему Млечному Пути.

«Мы выяснили, что у большинства звезд есть планеты. Чаще всего встречаются планеты размером с Землю. Довольно большое число этих планет находится в обитаемых зонах своих звезд», — говорит Билл Боруки, ведущий специалист программы «Кеплер».

«Если сложить все цифры вместе, то получается: 100 миллиардов звезд, 10 процентов из них имеют планеты размером с Землю, 10 процентов звезд похожи на наше Солнце, что в общей сложности дает нам миллиард планет размером с Землю, находящихся в обитаемых зонах звезд, похожих на Солнце».

Позвольте повторить последнюю часть: миллиард планет размером с Землю, находящихся в обитаемых зонах звезд, похожих на Солнце. Еще 20 лет назад астрономы не были уверены в том, что существует хотя бы одна. И это, разумеется, речь идет только о нашей галактике.

«Только в одной нашей галактике миллиарды звезд. А теперь представьте, что еще есть миллиарды других галактик», — говорит Калтенеггер.

«При любом раскладе цифры говорят в нашу пользу».

Число обнаруженных экзопланет по годам

В технологиях, лежащих в основе этих удивительных открытий, на самом деле нет ничего сложного. Большинство из обнаруженных экзопланет были найдены благодаря так называемому транзитному методу обнаружения – моменту, при котором экзопланета проходит перед своей звездой, закрывая часть ее света. Эта разность в яркости наблюдается телескопами. На практике, однако, эту разницу на самом деле очень сложно различить хотя бы потому, что сам объем свечения из-за колоссальных расстояний между планетой и нашими телескопами весьма трудно уловим.

«Представьте, что вы смотрите на высочайший небоскреб и при этом на улице темно. В доме открыто каждое окно и включен свет. А теперь представьте, что к одному окну на самом верхнем этаже подходит человек и на сантиметр закрывает жалюзи. Этот объем измененной яркости вам и необходимо измерить, чтобы найти планету размером с Землю», — приводит аналогию Батала.

Кстати, сделать это нужно вам по крайней мере раза два, чтобы убедиться в том, что вы действительно правы в своих наблюдениях.

Для возможности использовать транзитный метод обнаружения ученым пришлось разработать фотометры в тысячу раз более чувствительные и точные, чем те, которые уже были. Как объясняет Боруки, эти световые сенсоры должны следить за тысячами звезд одновременно, так как вероятность того, что в поле зрения телескопа может находиться нужная звезда с экзопланетой, равен менее 1 процента. Кроме того, фотометр должен оставаться все время неподвижным. В условиях Земли этого добиться невозможно, поэтому их необходимо использовать именно в космосе.

Учитывая те амбициозные характеристики (и возможности, включая возможность выяснить радиус, орбитальный период и иногда массу) телескопа, которые были предложены, у Боруки ушло почти два десятка лет на то, чтобы разработать, создать первый прототип и убедить аэрокосмическое агентство NASA дать зеленый свет проекту «Кеплер». При этом у телескопа определенно имеются свои недостатки, не позволяющие ему следить за очень удаленными звездами. Тут не хватает мощности даже современных фотометров. Благодаря знанию массы и радиуса планеты, мы можем определить ее плотность, которая будет говорить нам о том – смотрим ли мы на каменистую планету, похожую на Землю, или скорее на газовый шар, вроде того же Юпитера.

Число и размеры обнаруженных экзопланет

Наша галактика не перестает удивлять. Вокруг многих звезд есть планеты, находящиеся на расстоянии ближе, чем Меркурий от Солнца, что опять же те же двадцать-тридцать лет назад рассматривалось абсолютно невозможным. Интересное наблюдение: «супер-Земли» и «мини-Нептуны» — два самых часто встречающихся типа планет, известных науке, — в нашей Солнечной не представлены. Мы лишь можем догадываться, какие еще удивительные миры скрывает космос.

«Есть планеты, оборачивающиеся вокруг двойных систем звезд, где есть не одно, а целых два «солнца», встающих на востоке и уходящих за горизонт на западе», — говорит Батала.

«Мы находили планеты в звездных скоплениях – 25 звезд на один кубический парсек пространства. На таких планетах небо вообще выглядит как полотно с россыпью разноцветных солнц».

«Существует удивительное разнообразие миров, изучать которые мы даже еще не начинали», — добавляет Калтенеггер.

Художественное представление экзопланеты Corot-7b, являющейся, скорее всего, миром жидкой лавы

Среди этих экзотических миров мы нашли немало планет, относящихся к так называемой «зоне Златовласки». Это миры, как правило, каменистые миры, где не сильно жарко и не сильно холодно для поддержания на их поверхности воды в жидком состоянии. Это планеты, оборачивающиеся вокруг звёзд, похожих на наше Солнце. Это миры, которые могли бы стать новыми «Землями».

«Эти потенциально обитаемые планеты встречаются относительно часто. И согласно статистике, рядом с нами могут находиться тысячи таких миров», — говорит Батала.

Однако, чтобы причислить потенциально обитаемую планету в разряд «будущей Земли», нам необходимо гораздо лучше и глубже их изучить. Благодаря новому поколению телескопов это, будем надеяться, наконец, станет возможным. Благодаря новым телескопам мы сможем не только наблюдать за интенсивностью яркости звезд, но и получим возможность изучения атмосферы планет, которые возле этих звезд находятся. Да, будущие телескопы обещают и такую возможность.

В погоне за «златовласками»

Может, Земля сейчас и выглядит из космоса милым голубым шариком, но было время, когда она не сверкала и пахла розами. Четыре миллиарда лет назад каменистая поверхность нашей планеты извергала колоссальные объемы раскаленной лавы, находилась под постоянной бомбардировкой комет и астероидов, время от времени подвергалась мощнейшей стерилизации ультрафиолетовым излучением и, в конце концов, практически не имела никаких запасов кислорода.

Художественное представление планеты Gliese 667Cb возле тройной системы звезд

Именно жизнь со временем терраформировала Землю, через несколько миллиардов лет превратив суровую пустыню смерти в комфортабельную биосферу. Возможно, именно цианобактерии являются первыми живыми организмами, выработавшими существенный объем кислорода в качестве побочного продукта фотосинтеза. Сегодня основным источником выработки кислорода, как, впрочем, и основы для озонового слоя, защищающего нас от губительного ультрафиолетового излучения, являются растения и фитопланктон. Кроме того, в атмосфере нашей планеты содержатся и другие газы – углекислый газ и метан — представляющие собой комбинацию выбросов побочных продуктов метаболизма и сжигания ископаемого топлива.

Если отдельно взять кислород или метан, то они не могут являться стопроцентными индикаторами наличия жизни. Оба вещества могут быть получены в процессе неорганических химических реакций. Но если их соединить и добавить немного воды, то получится совершенно другая история.

«В настоящий момент самым значимым индикатором возможной жизни является комбинация кислорода или озона с содержанием восстановительных газов», — говорит Калтенеггер.

«Многие биологические вещества, такие как метан или углекислый газ, могут производится даже камнями, поэтому по одиночке мы не можем их принять в качестве индикаторов наличия жизни. Но если кислород обнаруживается вместе с метаном, то, вероятнее всего, имеется что-то, что способно вырабатывать эти вещества огромными объемами».

Другими словами, ученые знают, что именно может указывать на наличие жизни на той или иной планете. Если однажды мы найдем планету в условной зоне обитаемости (той самой «зоне Златовласки»), оборачивающейся вокруг звезды, похожей на наше Солнце и имеющей в своей атмосфере вышеописанную комбинацию веществ, то вполне сможем говорить о той или иной вероятности наличия на ней жизни. Все это, конечно, замечательно, но как именно мы будем искать такие планеты?

Художественное представление космического телескопа TESS

Разумеется, в рамках будущих космических миссий, начиная с запуска космического телескопа TESS (Transit Exoplanet Survey Satellite), который должен состояться в 2017 году. В то время как большинство целей телескопа «Кеплер» находятся на расстоянии 500-1000 световых лет, задачей TESS будет поиск соседних, самых ближайших к нам экзопланет. Его мощности позволят просканировать абсолютно весь небосклон и проследить более чем за полумиллионом звезд, находящихся в непосредственной близости к нашей Солнечной системе.

«TESS будет как «Кеплер». Он тоже основан на транзитном методе обнаружения, но вместо того, чтобы смотреть только в одну конкретную часть космического пространства, он сможем сканировать все небо, сосредоточив свое внимание на ближайших к нам звездах», — говорит Калтенеггер.

«Он позволит нам исследовать множество многообещающих целей, находящихся гораздо ближе к нам, чем цели «Кеплера».

Может, TESS и сможет выделить множество наиболее интересных кандидатов, но он не будет заниматься изучением их атмосферы. Эту задачу собираются возложить на самый передовой космический телескоп современности – Космический телескоп имени Джеймса Уэбба (JWST), 6,5-метровую космическую обсерваторию на солнечных батареях, которую собираются запустить в космос в 2018 году. Благодаря своим беспрецедентным способностям обнаружения JWST станет передовой космической обсерваторией на ближайшее десятилетие. Отчасти его невероятная чувствительность связана с его солнцезащитным экраном, который охлаждает инструменты телескопа до -223 градусов Цельсия. При таких низких температурах JWST сам по себе практически не будет выбрасывать никакого излучения, позволяя его сверхчувствительным приборам обнаруживать даже очень удаленные энергетические сигнатуры, включая едва заметные изменения в яркости света звезд, чьи колебания будут связаны с плотностью той или иной атмосферы планет, через которую этот свет будет проходить.

Художественное представление телескопа JWST

«Приходится работать в таких условиях, когда планета представлена лишь крошечным пикселем. И этот пиксель необходимо пропустить через различные световые фильтры. Вы смотрите на этот пиксель под различными цветами – примерно так же, как это происходит, когда солнечный свет проходит через капли дождя, создавая радугу, — и за счет разницы в показателях, даже на расстоянии многих световых лет, вы можете выяснить, какие химические частицы присутствуют в атмосфере этого мира», — объясняет Калтенеггер.

Несмотря на всю эту удивительную мощность JWST, ее не хватит для изучения множества каменистых планет, похожих на Землю. По мнению Калтенеггер, если мы найдем супер-Землю, оборачивающуюся вокруг красного карлика относительно недалеко от Солнечной системы, то будем в состоянии изучить ее атмосферу. Чаще всего «глаза» JWST будут устремлены в сторону более крупных миров, которые чаще всего будут оказываться просто огромными газообразными шарами, вроде нашего Юпитера.

«JWST сконцентрирует свое внимание на мини-Нептунах и супер-Землях, изучит многообразие их атмосферы, но телескоп не будет привязан только к поиску планет размером с Землю», — комментирует Батала.

Следующим после телескопа JWST станет WFIRST (Wide Field Infrared Survey Telescope, «Широкоугольный инфракрасный обзорный телескоп». Не путать с WISE, который был запущен в космос в декабре 2009 года), использующий метод микролинзирования для поиска планет. Его чувствительности должно хватить для поиска планет размером меньше Земли, находящихся на расстоянии более одной астрономической единицы от своей звезды (1 а. е. = дистанции между Землей и Солнцем). Благодаря установленному коронографу телескоп WFIRST также сможет напрямую следить за волнами света, отражаемыми более крупными планетами.

«Кеплер ведет статистику звезд и планет, находящихся в пределах плоскости Земной орбиты. WFIRST, в свою очередь, сможет следить за планетами, находящимися за ее пределами. Поэтому со временем мы получим более подробную картину того, какие существуют экзопланеты».

Художественный концепт телескопа WFIRST

Когда миссию WFIRST запустят где-то в середине 2020-х, космические агентства смогут удвоить свои усилия по поиску внеземной жизни. Эксперты считают, что мощностей телескопа хватит на то, чтобы исследовать атмосферу множества каменистых планет размером с Землю и оборачивающихся вокруг наших ближайших звездных соседей.

«Задача этой миссии не будет состоять в нахождении множества «вторых Земель» в ближайшем космосе. Тем не менее имеется надежда, что данный проект сможет существенно продвинуть нас в вопросе глубины поиска и исследований близлежащих экзопланет в течение ближайших 30 лет».

«TESS определенно сможет найти десятки планет. Достаточно компактных, каменистых и находящихся на «правильном» расстоянии от своих звезд. Затем мы составим список самых ближайших и самых обещающих миров, направим на них наши телескопы и начнем ежедневное наблюдение. Работы будет очень много, и это не может не радовать», — говорит Калтенеггер.

Как мы поймем, что нашли то, что нужно?

Может пройти несколько десятков лет до создания технологий, которые позволят нам найти «Землю 2.0». Но астрономы не планируют сидеть все это время сложа руки.

Вид на Землю с Луны

«Мы хотим быть максимально подготовленными для ответа на следующих вопрос: среди тысяч звезд, среди десятков из них, ближе всего к нам расположенных, какую именно следует выбрать первой для исследования?», — продолжает Калтенеггер.

«Мы найдем правильный ответ, если сложим все наши знания в астрономии и о жизни на Земле».

В настоящий момент в стенах Института имени Карла Сагана Калтенеггер и ее коллеги накапливают целые горы информации, которая поможет «охотникам за пришельцами» выбрать наиболее обещающих кандидатов для исследования. Эти данные содержат тысячи различных гипотетических вариантов химических составов атмосферы: некоторые из них напоминают нашу Землю сегодня, некоторые напоминают ее в прошлом. Другие данные описывают полностью чужеземные миры. Эта база данных, которую Калтенеггер однажды прозвала «криминальной базой экзопланет», будет использоваться для категоризации удаленных миров и составления списка из наиболее похожих на Землю планет по возрастающей.

Кроме того, рассматривается метод каталогизации планет по их цвету. О наличии жизни на Земле могут намекать зеленый ландшафт и голубые океаны. Вполне возможно, аналогичные особенности свойственны и чужим мирам. В опубликованном в марте этого года исследовании ученые провели анализ и каталогизировали цветовые сигнатуры более 100 имеющихся на Земле микроорганизмов, включая тех, которые обычно живут в экстремальных окружающих условиях. Разнообразие представленных цветов может помочь ученым хотя бы представить, как может выглядеть жизнь на других планетах, не говоря уже о том, что это может помочь в самом поиске.

«Если каждый мир имеет свою флору и фауну, то и из космоса он будет выглядеть совершенно по-разному», — говорит Калтенеггер.

«Благодаря этому цветовому разнообразию можно расставить приоритеты для исследований и выбирать в первую очередь те планеты, которые по цветовой гамме будут указывать на то, что здесь действительно может быть жизнь».

«При наличии сейчас тысячи планет уже готовых для исследования и грядущих космических миссиях в ближайшие 5-10 лет сейчас нужно просто понять, что следует искать и как мы это будем искать».

Допустим, нашли. Что дальше?

Ученых не перестает манить возможность обнаружения второй Земли. Но даже если мы ее в конечном итоге найдем, это совсем не означает, что это тут же избавит нас от желания вести дальнейшие поиски и исследования. Совсем наоборот. Это только усилит наше стремление.

Экзопланеты с кольцами

Все это приводит к весьма логичному вопросу. Допустим, мы нашли «другую Землю». Допустим, она находится недалеко от нашей Солнечной системы – в какой-то паре световых лет от нас. Что дальше?

Ответ на этот вопрос звучит именно так, как его желал бы услышать любой любитель научной фантастики. Мы попробуем туда добраться!

«Если однажды кто-то найдет настоящую землеподобную планету в радиусе нескольких световых лет, то моя реакция будет продиктована желанием скорее построить космический корабль, который позволит нам туда слетать», — говорит астроном Корнелльского университета Стив Сквайрес и один из руководителей программы NASA Mars Exploration Rover.

«Ну, смотрите. У человеческого вида заняло десять тысяч лет для того, чтобы заселить всю Землю. Чтобы сюда добраться, мне потребовалось 8 часов лететь над Атлантическим океаном. Все дело во времени. Возможно, нам потребуется еще сотня или даже тысяча лет, но вполне вероятно, что космические зонды мы туда сможем отправить гораздо раньше. Никаких фундаментальных ограничений нет. Все дело во времени», — говорит Дидие Куэлоз, исследователь экзопланет из Кембриджского университета.

Батала соглашается:

«Как только мы будем с уверенностью знать, что там есть жизнь, то лично я считаю, что ученые сразу же займутся вопросом того, как дотуда можно добраться».

Пилотируемая межзвездная экспедиция к таким планетам, вероятнее всего, будет подразумевать участие многих поколений. В мире, где все одержимы желанием мгновенного получения результата, будет очень трудно даже представить, как люди согласятся пожертвовать своими жизнями на путешествие, конца которого они, скорее всего, так никогда и не увидят. Однако Энн Друян, соавтор и продюсер фильма Cosmos, считает, что личные блага в этом вопросе будут отходить на второй план и люди будут это понимать.

«Всего 75-80 лет назад даже не существовало понятия того, что вокруг других звезд могут существовать планеты, похожие на Землю. А сегодня мы уже начинаем обсуждать космические миссии, которые растянутся не на одно поколение», — говорит Друян.

«Посмотрите на гигантские старинные соборы. Большинство людей, их строившие, не думали, что доживут до окончания их строительства. Я думаю, что мы строим те же самые соборы. Только с научной и более современной точки зрения. Я думаю, что наш человеческий вид приспособлен работать сообща и благодаря этому способен добиться большего. Это заложено в наших генах», — подытоживает Куэлоз.