День седьмой: Экзопланеты
Совсем недавно в издательстве Corpus в переводе Дмитрия Баюка вышла "Книга Бытия. Общая история происхождения" Гвидо Тонелли, известного итальянского физика, стоявшего у истоков открытия бозона Хиггса. Рассказывая о возникновении вселенной, а затем и о появлении и развитии в этой вселенной человека, Тонелли использует библейскую аллегорию семи дней творения, в которые умещает 13,8 миллиарда лет развития мироздания. Делимся с вами отрывком из этой книги, рассказывающим об экзопланетах и поисках разумной жизни на них.
Мысль о том, что во Вселенной может быть множество обитаемых миров, восходит к философам-досократикам Ионии. Догадку приписывают Анаксимандру Милетскому, гениальному ученику Фалеса, который, кроме того, первым выдвинул революционную идею, что Земля парит в космосе, никуда не падая и ни на что не опираясь.
Концепция бесконечных миров была воспринята сначала пифагорейцами, а затем, в более ясной форме, Эпикуром и его древнеримскими последователями, начиная с Лукреция. Столетиями эта идея будет подавляться господствующим аристотелизмом только для того, чтобы робко возродиться у Уильяма Оккама и, наконец, взорваться в эпоху Возрождения у Николая Кузанского и Джордано Бруно. Именно философ из Нолы с большой решимостью сеял по всей Европе идею бесчисленных солнц и земель; возможно, именно эта публичная деятельность по распространению опасных идей за пределами ограниченного круга пециалистов и привела его к трагическому концу на Кампо-деи-Фьори.
Сегодня наука подтверждает интуитивные догадки этих смелых мыслителей, но мы до сих пор не знаем ответа на самый простой вопрос: есть ли разумная жизнь где‑то там, далеко от Земли? Положительный ответ предполагается законом больших чисел, но собранных данных пока недостаточно, чтобы утверждать что‑то определенное.
Вот уже тридцать лет, как мы наблюдаем стремительное развитие в этой области и видим, какой огромный прогресс был достигнут в поисках экзопланет. Этим названием мы обозначаем планеты за пределами Солнечной системы — то есть обращающиеся вокруг звезды, отличной от нашего Солнца. До недавнего времени считалось, что доля звезд с планетными системами очень невелика. Однако в последние годы, благодаря усовершенствованию методов их идентификации, не проходит и месяца, чтобы не обнаружились новые экзопланеты. На текущий момент мы знаем более трех тысяч семисот таких звезд.
Самые первые исследования такого рода относятся к 1940‑м годам. Но тогда использовались довольно грубые методы наблюдений, а именно — астрометрические. В соответствии с законами классической механики, если вокруг звезды обращается какая‑то планета, то и сама звезда движется вокруг центра масс системы. Чем массивнее планета, тем больше периодически меняющееся смещение звезды относительно центра масс. Поэтому ученые искали небольшое периодическое возмущение в положении родительской звезды, но результаты оказались весьма скромными.
Первый прорыв был достигнут благодаря методу радиальных скоростей, в основе которого тот же принцип, но спектроскопические измерения обеспечивают лучшую точность. Анализируется спектр излучения звезды, и если у звезды есть спутник, то линии, соответствующие различным частотам, немного смещаются с течением времени. Это происходит из‑за того, что если звезда движется по окружности вокруг центра масс, образуемого вместе с близкой планетой, то эффект Доплера вызовет небольшое периодическое изменение наблюдаемой частоты ее излучения.
Именно этот новый метод позволил открыть в 1990‑х годах первые экзопланеты. Это были огромные небесные тела, похожие на наш Юпитер. Горячие гиганты, в основном газовые, располагались очень близко от родительских звезд, и поэтому температура на их поверхности оказывалась очень высокой.
Мощный импульс развития эта исследовательская область получила благодаря разработке метода транзита, который позволяет одновременно наблюдать за сотнями тысяч звезд. Этот метод основан на прецизионной фотометрии: постоянно контролируется блеск звезды, и фиксируются периоды его очень небольшого ослабления, когда по диску звезды проходит планета. В этом случае можно ожидать, что характер возмущений будет периодическим, а его конкретная форма позволит измерить размеры планеты. Измеряя одновременно радиальную скорость, можно определить массу планеты, а вместе с ней и плотность.
Чувствительность современных инструментов такова, что поле наблюдения может простираться на тысячи световых лет и при этом возможно идентифицировать планеты размером даже меньше Меркурия.
Поиск новых землеподобных экзопланет с использованием таких методов за последние годы дал сенсационные результаты. Стало понятно, что в нашей Галактике есть очень много звезд со своими планетными системами. Выделить среди них те, у которых есть атмосфера и на которых могла бы развиться форма жизни, потенциально похожая на нашу, — лишь вопрос времени.
Если экзопланета окружена атмосферой, свет родительской звезды достигает нас после прохождения ее верхних слоев. Из-за этого некоторые характеристики света немного изменяются, что позволяет нам получить важную информацию. При длительных наблюдениях можно будет не только установить наличие атмосферы у некоторых планет, но и присутствие в этой атмосфере воды, углекислого газа или метана. Очевидно, этого еще недостаточно, чтобы сделать уверенное заключение о существовании на планете жизни, по крайней мере, в знакомых нам формах. Однако сила цифр впечатляет.
Если мы примем во внимание, что в каждой галактике порядка сотен миллиардов звезд, то сможем себе представить, как велико должно быть количество каменистых планет. Даже если исключить расположенные вне областей обитания, останется еще очень много таких, где вероятно наличие жидкой воды и, следовательно, возможна жизнь.
Но, как мы видели, этих условий все же недостаточно для того, чтобы тонкие и сложные биологические структуры действительно развивались. Важную роль играет также масса планеты, которая должна быть достаточно большой, чтобы удерживать своей гравитацией атмосферу. Должно быть магнитное поле, чтобы защищать планету от космического излучения. Наконец, очень полезно иметь стабильную орбиту и находиться в тихом уголке галактики, где крупные катастрофы маловероятны. Но прежде всего важен фактор времени: нужно, чтобы все эти условия оставались стабильными на протяжении миллиардов лет.
Некоторое время назад зонд НАСА Kepler, названный в честь великого немецкого астронома, принес сведения о тысяче двухстах восьмидесяти четырех новых экзопланетах. А группа бельгийских астрономов, работавших с данными из обсерватории Ла-Силья в Чили, идентифицировала всего в тридцати девяти с половиной световых лет от нас, в созвездии Водолей, звезду TRAPPIST-1, красный карлик, маленькое солнце с планетной мини-системой. В нее входит семь каменистых планет, некоторые из них очень похожи на нашу Землю, причем три находятся в зоне обитания — то есть на таком расстоянии от родительской звезды, что температуры на ее поверхности колеблются в пределах, аналогичных тем, что мы имеем на Земле. Если там есть вода, то она могла бы собираться в озера и океаны, подобные тем, которые нам так хорошо известны на нашей прекрасной планете. Теперь, когда мы знаем, на что смотреть, можно попытаться лучше изучить все характеристики излучения, и тогда, возможно, удастся установить, у каких из этих планет есть атмосфера.
Имеющиеся у нас знания позволяют заключить, что звезда TRAPPIST-1 еще слишком молода, чтобы на ее планетах могла возникнуть жизнь: этой маленькой солнечной системе всего четыреста миллионов лет. Но ведь мы только в самом начале длинной серии открытий. Обратный отсчет уже начался. Через несколько лет, когда нам удастся собрать больше надежных данных и когда разрешатся наши последние сомнения, перед людьми встанет двойная задача: с одной стороны, преодолеть связанный с этим открытием культурный шок, с другой стороны, решить, не поискать ли подходящие технологии, которые бы позволили, несмотря на огромные расстояния, связаться с новыми мирами или даже достичь их. И в этот раз научный прогресс движется семимильными шагами и внезапно ставит нас перед необходимостью менять парадигмы, которые казались незыблемыми.
Но вернемся к нашему рассказу о началах. Он подходит к концу, достигнув момента, отстоящего от рождения Вселенной на 13,8 миллиарда лет. Седьмой день сотворения мира заканчивается в тот самый момент, когда один из наших далеких предков поднимается и начинает свой рассказ, а все остальные выстраиваются вокруг него в круг и, зачарованные, слушают.