Текст книги "Ошибка Коперника. Загадка жизни во Вселенной"
Автор книги: Калеб Шарф
сообщить о нарушении
Текущая страница: 7 (всего у книги 18 страниц) [доступный отрывок для чтения: 7 страниц]
Сказать наверняка мы не можем – слишком мало мы знаем о многих членах лиги. Однако очень может быть, что эти планеты и вправду сформировались на гораздо больших расстояниях от звезд-родительниц и двигались «как положено», но затем игра гравитационных полей других планет вынудила их вращаться по очень вытянутым эллиптическим орбитам. В итоге такие орбиты могут встать перпендикулярно плоскости системы, а потом буквально перевернуться, и тогда планета будет двигаться в противоположном направлении – наподобие гимнастического обруча, который оказывается то одной, то другой стороной кверху. В конце концов приливная гравитационная тяга звезды «выправляет» эллиптическую орбиту, возвращает ей круглую форму и подтягивает планету поближе, где мы ее и видим.
Богатый жизненный опыт придает «горячим юпитерам» довольно интересные качества. Одни раздуваются до удивительных размеров, сверх всяких ожиданий, и в результате у них получается очень низкая плотность – иногда даже меньше, чем у воды. А есть и другие планеты-гиганты, которые из-за близости к источнику энергии и особенностей истории своего формирования претерпевают самые разные химические и структурные изменения.
Особенно это заметно по наружности – по верхним слоям их атмосфер. Среда там агрессивная, однако разобраться, какие химические компоненты в ней доминируют, практически невозможно, в отличие от прохладных, но едких и вонючих дуновений кристаллизованного аммиака и метана, которые мы находим на наших Юпитере и Сатурне. В предельных случаях температуры так высоки, что роль воды играют даже атомы железа – они формируют цикл, при котором пары создают облака, а потом проливаются тяжелыми металлическими каплями.
У некоторых «горячих юпитеров» атмосфера насыщена углеродом, а это подсказывает, что и недра у них, вероятно, нашпигованы углеродом в количествах, нам непривычных. Не исключено, что в ядрах таких планет-гигантов залегают алмазные слои – и даже есть некоторая вероятность, что существуют и другие планеты, более скромных размеров, в составе которых углерода больше, чем кремния: вполне допустимый, однако совсем не привычный для нас сценарий.
Вещества вроде газообразных оксидов титана и ванадия, существующие при таких условиях, также вносят свой вклад в облик внешних слоев атмосферы, которые иногда поглощают весь падающий на них свет. Такие планеты впитывают излучение сильнее, чем самый черный уголь. Планеты чернее ночи[100]100
См. D. M. Kipping, D. S. Spiegel. Detection of Visible Light from the Darkest World // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society 417 (2011): L88–L92.
[Закрыть]. Только свет, который их заливает, такой яркий и сильный, что человеческий глаз все же уловит отраженное сияние – словно неумелый хамелеон пытается замаскироваться под чернильную черноту космоса.
«Горячие юпитеры» составляют обособленный класс планет и ни с кем не желают водиться. Однако рядом с ними расположилась еще одна компания – отпетые сорвиголовы, будущие «горячие юпитеры». За неимением официального названия я буду именовать их «планеты-икары»[101]101
Например, газовый гигант, который вращается вокруг звезды HD 8606 (190 световых лет от Земли), имеет орбитальный период в 111 земных дней, а эллиптичность орбиты составляет 0,93. Это значит, что ближе всего он подходит к звезде на 0,03 а. е., а самое далекое расстояние – 0,88 а. е., в 30 раз больше. В районе ближайшей к звезде точки температура в атмосфере, по мнению ученых, всего за шесть часов возрастает вдвое.
[Закрыть]. В отличие от «горячих юпитеров» орбиты у таких планет довольно большие, на один круг уходит несколько месяцев. И не круглые – в сущности, это другая крайность – узкий эллипс, один конец которого находится в десятках миллионов километров от звезды-родительницы, а другой попадает в зону досягаемости звездной «топки».
Температура на некоторых таких планетах в течение их года меняется в сотни раз. В дальних точках, где планеты движутся медленнее всего, условия достаточно терпимые. Однако когда планета приближается к своему солнцу и облетает его в ближайшей точке, температура повышается на семьсот градусов за несколько часов.
Каждый раз, когда планета приближается к звезде-родительнице, гравитационные приливы чуть-чуть замедляют ее. Пройдут миллионы лет, и планета откажется от такой нелепой орбиты – скорее всего, в результате гравитационных столкновений с другими планетами, – и постепенно перейдет на конфигурацию, больше напоминающую круглую орбиту «горячего юпитера». И когда-нибудь планета-икар примкнет к «горячим юпитерам», займет свое просторное кресло у камина, однако рано или поздно ее все равно ждет гибель в звездном пламени.
Рискуют жизнью, подбираясь слишком близко к звездам, не только планеты-гиганты, но и маленькие планеты из камня и металла, выстроившиеся в пределах десятков миллионов километров от звезд-родительниц. Некоторые из них в несколько раз массивнее Земли и, скорее всего, плотнее, и поверхность у них раскаляется до температур, заметно превышающих точку плавления всех мыслимых скальных пород.
Внешние слои таких планет, лишенные защитной оболочки атмосферы, как у гигантов, превращаются в океан лавы, в вечную геенну огненную. Даже металлические составы вроде оксида алюминия испаряются с такой поверхности и снова конденсируются в пылинки, которые сдувает звездный ветер в числе прочего пара и дыма, словно чад от космической плавильной печи[102]102
См., например, S. Rappaport et al. Possible Disintegrating Short-Period Super-Mercury Orbiting KIC 12557548 // The Astrophysical Journal 752 (2012): 1.
[Закрыть].
Возможно, эти миры когда-то напоминали наш Нептун, планету, покрытую толстым одеялом из первобытного газа и льдов. Не исключено, что на нынешних орбитах они очутились в результате миграций, а здесь защитный покров развеялся и испарился. А может быть, они всегда представляли собой просто небесные тела из камня и металла, которым не повезло оказаться в нынешних суровых условиях.
* * *
Итак, на этом конце экзопланетной гостиной, поближе к камину, сидят самые разные планеты. Однако всего в нескольких шагах от них расположились объекты еще более пестрые и ошеломительно-незнакомые. Например, на соседних креслах сидит группа из девяти крупных планет[103]103
Признаюсь честно: мы еще пока не уверены, что обнаружили в точности такие системы, поскольку интерпретировать данные очень трудно. Тем не менее гипотеза о подобном наборе планет основана на реальных данных, приведенных в статье M. Tuomi. «Evidence for Nine Planets in the HD 10180 System // Astronomy and Astrophysics 543 (2012), no. A52:1–12.
[Закрыть], окруживших одну звезду.
Поначалу кажется, будто в них нет ничего особенно необычного: ведь и вокруг нашего Солнца вращается восемь крупных планет плюс многочисленные транснептуновые тела вроде Плутона. Так что числом девять нас не удивишь. Мы и не удивились бы, если бы не одно обстоятельство: все эти планеты вращаются вокруг своей звезды (так вышло, что это звезда примерно той же массы и того же возраста, что и Солнце) на расстояниях меньше радиуса орбиты Юпитера.
Все эти планеты, кроме двух, которые лишь немногим массивнее Земли, крупные и тяжелые – в 10, 20, даже в 60 раз массивнее нашего домика. И хотя все они плотно упакованы в ужасно тесную на первый взгляд систему, там остается место кое для чего еще. В подобных местах процессы формирования планет идут бесконтрольно – планеты выковываются одна за другой, умудряясь как-то избегать губительных последствий гравитационных взаимодействий между ними. Прямо-таки хочется подойти к таким системам и сказать: «Молодцы, молодцы!»
Теперь уже очевидно, что планетные системы и сами планеты необычайно разнообразны. Это разнообразие поразительно и само по себе, однако заставляет задавать серьезные вопросы и о том, как мы оцениваем собственную вселенскую заурядность, собственную обычность. Мы уже не просто не единственная планетная система на свете – все обстоит гораздо хуже: очень многие из этих новых планет и систем пренебрегают всеми нашими представлениями о нормальности. В некоторых системах у планет экзотические орбиты. Гравитационная динамика так организовала движение этих объектов, что периоды обращения, планетные годы, синхронизированы в виде отношений простых чисел. Например, внутренняя планета делает два оборота ровно за то время, за которое внешняя совершает один оборот. Как будто их движение – часть точно настроенного музыкального инструмента, который меняет высоту звука в соответствии с идеальной гармонией.
Этот феномен называется резонанс. Движения планет по орбитам в таких системах подчиняются этому ритму, поскольку планеты постоянно оказываются в одном и том же месте в пространстве через равные промежутки времени. А в результате гравитационные поля воздействуют друг на друга одинаково, ритмически – и поддерживают синхронизацию. Во время формирования и в ходе истории этих систем орбиты планет медленно менялись и оказались пойманы в это состояние, общее для всех планет и вызванное взаимным гравитационным притяжением, без надежды на побег.
Хотя многочисленные примеры такого рода орбитального резонанса налицо даже в нашей Солнечной системе, у нас им подчиняются почти исключительно движения мелких планет и спутников, а движение крупных планет не знает резонанса, по крайней мере, в такой степени, в какой ему подвластны некоторые экзопланетные системы. Например, орбиты малой планеты Плутон и гигантского Нептуна подчиняются резонансу – на два плутоновских года приходится три нептуновских. Специфическим закономерностям подчиняются и некоторые спутники вокруг гигантских планет. Ио, Европа и Ганимед – спутники Юпитера – подчиняются закономерности в 4, 2 и 1 оборот за один и тот же период. Однако никакие крупные планеты в нашей системе не состоят друг с другом в подобных отношениях, по крайней мере, сейчас, поскольку есть некоторые свидетельства, что когда-то, быть может, четыре миллиарда лет назад, Юпитер с Сатурном танцевали танго с ритмом один к двум.
Казалось бы, необычное положение дел, и, тем не менее, подобные резонансы наблюдаются по всей нашей Галактике довольно часто. Но есть и еще одно свойство орбит многих планет, на котором нам совершенно необходимо остановиться, поскольку свойство это, с одной стороны, весьма часто встречается, а с другой – разительно отличается от устройства Солнечной системы. Мы обнаружили, что большинство планет нашей лиги вращаются не по кругу, а по плавным эллиптическим траекториям. Именно эти эллипсы обнаружил Кеплер, когда нашел объяснение непослушных закономерностей движения планет в Солнечной системе, именно они прямо следуют из закона всемирного тяготения Ньютона. Однако орбита самой Земли имеет лишь слегка эллиптическую форму – она отклоняется от правильной окружности лишь на пару процентов. В сущности, ни одна планета нашей системы не отклоняется от окружности больше чем на 10 %, кроме Меркурия, у которого отклонение составляет 20 %.
А если мы изучим лигу планет, то окажется, что 80 % экзопланет вращаются по орбитам с эллиптичностью более чем в 10 %. В сущности, более 25 % планет по всей Галактике вращаются по орбитам, которые на 50 % «эллиптичнее» круга. Иначе говоря, если мы захотим найти место Солнечной системы в лиге планет, нам придется потрудиться, чтобы найти местечко, зарезервированное для таких, как мы. Наша Солнечная система со своими относительно круглыми, но при этом большими орбитами находится в нижней четверти таблицы эллиптических орбит. Она явно выделяется в общем ряду.
Предпочтение эллиптической архитектуры орбит указывает на целый ряд весьма важных обстоятельств. Во-первых, оно предполагает, что большинство планетных систем, может быть, более 70 %, знавали периоды так называемой динамической активности. Это означает, что в прошлом планеты, скорее всего, были расположены иначе, временами проходили ближе друг к другу и сильнее притягивали друг друга. Со временем это может вызвать довольно заметные перемены и даже разрушение системы – они так и летают по ней и иногда находят себе другое место или вовсе теряются. К этому примечательному свойству я еще вернусь, когда мы заговорим об эволюции планетных орбит и о том, как она относится к принципу Коперника, однако оно свидетельствует о том, что история большинства систем оказалась куда более бурной, чем даже самые смутные времена в нашей Солнечной системе.
Еще одна черта эллиптических орбит, важная для нашей цели, – выяснения своего статуса во Вселенной – имеет отношение к климату. Многие потенциальные кузины Земли, как правило, подвержены значительно более резким перепадам количества энергии, которое они получают от родительских звезд в течение своего года. Эта энергия – важнейший фактор, определяющий обстановку на поверхности подобных планет, поэтому для нас она крайне важна.
Разнообразие в лиге планет этим не исчерпывается: орбиты – всего лишь одна из множества их отличительных черт. Очень многие системы содержат многочисленные экземпляры из другого класса планет, представителей которого вокруг Солнца нет вообще. Это планеты, которые укладываются в диапазон размеров от чуть больше массы Земли до пяти-десяти ее масс. Они – супер-Земли[104]104
См., например, обзор N. Haghighipour. The Formation and Dynamics of Super-Earth Planets // Annual Review of Earth and Planetary Sciences 41 (2013): 469–95.
[Закрыть], и самые маленькие из них по крайней мере смутно напоминают нашу собственную планету, хотя на самом деле они не обязательно «землеподобны» (на этом качестве мы остановимся чуть позже). Более крупные варианты могут сильно отличаться от нас. У многих, по всей видимости, есть мощная атмосфера, вероятно, содержащая много водорода. Некоторые подобные массивные объекты, вероятно, покрыты слоем воды. Иногда они насквозь проморожены. А иногда целиком скрыты мировым океаном, достигающим невообразимой глубины – в десятки, а то и сотни километров, – где давление и температура так огромны, что химико-физическое поведение воды ничем не напоминает знакомые нам земные процессы. Есть и такие, где количество воды довольно скромно или ее вовсе нет. Зато на многих из них вовсю идут постоянные бурные вулканические процессы.
Несмотря на такие суровые и нестабильные условия на поверхности, подобные планеты могут быть необычайно плодородными с химической точки зрения. Непрерывный конвейер поднимающейся к поверхности раскаленной лавы постоянно освежает химическую смесь, обогащает ландшафты густой подливкой из высокореактивных веществ. А кроме того, из-за крупных размеров геофизическая продолжительность жизни подобных планет очень велика, поскольку отношение остывающей поверхности к общему объему у них меньше. Миллиарды лет замедленной активности позволяют им выглядеть молодо гораздо дольше, чем их миниатюрным – размером с Землю – кузинам.
Здесь, прямо посередине клубной гостиной, весьма многолюдно. Супер-Земли, а также нептуноподобные планеты чуть больших размеров и объекты поменьше, размером с Землю, так многочисленны, что им приходится сидеть прямо-таки друг у друга на голове. А данные последних исследований показывают, что они предпочитают находиться на тесных орбитах, полный оборот по которым занимает считанные дни или недели. Более того, судя по всему, такой тип планет – самый распространенный на Млечном Пути. Данные исследований наталкивают на мысль, что подобные небесные тела, вероятно, превосходят числом звезды в нашей Галактике, таких планет, быть может, сотни миллиардов[105]105
См., например, X. Boni ls et al. The HARPS Search for Southern Extra-Solar Planets. XXXI. The M-dwarf Sample // Astronomy and Astrophysics 549, no. A109 (2013): 1–75.
[Закрыть].
И здесь нас ждет очередной сюрприз, очередное вопиющее противоречие нашим представлениям о заурядности Солнца и Солнечной системы, заставляющее усомниться в некоторых предпосылках Коперника: большинство этих планет вращаются вокруг звезд, которые меньше и тусклее Солнца, поскольку вообще большинство звезд во Вселенной меньше и тусклее Солнца.
Проведите перепись звезд по всей Галактике – и вы обнаружите, что 75 % звезд обладают массой меньше половины Солнца, а их яркость составляет всего-навсего несколько процентов его яркости! Самые маленькие – с массой примерно в одну десятую солнечной – светятся с яркостью лишь в одну тысячную Солнца. Это тусклые красноватые шары из водорода и гелия, рассыпанные по всему космосу.
Именно таковы почти все наши звезды-соседки. В пределах 20 световых лет от нас насчитывается восемь звезд размером с Солнце или несколько больше – и при этом 101 известная звезда меньше Солнца. Даже знаменитая система Альфа Центавра состоит из трех звезд. Две из них более или менее похожи на Солнце, а третья – Проксима Центавра – обладает массой только в 13 % солнечной и яркостью меньше чем 0,2 % яркости Солнца.
Все подобные звезды так тусклы и так далеки, что их невозможно различить невооруженным взглядом, они становятся видны лишь в линзах телескопов, собирающих свет. Однако не стоит отмахиваться от них как от сущей мелочи, от стайки межзвездных мошек: задумайтесь о том, что эти мелкие звезды не просто собирают вокруг себя большинство планет в Галактике, но и живут дольше всех других разновидностей звезд. Относительно низкая температура в их недрах в сочетании с турбулентной ядерной системой пищеварения, которая перерабатывает материал звезды, приводят к тому, что водородное топливо у этих звезд кончается очень не скоро – должно пройти колоссальное время. И к тому же они пережигают его, что называется, безотходно. Примерно через десять миллиардов лет постоянного термоядерного синтеза звезда вроде нашего Солнца израсходует всего лишь 8 % своего водорода, после чего ее жизнь начнет стремительно клониться к закату. Напротив, звезда гораздо меньших размеров способна переработать 98 % своего водорода, и на это у нее уйдет более триллиона лет[106]106
О том, какая у этого утверждения теоретическая основа, хорошо рассказано в статье G. Laughlin, P. Bodenheimer, F. C. Adams. The End of the Main Sequence // The Astrophysical Journal 482 (1997): 420–32.
[Закрыть].
Из этого следует, что если поглядеть на лигу выдающихся планет, то обнаружишь, что подавляющее большинство из них находится в системах тусклых звезд, которые равномерно излучают энергию на свои льдисто-каменистые чада примерно в сто раз дольше, чем ожидаем мы от своего Солнца. По-моему, разумно предположить, что внешний наблюдатель, который посмотрит на Млечный Путь, вооружившись астрономическими инструментами, исследует наши края и тут же придет к выводу, что такова уж неофициальная иерархия звезд, окруженных планетами: правят балом маленькие, а те, что покрупнее, встречаются довольно редко.
А теперь отправимся в дальний конец клубной гостиной, где кресла расставлены в густой тени. Однако здесь не менее людно, чем в остальных местах. В темных глубинах кресел раскинулись самые загадочные члены клуба – межзвездные миры, бродяги, вольные странники. Это планеты без звезд и орбит. Они дрейфуют в открытом космосе.
Время от времени такие планеты становятся заметны по воздействию на пролетающий мимо свет далеких звезд. Линзоподобное искажение, возникающее из-за их массы на ткани пространства-времени, ненадолго усиливает и искривляет эти лучи, направляя их по контурам планет, которые остаются холодными и темными. Вероятно, эти небесные тела осиротели в результате мощного гравитационного воздействия на какие-то юные планетные системы, оказались вырваны из звездного гнезда и вышвырнуты в пространство – и теперь скитаются по Галактике.
Есть свидетельства существования значительного числа подобных планет-скиталиц[107]107
В основном эти свидетельства дают нам исследования гравитационных линз. См. T. Sumi et al. and A. Udalski et al. Unbound or Distant Planetary Mass Population Detected by Gravitational Microlensing // Nature 473 (2011): 349–52. (Авторы – участники проектов Microlensing Observations in Astrophysics [MOA] и Optical Gravitational Lensing Experiment [OGLE] collaborations).
[Закрыть], возможно, на Млечном Пути их не меньше, чем звезд. Их существование сильнейшим образом влияет на баланс астрофизических объектов в космосе, сдвигает его с гигантских структур в сторону мелких скоплений планетного вещества, которые создаются при бурном вращении вокруг зон, где рождаются звезды. И мы снова сталкиваемся с таким разнообразием видов и размером популяций, о каком и не подозревали.
* * *
Итак, в клубной гостиной собралась весьма разнородная компания, и чем пристальнее мы вглядываемся, тем больше разных типов различаем. На самом деле я, можно сказать, еще и не начал их перечислять – коснулся лишь тех разновидностей, о которых мы в данный момент больше всего знаем.
Например, планеты есть и во множестве систем, у которых больше одной звезды. Представляете, насколько там все не так, как у нас? Солнца-двойняшки, а иногда и тройняшки и даже больше[108]108
И даже звездные системы с большей кратностью. Многие известные экзопланеты вращаются вокруг звезды, у которой есть одна или несколько звезд-компаньонок на более далеких орбитах. Например, в системе GJ667 три звезды (А, В, С), и доказано, что вокруг звезды С вращаются экзопланеты. Надежнее всего подтверждено, что существует планета, вращающаяся сразу вокруг двух звезд, в случае Kepler-16, которую иногда называют «системой Татуин» в честь вымышленной планеты из «Звездных войн».
[Закрыть]. Зачастую такие звезды вращаются друг вокруг друга на солидном расстоянии. В таких случаях планеты вполне могут сформироваться и вращаться вокруг одной какой-нибудь звезды, а гравитация ее сверкающей сестры не очень их беспокоит. Однако есть и другие места, где планеты вращаются вокруг двух солнц, двух звезд в центре планетной системы. На небесах этих далеких планет восходят и заходят сразу два светила, и иногда они заслоняют друг друга, вызывая затмения, а иногда движутся бок о бок с утра до вечера.
Астрономы приходят к выводу, что существует великое множество всевозможных планет разного состава и с разными условиями. Миры, окутанные покровом атмосферы из паров воды или молекул водорода, планеты-океаны[109]109
См. A. Léger et al. A New Family of Planets? «Ocean-Planets» // Icarus 169 (2004): 499–504.
[Закрыть], где вообще нет континентов, углеродные миры с невиданной геофизикой, ледяные шары, погрязшие в вечной зиме настолько, что даже атмосфера у них замерзла и осыпалась на поверхность. Наверняка на свете есть планеты холодные и раскаленные, теплые и тепловатые, а иногда на одной планете есть все эти климатические зоны. Бывают планеты юные. Бывают древние. Бывают миры с богатым химическим составом, и одни из них залиты неведомыми соединениями, а другие больше похожи на Землю. Бывают и химически бедные планеты. Наверняка найдутся миры с кольцами из пыли или льда, вроде Сатурна. Будут и планеты, окруженные лунами, в том числе и лунами размером с Марс или Землю, быть может, даже с собственными атмосферами, океанами и материками.
Если во все это вдуматься, становятся понятны две вещи. Первая – ни наша звезда, ни наша планетная система не похожи на те системы, где обычно встречаются маленькие каменистые планеты с большим запасом воды. Иначе говоря, при всем разнообразии планет Земля и ее среда обитания несколько необычны. Это немного загадочно и очень важно. Предположим, что планеты, условия на которых благоприятны для жизни, с равной вероятностью встречаются у любых видов звезд и при любой архитектуре орбит. Если так, то мы могли бы ожидать, что подавляющее большинство пригодных для жизни планет существует вокруг звезд с низкой массой и эллиптической конфигурацией тесно сдвинутых орбит. Либо сами эти планеты, либо их сотоварищи должны быть Супер-Землями. То есть исключительно на этой основе мы вправе ожидать, что мы должны были существовать в одной из таких систем, а не в системе вроде той, в которой мы живем на самом деле.
Возможных объяснений очень много. Например, что мы живем в пригодной для жизни системе не самого распространенного типа по чистой случайности – просто реализовался маловероятный сценарий. Если да, то никаких особенно важных уроков нам это не преподает, просто так получилось, что мы живем в немного нетипичном месте. В частности, это может означать, что жизнь бурлит в самых разных местах, которые нам кажутся непривычными, – от планет, вращающихся вокруг звезд с низкой массой, до куда более экзотических миров вроде спутников планет-гигантов – на этих спутниках может быть морозный, а может быть и умеренный климат. Если жизнь – явление распространенное, она чаще возникает в таких местах, а не в редкостных уголках вроде нашей Солнечной системы.
Однако есть и другой вариант развития событий – что пригодные для жизни условия возникают у разных типов звезд и среди разных орбитальных архитектур с неодинаковой вероятностью. Не исключено, что есть что-то такое, из-за чего наши условия особенно хорошо подходят для возникновения жизни. Такой вариант означал бы, что во Вселенной в целом производится меньше жизни, чем могло бы. Если помните, я говорил, что вопрос «Насколько распространена жизнь в космосе?» – это загадка, ясного ответа на которую не дает ни принцип Коперника, ни антропная аргументация. Если окажется, что реализовался такой сценарий, это позволит нам подступиться к тому, чтобы измерить частоту возникновения жизни – и вероятность абиогенеза (естественного происхождения жизни из неживой материи). К этой важнейшей теме я еще вернусь.
Качества, которые позволяют планетам создавать системы, где более или менее возможно возникновение жизни, вполне очевидны. Главное – температура. На Земле налажено несколько шаткое равновесие, благодаря которому на поверхности и вблизи нее сохраняется большое количество воды в жидком состоянии. Жидкая вода – это уникальный природный растворитель, играющий важнейшую роль в земной биохимии и в геофизическом поведении нашей планеты. Кроме того, большое значение для того, чтобы у нас было вдоволь океанов и осадков, играют и точное расстояние от Земли до Солнца, и нынешняя яркость Солнца, и состав атмосферы Земли. Однако всех механизмов, которые задействованы в поддержании умеренного климата на той или иной планете, мы пока не знаем. Мы с коллегами, например, исследовали[110]110
Я участвовал в проектах, в результате которых в 2008–2010 годах появилась серия статей о вариантах климата на планетах. Первая из них – D. S. Spiegel, K. Menou, and C. A. Scharf. Habitable Climates // The Astrophysical Journal 681 (2008): 1609–23.
[Закрыть], как влияют на климат планет, похожих на Землю, различные орбиты, наклон осей и даже продолжительность дня. Зависимость получилась не прямая. Планеты на орбитах, гораздо более эллиптических, чем орбита Земли, вполне способны сохранять среду, насыщенную жидкой водой, в то время как на планетах, где день короче нашего, тепло не так хорошо передается от тропических экваторов к полюсам, и, вероятно, они застывают в вечных ледниковых периодах.
Список плюсов и минусов можно продолжать чуть ли не бесконечно. Влажные среды тоже могут быть разными – например, мы предполагаем, что они существуют под ледяной корой спутников вроде Европы, Ганимеда или Энцелада, фонтанирующего гейзерами, в нашей собственной Солнечной системе. Под поверхностью таких небесных тел, вероятно, залегают озера и даже океаны жидкости, и это никак не связано с жаром звезды.
Ясно, что нам недостает данных, чтобы разобраться, как ранжировать подобные вероятности, и в следующих главах я постараюсь рассортировать факты, чтобы понять, что еще можно узнать. Однако разнообразие экзопланет, вероятно, подсказывает нам в наших поисках жизни еще кое-что. Планеты, пригодные для жизни, несказанно разнообразны и по устройству орбит, и по составу и структуре самих планет. И хотя подобная пестрота многому учит нас с точки зрения планетной астрофизики, она ставит и некоторые существенные препятствия на пути науки.
Понимание основ механики, которая стоит за формированием и эволюцией планет, дается гораздо труднее, когда становится ясно, сколько взаимодействующих факторов влияют на явление в целом. Кроме того, эта многогранность создает и еще одно препятствие, которое прямо относится к нашим поискам космического значения: если это разнообразие означает, что на свете нет пары одинаковых планет, как нам оценить свое место среди них?
Выражусь иначе. Ученые любят говорить о поисках «другой Земли» или «землеподобных» планет. Это легкий способ емко назвать поиск миров, похожих на наш набором каких-то основных параметров – от размера и состава до, разумеется, условий на поверхности. Однако в этих невинных фразах таятся нешуточные сложности.
Зачастую считают, будто словосочетание «землеподобная планета»[111]111
Я опубликовал научно-популярную заметку об этой идее в сетевой версии журнала «Scientific American» за 26 декабря 2012 года: «Should We Expect Other Earth-Like Planets At All?» // http://blogs.scientificamerican.com/life-unbounded/2012/12/26/should-we-expect-other-earth-like-planets-at-all/
[Закрыть] означает другую планету, которую каждый узнает с первого взгляда – с континентами, океанами, облаками, лесами и милыми пушистыми зверюшками. Получается, что наш мир служит шаблоном, образцом, с которым следует сравнивать все остальное. Это слегка отдает старыми представлениями о том, что жизнь на других планетах должна быть похожа на нашу.
Мне представляется, что на самом деле мы ищем планеты, не подобные, а эквивалентные Земле. В данном случае эквивалентность – то же самое, как если бы в автосалоне вам сказали, что нет, вам не продадут красный спортивный кабриолет, зато вы можете приобрести другой автомобиль, не красный, не спортивный, вовсе не открытый всем ветрам, но тоже с четырьмя колесами и двигателем.
В самом первом приближении требования к планете, эквивалентной Земле, предполагают, чтобы условия на ее поверхности были похожи на условия в каких-то областях Земли в наши дни или в какие-то периоды ее истории. То есть температуры должны благоприятствовать жидкой воде и самой воды должно быть в изобилии, как и химического топлива и сырья. Вероятно, нужна еще и определенная стабильность, отсутствие слишком бурных и частых перемен или избыточного излучения, разрушительного для биологических структур и объектов.
Интересный вопрос – можно ли найти подобные эквиваленты Земле в местах, которые внешне сильно отличаются от нашей родной планеты, и ответа на него нам придется подождать. Однако, прежде чем мы покинем лигу выдающихся планет и двинемся дальше, нам придется научиться у них еще кое-чему, на первый взгляд неочевидному. Наверное, вы думаете, будто то, что планеты столь разнообразны, само собой разумеется, и тем не менее из этого обстоятельства следуют некоторые достаточно сложные выводы, которые могут сыграть важнейшую роль в наших изысканиях.
* * *
За годы, миновавшие с тех пор, как в обсерватории Аресибо были обнаружены планетные объекты вне нашей Солнечной системы, мы нашли тысячи новых планет вокруг тысяч звезд. Мы уверены, что число это будет и дальше расти, поскольку у нас уже достаточно данных, чтобы делать статистические обобщения, оценить общую популяцию планет в Галактике, провести приблизительную перепись. Этим занимались многие ученые, и закономерность в целом вполне ясна.
Если нас интересуют только планеты примерно земного размера – ну, скажем, от половины диаметра Земли до четырех ее диаметров – очевидно, что на Млечном Пути их должно быть от нескольких миллиардов до нескольких десятков миллиардов. Более того, если нас интересуют только те, которые вращаются вокруг своих звезд на нужном расстоянии – таком, чтобы на поверхности были умеренные температуры и жидкая вода, – некоторые исследования оценивают галактическую популяцию таких планет[112]112
О том, какие экстраполяции позволяют сделать подобные заявления об общем количестве планет на Млечном пути, доступно рассказано в двух статьях: C. D. Dressing, D. Charbonneau. The Occurrence Rate of Small Planets around Small Stars // The Astrophysical Journal 767 (2013): 95–114, и E. A. Petigura, G. W. Marcy and A. W. Howard. A Plateau in the Planet Population below Twice the Size of Earth // The Astrophysical Journal 770 (2013): 69–89.
[Закрыть] более чем в 20 миллиардов, а иногда и в 40.
При подобном изобилии миров вероятность того, что одна такая планета с благоприятными условиями существует в пределах 16 световых лет от нашего Солнца – по космическим меркам рукой подать – составляет 95 %. Мощности сегодняшних телескопов хватит, чтобы изучить такую планету достаточно подробно. А завтрашнее поколение телескопов и инструментов позволяет надеяться, что мы сможем найти и признаки жизни, о чем я еще расскажу.
Установить сам факт изобилия планет довольно просто – и при этом он фундаментально меняет природу наших вопросов о существовании внеземной жизни. Представьте себе, что было бы, если бы Земля была единственной планетой во Вселенной. Мы бы точно так же задавались вопросом, какова вероятность, что на планете с такими условиями зародилась жизнь, однако ответить на этот вопрос было бы, в сущности, невозможно. Как ни соблазнительно было бы думать, что вероятность очень высока (а иначе как появилась бы жизнь на единственной планете во Вселенной?), доказать это при наличии одного-единственного примера мы бы не могли.
Но если бы в этой гипотетической Вселенной обнаружилась вторая планета, все бы разом изменилось. Была бы и она обитаемой, неважно, – само ее существование дало бы нам возможность делать математические утверждения о вероятности зарождения жизни на планетах, а также оценить вероятность нашего собственного появления. Если бы планет было еще больше, это улучшило бы ситуацию, поскольку каждый следующий ответ «да» или «нет» помогал бы нам определить, с какой частотой возникает жизнь на любой планете.
Итак, налицо неочевидное обстоятельство[113]113
Об этом я подробнее писал в Интернет-журнале Aeon Magazine от 20 июня 2013 года: C. Scharf, «Are We Alone? // http://aeon.co/magazine/nature-and-cosmos/the-real-meaning-of-the-exoplanet-revolution/.
[Закрыть]. Мы уже знаем, что живем во Вселенной, где планет великое множество. Из этого следует, что мы живем во Вселенной, где в принципе можно получить ответ на вопрос о вероятности зарождения жизни, о шансах на абиогенез в каком-нибудь подходящем мире, – при условии, что у нас будет вдоволь времени и технологических умений.
