Исследуя новые миры: где и как искать внеземную жизнь?

Вокруг звезды, не столь отличной от Солнца, в созвездии Пегаса носится, оставляя за собой длинный хвост, одна из самых изученных экзопланет - умирающий газовый гигант Осирис. Привязанность к ней астрономов, позволившая планете HD 209458 b получить имя бессмертного покровителя загробного мира, можно объяснить тем, что во многом Осирис стал "первенцем" ученых, занимающихся поисками жизни в глубинах галактики.

Жизни на Осирисе нет и не будет, но не это главное. Эта раскаленная и стремительно (по космическим меркам) испаряющаяся экзопланета была впервые замечена в 1999 году с помощью метода Доплера - к тому моменту этим способом было открыто более 30 планет.

Однако научное сообщество сомневалось - методу доверяли не все, и значительная часть астрономов не спешили разделять энтузиазм коллег. До тех пор пока другой группе ученых не удалось найти ту же самую планету другим - транзитным - способом и таким образом окончательно подтвердить существование новых для нас миров.

Этот материал подготовлен в качестве ответа на вопросы, присланные нашими читателями о научных достижениях и колонизации космоса. Задать вопросы на другие темывы можете по этим ссылкам (О жизни в Британии, О культурной жизни Лондона,О научных достижениях, О британских королевских браках).

Дважды обнаруженный Осирис и последующие открытия, в том числе сделанные телескопом Кеплер, привели многих ученых к ошеломительному заключению - только в нашей галактике действительно находятся миллиарды планет, а значит, хоть какие-то из них могут быть пригодны для жизни - и теоретически их можно найти.

Основные методы обнаружения экзопланет

Чтобы лучше представить себе масштабы поиска, немного статистики:

Где среди миллиардов звездных систем искать жизнь?

Насколько уникальна Земля и Солнечная система в целом - вопрос спорный: есть те, кто придерживаются так называемой гипотезы уникальной Земли: они полагают, что сочетание условий на нашей планете, позволившее развиться живым организмам, настолько сложно, что вряд ли может встретиться еще где-либо.

Понятно, что в поисках чего-то неизвестного всегда проще руководствоваться чем-то известным, поэтому те, кто не теряет надежды, прежде всего сосредоточены на попытках найти знакомые, а потому более понятные нам миры.

Поэтому долгое время считалось, что искать "живые" планеты стоит именно вокруг звезд, подобных Солнцу, - оранжевых и желтых карликах (в спектральной классификации они принадлежат классам G и K). Они не слишком холодные и не слишком горячие, а также живут достаточно долго для того, чтобы дать возможность организмам развиться. По подсчетам ученых, они составляют одну пятую всех звезд нашей галактики - не так уж и много, если подумать.

Однако в последние годы астрономы пришли к выводу, что двойники нашего Солнца - не единственные, кто может поддерживать вокруг себя жизнь. Еще одни возможные претенденты - красные карлики, и это - к восторгу искателей инопланетных миров - самые многочисленные звезды в Млечном пути.

Красные карлики - звездные долгожители: они значительно меньше и холоднее Солнца и вырабатывают свое водородное топливо очень медленно, излучая меньше пяти процентов света и тепла по сравнению с Солнцем.

Срок их жизни исчисляется триллионами лет; для сравнения - Солнцу сейчас примерно 4,6 млрд лет, ученые дают ему еще около 5 млрд, после чего оно начнет умирать, поглощая ближайшие планеты, в том числе, скорее всего, и Землю (впрочем, ни один живой организм на нашей планете уже не сможет стать этому свидетелем).

Хотя красные карлики даже по вселенским меркам почти бессмертны - так, ученым до сих пор не известен ни один, доживший до конца своего цикла, - жизнь в этих системах сопряжена с огромным количеством зачастую непреодолимых трудностей. И связаны они прежде всего с расположением их "обитаемой зоны".

Уникальность Земли в Солнечной системе именно в ее позиции. Находись она ближе к звезде, как Венера, и вода за счет высоких температур испарилась бы с ее поверхности, что, судя по всему, и произошло с нашим соседом. Будь она чуть дальше, как Марс, - и температуры упали бы, а вода замерзла. Именно поэтому занятый нашей планетой регион, где правильная отдаленность от звезды делает возможным существование воды в жидком виде, и принято называть обитаемой зоной.

Одна из проблем жизни вокруг красного карлика заключается в том, что, поскольку они излучают меньше света и тепла по сравнению с желтыми и оранжевыми звездами, их обитаемая зона расположена значительно ближе к ним самим. По оценкам ученых НАСА, этот потенциально живой регион должен находиться в 10-20 раз ближе к звезде, чем Земля к Солнцу.

Таким образом, период обращения вокруг нее может совпасть с периодом обращения вокруг себя - и она застрянет в так называемом приливном захвате. В такой ситуации, к примеру, по отношению к Земле оказалась Луна - поэтому она всегда обращена к нам лишь одной стороной.

Это порождает риск того, что темная сторона планеты будет столь холодной, что атмосфера (если она там, разумеется, есть) замерзнет, оставив светлую, теплую, сторону без возможности жизни. Впрочем, исследования показали, что при определенных условиях тепло может циркулировать по всей планете достаточно эффективно для того, чтобы этого избежать.

Однако у атмосферы планет вокруг красных карликов есть и другие угрозы - близость к звезде делает их уязвимыми для исходящей от звезды радиации.

Молодые звезды склонны к так называемым супервспышкам - взрывам, в результате которых в космос извергаются мощные потоки заряженных частиц. Ученые полагают, что эти вспышки вместе с корональными выбросами массы и другими проявлениями "непогоды" на звезде могут "сдуть" атмосферу с близких планет, а вместе с ней и любую жизнь на них.

Хорошие новости в том, что по мере взросления звезды становятся менее активными - и если планета обладает достаточно сильным магнитным полем и сможет удержать свою атмосферу на время нестабильности своей звезды (2-3 млрд лет), у нее есть шанс.

Что указывает на возможность жизни и как это найти?

В поисках инопланетной жизни ученые опираются на следы, которые оставляют живые организмы, - в науке их называют биосигнатурами. Предполагается, что это такие вещества и соединения, которые не могут иметь иного, кроме биологического, происхождения.

В случае с ближайшими к нам планетами, например Марсом, все несколько проще - помимо детальных снимков и анализов, сделанных телескопами и космическими станциями, посылаемые на Красную планету аппараты могут исследовать почву, к примеру, на наличие воды в жидком состоянии, а также каких-либо следов органики - молекул, содержащих изотопы углерода, азота и водорода, - или даже окаменелостей.

Однако детально сфотографировать экзопланеты, не говоря уже о том, чтобы отправить туда миссию, невозможно по понятным причинам - они далеко. Поэтому приходится работать с тем, что есть, - в данном случае со светом.

Ученые используют спектроскопию - то есть анализ исходящего от объекта излучения путем разделения света на его составляющие длины волн - чтобы попытаться охарактеризовать планету, понять, из чего она состоит.

"Все атомы и молекулы поглощают и излучают световые волны определенной длины, - объясняет профессор астрономии Вашингтонского университета Эрик Эйгол. - Поэтому один из способов изучения планеты - посмотреть на нее напрямую и разбить ее свет на радужный спектр. Так мы увидим, какие световые волны поглощаются атмосферой или поверхностью этой планеты и, следовательно, какие атомы и молекулы могут там присутствовать".

Таким образом были исследованы ближайшие к нам планеты, а также атмосфера самой Земли - и ее характеристики стали одним из главных ориентиров в поиске потенциально обитаемых планет.

Среди таких зацепок, или биосигнатур, которые могут (впрочем, не обязательно) указывать на наличие жизни, ученые будут искать:

При этом по отдельности почти все эти характеристики не означают обязательное присутствие жизни, реальная надежда возникает лишь если удастся заметить несколько этих следов одновременно.

Иными словами, как поясняет специалист по изучению экзопланет, профессор Массачусетского технологического института Сара Сигер, ученые ищут все, чего в безжизненной атмосфере быть не может.

"Мы не знаем, что именно будет генерировать там эти биогенные газы; возможно, это будет какая-то сложная жизнь, а может и просто одноклеточные бактерии", - рассказывала профессор Сигер на дискуссии в НАСА.

Спрятаться от света

Сложность прямого наблюдения заключается в том, что любая планета во много раз бледнее (и меньше) своей звезды - Солнце, к примеру, в миллиард раз ярче Земли.

Попробуйте в ясный день разглядеть летящий в небе самолет - солнце будет слепить вам в глаза. Скорее всего, естественным рефлексом для вас будет поднять вверх ладонь, заслонив обзор от источника света.

Примерно такую же хитрость придумали астрономы: запустить вместе с космическим телескопом гигантский щит, который бы заслонил ненужный свет солнца и позволил бы лучше разглядеть маленькую планету.

Этот щит называется Starshade ("Звездная тень") и имеет форму подсолнуха - чтобы избежать так называемой дифракции света, при которой лучи огибают края и дают нежелательную засветку. Он сможет отдалиться от телескопа на расстояние до 50 тыс. километров и в буквальном смысле заслонить собой звезду: это позволит сделать намного более четкие снимки планеты, а также проследить за ней по ее орбите вокруг звезды и, соответственно, в теории даже увидеть смену сезонов. Аппарат был запатентован НАСА летом 2016 года и пока еще не запущен.

Поэтому пока напрямую можно изучать лишь дальние (и вряд ли обитаемые) планеты.

Сейчас же астрономы в основном пользуются способами непрямого наблюдения - в частности, спектральным анализом света, проходящего через атмосферу транзитной планеты. Принцип здесь тот же: планета проходит перед звездой, и свет от последней взаимодействует с ее атмосферой. Спектральный сигнал, однако, в этом случае все же будет небольшим.

Еще один способ - сравнить общий свет, исходящий от звезды и планеты, когда она находится между наблюдателем и звездой, с тем, когда планета становится не видна (это называется вторичным затмением).

"Перед тем, как планета зашла за звезду, свет отражается от нее (как, к примеру, солнечный свет отражается от Луны) через ее атмосферу и возвращается к нам в виде спектрального сигнала, - объясняет профессор Тимоти Лайонс, руководитель группы "Альтернативные Земли" в Институте астробиологии НАСА. - А когда планета заходит за звезду, вы теряете этот сигнал. Таким образом, произведя математические расчеты, вы получаете непосредственно сигнал планеты, по которому можно определить состав атмосферы".

Ученые также считают, что потенциально пригодные для жизни планеты можно обнаружить с помощью блеска океанов - они сильно увеличивают яркость отраженного света планеты как в видимом спектре, так и в инфракрасном. Впрочем, подобный блеск может также давать густая облачность или большие поверхности льда.

Так или иначе, эффективно изучать атмосферы других планет можно лишь из космоса, так как земным телескопам мешает как минимум оболочка нашей собственной. В настоящее время главным образом этим занимается космический телескоп "Хаббл". Он же первым разглядел атмосферу планеты за пределами Солнечной системы - того самого газового гиганта Осириса из созвездия Пегаса - и нашел в ней натрий, водород, кислород, углерод и множество других элементов.

А весной прошлого года "Хаббл" впервые в истории человечества взглянул на состав атмосферы экзопланет, похожих на Землю.

Потенциальные кандидаты

Когда около месяца назад НАСА анонсировало некое важное открытие, распаленное воображение многих доходило до версий о долгожданном контакте с внеземной цивилизацией.

К вероятному разочарованию таких энтузиастов ученые сообщили лишь об обнаружении новых экзопланет - однако вероятно, что именно они станут главными кандидатами на пристальное изучение в ближайшем будущем.

Открытый телескопом "Спитцер" новый мир действительно впечатляет: вокруг одной звезды TRAPPIST-1, расположенной в созвездии Водолея в 40 световых годах от нас, вращаются семь твердых планет размером с Землю - TRAPPIST-b, TRAPPIST-c, TRAPPIST-d и так далее до английской буквы h. (Планеты TRAPPIST-a не существует потому, что первая буква алфавита обычно присваивается самой звезде вместе с номером, хотя и часто опускается).

По мнению ученых, на всех этих планетах может быть вода в жидком состоянии, и целых три из них (e, f и g) находятся в обитаемой зоне.

Планеты расположены столь близко друг к другу, что с поверхности одной из них будут отлично видны остальные, не говоря уже о самой звезде - TRAPPIST-1 представляет собой красный карлик и, соответственно, зона обитания у нее довольно близко. Так, по расчетам астрономов, орбита самой дальней от TRAPPIST-1 планеты все равно ближе к ней, чем Меркурий к Солнцу.

Атмосферы двух планет этой системы - b и c - как раз и исследовал "Хаббл" чуть более полугода назад. Ничего указывающего на жизнь он пока не обнаружил, но не менее важно то, чего он не нашел, - а именно плотных водородных слоев в атмосфере. Высокая концентрация водорода и гелия говорила бы о том, что это, скорее всего, газовая планета, а значит жизни в привычном нам понимании там быть не может.

Каталог потенциально обитаемых экзопланет ведет Университет Пуэрто-Рико в Аресибо. Ученые подчеркивают, что все эти небесные тела занесены в список исключительно потому, что их расположение в обитаемой зоне допускает существование на их поверхности воды в жидком состоянии. Их атмосферы, если они вообще есть, еще не изучены. Вот некоторые из них:

Более детальными исследованиями системы TRAPPIST-1, у которой даже есть свой сайт, предстоит заняться космическому телескопу нового поколения "Джеймс Уэбб", готовящемуся к запуску в 2018 году.

"Джеймс Уэбб" - это инфракрасный телескоп, специально оборудованный для изучения планетных атмосфер. Общая площадь его зеркала примерно в семь раз превышает площадь зеркала его предшественника "Хаббла". Поскольку планеты вращаются вокруг небольшой звезды, поступающий от них сигнал будет достаточно сильным, чтобы "Джеймс Уэбб" смог определить состав их потенциальных атмосфер. Телескоп также сможет проанализировать температуры и давление у поверхности планет - ключевые факторы в определении их пригодности к жизни.

"Две недели назад я бы сказал вам, что "Уэбб" может делать это в теории, - говорил вскоре после открытия семи планет TRAPPIST Шон Домагал-Голдман из Центра космических полетов Годдарда при НАСА, - но на практике ему нужен был идеальный объект. Что ж, мы только что получили три почти идеальных объекта".

По словам Тимоти Лайонса из Института астробиологии НАСА, ключевой задачей в поиске инопланетной жизни является изучение эволюции жизненных процессов на самой Земле. Только поняв, как именно жизнь появилась на нашей планете и что этому способствовало, ученые смогут оценить вероятность ее нахождения в других мирах.

"Благодаря пониманию химического состава атмосферы и пониманию того, что жизнь может или не может делать, - основанному на понимании жизни на нашей собственной планете - мы сможем посмотреть на эту смесь газов [в инопланетной атмосфере] и сказать - это можно объяснить только наличием жизненных процессов", - говорит он.

При этом одна из главных задач, по его словам, - это приучить общество разделять энтузиазм ученых по поводу открытий, которые могут показаться ему незначительными.

"Нам нужно будет убедить людей, что обнаружение метана [в атмосфере] - это столь же потрясающее событие, как если бы нам позвонили с далекой планеты", - говорит ученый.

В последующие десятилетия, в 2020-2030-х годах, появится еще одно поколение телескопов, - настолько технологически продвинутых, что профессор Лайонс называет их "машинами для изучения планетных атмосфер".

Среди таких будущих миссий - телескоп WFIRST, который, по словам НАСА, "произведет революцию в нашем понимании расширения Вселенной, [...] а также формирования экзопланет и их атмосферного состава". Его запуск планируется в 2020-х годах.

Также в разработке космического агентства находится телескоп LUVOIR с зеркалом диаметром до 12 метров. "Потенциально мы сможем искать следы растительности, океаны, континенты, искать спутники и сравнивать условия на этих планетах с земными и даже, возможно, изучать смену сезонов", - говорит профессор Эрик Эйгол из Вашингтонского университета.

А уже в следующем году НАСА запустит телескоп для поиска экзопланет TESS. Его революционность заключается в том, что он будет проводить обзор всего неба, в то время как "Кеплер" мог изучать лишь чуть более ста квадратных градусов (полная площадь неба - более 40000 кв градусов). "Думаете, "Кеплер" был впечатляющим? TESS заставит вас забыть об этом", - говорит профессор Лайонс.

"Что именно мы получим от "Джеймса Уэбба" в ближайшие годы, еще не совсем ясно, но на перспективы ближайших десятилетий я смотрю с огромным оптимизмом", - добавляет он.

Этот оптимизм профессора, который разделяют многие его коллеги, основан во многом на численности и многообразии новых миров, которые появляются и продолжат появляться в астрономических каталогах почти с геометрической прогрессией.

"Мы подтвердили существование более 4000 планет, еще 4000 имеют статус кандидатов, что с 80-90%-ной вероятностью означает, что и их подтвердят. Нам становится известно о все большем количестве твердых планет, похожих на Землю; существует огромное количество супер-Земель, к которым также прикован огромный интерес", - говорит Лайонс.

Можно взглянуть и шире - по его оценкам, которые основаны на данных телескопа "Кеплер" о численности планет в нашей галактике, всего во Вселенной находятся порядка 100000000000000000000 планет.

Или же посмотреть, как часто выражаются астрономы, "у себя на заднем дворе".

Ближе к дому

Одно из подающих надежды небесных тел - ледяной спутник Юпитера Европа. Размером чуть меньше нашей Луны, на вид она представляет собой, пожалуй, самое гладкое тело в Солнечной системе - ее поверхность покрыта цельной оболочкой льда с небольшими отметинами, будто царапинами.

При ближайшем рассмотрении становится понятно, что это трещины, появившиеся под воздействием мощнейшей гравитации Юпитера. Изучив их, ученые пришли к выводу, что поверхностная оболочка Европы находится в движении относительно ее ядра - это возможно лишь в том случае, если между ядром и оболочкой есть некая прослойка. Дополнительные измерения магнитного поля показали, что так и есть - внутри Европы находится гигантский океан соленой воды.

Как нам известно по изучению различных форм жизни на Земле, организмы могут существовать и в экстремальных условиях (отсюда и название - экстремофилы), поэтому отсутствие солнечного света или чрезвычайно низкие температуры на Европе сами по себе не являются значительным препятствием.

Одно из недавних исследований НАСА говорит о том, что этот океан может иметь необходимый для жизни баланс химических элементов. В 2020-х годах космическое агентство планирует запустить к Юпитеру миссию "Европа Клиппер", главной задачей которой станет изучение обитаемости спутника.

Похож на Европу и спутник Сатурна - Энцелад. Его поверхность также покрыта льдом, скрывающим водный океан. Химический состав среды и гидротермальная активность закрепляют и за ним место среди потенциальных кандидатов на поддержание жизни.

Однако один из самых, пожалуй, завораживающих спутников - это туманно желтый Титан, в очень своеобразном смысле похожий на Землю. У него - единственного в "семье" Сатурна - есть атмосфера, его материки напоминают песчаные дюны земных пустынь, а по поверхности разлиты реки и озера, чего ученые пока не встречали нигде за пределами собственной планеты. Можно представить себе, что иногда там даже идет дождь.

Хитрость только в том, что это не вода - температура поверхности спутника составляет около -180 градусов Цельсия. Облака представляют собой смесь азота и метана, а реки и озера - смесь метана и этана. Живых организмов подобных нашим там не найти, хотя метан как таковой, по утверждению ряда ученых, может быть альтернативным растворителем для жизни вместо воды (изучением этого занимается так называемая альтернативная биохимия).

Ну и, наконец, Марс - вероятно, самая изученная нами "чужая" планета, ставшая объектом как научных, так и предпринимательских амбиций.

На нее были отправлены или же запланированы десятки миссий - и все они в той или иной степени призваны ответить на два вопроса: есть ли (или была ли когда-нибудь) на Марсе жизнь и (даже если нет) может ли он в каком-то виде быть пригодным для земной жизни?

Однозначного ответа у ученых пока нет, при этом второй вопрос в некотором смысле может оказаться сложнее первого.

Защита или колонизация

В исследовании космоса есть принцип планетарной защиты, подразумевающий биологическую охрану как Земли, так и других планет. Большинство стран мира подписали международный договор, который в том числе обязывает их не допускать так называемого межпланетного загрязнения.

В практическом смысле это означает стерилизацию всех аппаратов, запускаемых к представляющему интерес небесному телу: таким образом, чтобы не занести на него земные организмы и, наоборот, случайно не привезти инопланетные обратно.

"Это очень строгие протоколы планетарной защиты, под которыми придется подписаться даже Илону Маску", - говорит руководитель исследовательской группы НАСА Тимоти Лайонс.

Компания SpaceX Илона Маска осенью прошлого года представила программу по колонизации Марса. Через сто лет после начала, как считает предприниматель, марсианская колония может состоять из миллиона жителей и существовать на полном самообеспечении.

"Как совместить колонизацию и терраформирование (приведение условий в состояние, пригодное для жизни - Би-би-си) с планетарным протоколом, который еле-еле разрешает вам запустить беспилотный ровер на Марс, который может отправиться туда, где действительно можно найти жизнь?" - продолжает ученый.

По его словам, пока не существует однозначного понимания того, как долго эти нормы должны оставаться в силе, - и вопрос этот лежит в морально-этической плоскости.

"То есть n-ное количество лет или столетий вы строго придерживаетесь принципа планетарной защиты, а потом разрешаете людям отправиться туда и, по сути, уничтожить эту планету, - рассуждает Лайонс. - А что если там есть микробное сообщество? Заслуживает ли оно того же обращения, как и разумная жизнь? Это микробное сообщество, например, через миллиарды лет может эволюционировать до разумной жизни - как это произошло на нашей планете".

Одна из распространенных концепций - принцип защиты должен соблюдаться до тех пор, пока планета не будет детально изучена.

"Учитывая возможность жизни под поверхностью и в формах, которые мы себе даже представить не можем, - говорит Тимоти Лайонс, - когда научное сообщество вправе объявить, что Марс - мертвая планета? А затем сказать: "Мы везде посмотрели, так что давайте - стройте на нем парк развлечений"? Это действительно сложный вопрос".

Этот материал подготовлен в качестве ответа на вопросы, присланные нашими читателями о научных достижениях и колонизации космоса. Задать вопросы на другие темывы можете по этим ссылкам (О жизни в Британии, О культурной жизни Лондона,О научных достижениях, О британских королевских браках).