Экзопланеты

Началось всё в 1992 году, когда польский астроном Александр Вольщан и канадский радиоастроном Дейл Фрейл объявили об открытии двух, а затем и третьей планеты у пульсара PSR B1257+12. Это было одновременно и сенсацией, и разочарованием: планеты оказались настоящими, но вращались они вокруг мёртвой нейтронной звезды, испускающей смертоносное излучение, и ни о какой жизни там не могло быть и речи. Тем не менее сам факт существования планет вне Солнечной системы был установлен. Настоящий прорыв произошёл три года спустя, в 1995 году, когда швейцарские астрономы Мишель Майор и Дидье Кело обнаружили первую экзопланету у обычной, похожей на Солнце звезды 51 Пегаса. Открытие было сделано методом лучевых скоростей, который основан на эффекте Доплера: планета, обращаясь вокруг звезды, заставляет её слегка покачиваться, и это движение можно зафиксировать по периодическому смещению линий в спектре. Удивление вызвал не сам метод, а объект: планета с массой примерно в половину Юпитера обращалась вокруг своей звезды на расстоянии в двадцать раз меньшем, чем Земля от Солнца, делая полный оборот всего за четверо суток. Такой мир, получивший название «горячий юпитер», не имел аналогов в нашей системе и в корне ломал прежние представления о формировании планет. За это открытие Майор и Кело получили Нобелевскую премию по физике в 2019 году, и с тех пор счет пошёл на тысячи.

Сегодня в копилке астрономов более пяти с половиной тысяч подтверждённых экзопланет, и ещё десятки тысяч кандидатов ждут проверки. Основной вклад в этот поток сделал космический телескоп «Кеплер», запущенный в 2009 году и работавший почти десять лет. Его метод был предельно прост и изящен: он просто очень долго и очень внимательно смотрел на одно и то же поле зрения, содержащее около ста пятидесяти тысяч звёзд, и фиксировал крошечные провалы в их блеске. Если звезда периодически немного тускнеет, это может означать, что перед ней проходит планета, заслоняя часть её света. Такой транзитный метод позволяет определить радиус планеты, период обращения и даже наклон орбиты. «Кеплер» обнаружил более двух с половиной тысяч подтверждённых планет и тысячи кандидатов, и его статистика показала ошеломляющий результат: в среднем у каждой звезды есть хотя бы одна планета, а у каждой пятой звезды солнечного типа, возможно, есть планета размером с Землю в так называемой обитаемой зоне - области, где вода на поверхности может существовать в жидком виде. Конечно, обитаемая зона - это лишь грубая оценка, и реальная пригодность планеты для жизни зависит от множества факторов, от состава атмосферы до магнитного поля, но сама распространённость потенциально землеподобных миров поражает.

После «Кеплера» эстафету подхватил космический телескоп TESS, запущенный в 2018 году. Он сканирует почти всё небо, ищет транзиты у ближайших и ярких звёзд, которые удобны для последующих детальных исследований. Именно TESS нашёл немало интересных систем, включая TOI-700 d, планету размером с Землю в обитаемой зоне красного карлика, расположенную всего в ста световых годах от нас. Помимо транзитного метода, астрономы активно используют лучевые скорости, причём точность современных спектрографов такова, что они способны улавливать движение звезды со скоростью в несколько десятков сантиметров в секунду, а этого достаточно, чтобы заметить планету массой с Землю. Наземные инструменты, такие как HARPS в Чили и CARMENES в Испании, построили целые каталоги маломассивных планет у ближайших звёзд. Существуют и другие методы: гравитационное микролинзирование, при котором масса планеты искривляет свет далёкой фоновой звезды, позволяя находить миры на огромных расстояниях, вплоть до центра Галактики; прямое изображение, когда планета видна как тусклая точка рядом со звездой, что удаётся лишь для молодых и горячих гигантов на широких орбитах, как в знаменитой системе HR 8799; астрометрия, измеряющая смещение звезды на небе под действием планетной гравитации, которая обещает раскрыть свои возможности с данными космического телескопа Gaia. Каждый метод чувствителен к разным типам планет и орбит, и их комбинация позволяет составить полную картину планетного населения.

И картина эта оказалась до неприличия разнообразной. Помимо горячих юпитеров, которых набралось уже несколько сотен, мы знаем «тёплые нептуны», «суперземли» - планеты с массой от одной до десяти земных, которые, по-видимому, являются самым распространённым типом в Галактике, но которых нет в нашей Солнечной системе. Есть «мини-нептуны», которые могут быть газовыми карликами с толстой атмосферой, а могут - водными мирами, покрытыми океаном глубиной в сотни километров под плотной оболочкой. Есть планеты-океаны, целиком состоящие из воды, лавовые миры, раскалённые до такой степени, что каменная поверхность плавится и испаряется в атмосферу, как на 55 Рака e; планеты с плотностью пенопласта, как WASP-17b, и планеты с плотностью чистого железа, как K2-38b. Мы находим планеты у двойных звёзд, где на небе восходят два солнца, как на Татуине из «Звёздных войн», планеты у красных карликов, которые составляют три четверти всех звёзд Галактики, и даже планеты, пережившие катаклизм и обращающиеся вокруг белых карликов. Особый интерес вызывают системы красных карликов, такие как TRAPPIST-1, где сразу семь планет размером с Землю вращаются вокруг крошечной звезды, и три из них находятся в обитаемой зоне. Красные карлики живут сотни миллиардов лет, что даёт жизни невообразимо долгий срок для развития, но у них есть и серьёзные недостатки: мощные вспышки, которые могут сдувать атмосферы, и приливный захват, из-за которого планета всегда обращена одной стороной к звезде, создавая вечный день с одной стороны и вечную ночь с другой. Впрочем, климатические модели показывают, что при достаточно плотной атмосфере и наличии океана тепло может переноситься на ночную сторону, и такие миры всё же могут быть пригодны для жизни.

Изучение атмосфер экзопланет - это, пожалуй, самая захватывающая область сегодняшней экзопланетологии. Когда планета проходит по диску своей звезды, часть звёздного света проходит сквозь её атмосферу, и атомы и молекулы поглощают свет на определённых длинах волн. Анализируя этот спектр пропускания, можно определить химический состав верхних слоёв атмосферы. Первые такие измерения были сделаны ещё в 2000-х с помощью «Хаббла» и «Спитцера», но настоящий прорыв начался с запуском космического телескопа «Джеймс Уэбб» в конце 2021 года. Уже в 2022 году он получил детальный спектр атмосферы горячего сатурна WASP-39 b, где были обнаружены углекислый газ, водяной пар, угарный газ и диоксид серы - последний указывает на фотохимические реакции, подобные озоновому слою Земли, но в экстремально горячих условиях. Для более холодных планет, таких как K2-18 b, в спектрах находят метан и углекислый газ, а в 2023 году были сообщения о возможном присутствии диметилсульфида - вещества, которое на Земле производят только живые организмы, в основном морской фитопланктон. Это сообщение вызвало бурю как восторгов, так и скепсиса, и справедливо: сигнал был слабым и находился на пределе чувствительности прибора, а диметилсульфид может иметь и небиологическое происхождение при определённых условиях. Тем не менее сам факт, что мы уже способны искать такие биомаркеры в атмосферах планет за сотни световых лет, кажется чудом.

Раз уж зашла речь о жизни, стоит упомянуть и о спорах, которые не утихают в научном сообществе. С одной стороны, есть оптимисты, которые, опираясь на огромное количество потенциально обитаемых миров и на то, что жизнь на Земле возникла практически сразу после появления подходящих условий, считают, что жизнь - это естественное следствие химической эволюции, и Вселенная должна кишеть микробами. С другой стороны, есть и противоположная точка зрения, известная как гипотеза «Редкой Земли», сформулированная палеонтологом Питером Уордом и астрономом Дональдом Браунли в 2000 году. Они утверждают, что для сложной, а тем более разумной жизни требуется совпадение слишком многих маловероятных факторов: наличие большой луны, стабилизирующей наклон оси, тектоники плит, магнитного поля, удачного расположения в галактике вдали от опасных сверхновых, долгоживущей звезды и так далее. Их книга вызвала острую дискуссию, но серьёзным контраргументом служит простое соображение: мы пока изучили атмосферы лишь нескольких десятков планет, и делать выводы об отсутствии жизни на основе такой выборки - всё равно что зачерпнуть стакан воды из океана и заявить, что китов не существует. Более экзотические гипотезы, такие как панспермия - перенос жизни с одной планеты на другую через метеориты и астероиды - имеют право на существование, но они не решают проблему происхождения жизни, а лишь переносят её на другую сцену. Есть и совсем уж неортодоксальные идеи о том, что жизнь может быть основана не на углероде и воде, а, скажем, на кремнии и жидком аммиаке или метане, но пока все такие варианты остаются теоретической экзотикой, поскольку углеродная химия в водной среде обладает уникальными преимуществами для образования сложных молекул.

Если же говорить о разумной жизни, то тут начинается совсем другая история, связанная с поиском техносигнатур - следов деятельности внеземных цивилизаций. Классический проект SETI сканирует небо в радиодиапазоне в надежде уловить искусственный сигнал, но пока, увы, тишина. Парадокс Ферми, который спрашивает «если инопланетяне существуют, то где они?», становится всё более острым по мере того, как растёт число открытых пригодных для жизни миров. Предлагаются десятки объяснений: от «Великого фильтра», который, возможно, уже позади, а возможно, впереди, до гипотезы «зоопарка», согласно которой развитые цивилизации просто не хотят вмешиваться в наше развитие. Существует и смелая мысль, что мы просто неправильно ищем, что инопланетный разум может быть настолько чуждым, что мы не распознаем его следы, будь то в радиошумах или в химических аномалиях атмосфер. Как бы то ни было, экзопланетология дала этим спорам фактическую почву: теперь мы знаем, что планет, где хотя бы теоретически возможна жизнь, очень много, и потому молчание космоса становится всё более интригующим.

В ближайшие десятилетия нас ждут новые прорывы. Уже строятся гигантские наземные телескопы, такие как Чрезвычайно Большой Телескоп Европейской южной обсерватории с зеркалом диаметром 39 метров, который сможет получать прямые изображения землеподобных планет и анализировать их атмосферы. Космический телескоп «Платон», запуск которого намечен на 2026 год, будет искать транзиты у ярких звёзд по всему небу, а в более далёкой перспективе обсуждаются миссии типа HabEx и LUVOIR - гигантские космические обсерватории, способные непосредственно сфотографировать двойника Земли и найти в его спектре кислород, метан и другие биомаркеры. Параллельно развиваются лабораторные исследования, пытающиеся в деталях понять, как могла возникнуть жизнь из неорганической химии, и какие именно сочетания газов в атмосфере могут служить надёжными признаками биологической активности. Мы вступаем в эпоху, когда вопрос о жизни во Вселенной переходит из разряда умозрительных в разряд проверяемых, и это одно из самых волнующих событий в истории науки.

Конечно, остаётся множество технических и фундаментальных трудностей. Спектры далёких планет слабы и зашумлены, звёздная активность может имитировать биомаркеры, а сама интерпретация данных требует осторожности, ведь мы знаем лишь один пример обитаемой планеты - нашу Землю. Возможно, жизнь может принимать формы, о которых мы и не подозреваем, и тогда наши критерии поиска окажутся слишком узкими. Но именно это и делает науку живой: каждое новое открытие не только отвечает на старые вопросы, но и порождает новые, порой ещё более глубокие. Когда мы смотрим на ночное небо, мы больше не видим пустоту и одиночество; мы видим мириады солнц, каждое из которых, скорее всего, окружено своей свитой планет, и среди них наверняка есть такие, где идут дожди, дуют ветры, плещутся океаны, и, возможно, кто-то точно так же смотрит вверх и задаётся вопросом, есть ли жизнь за пределами его родного мира. И это осознание, пожалуй, одно из самых глубоких переживаний, которые современная наука может подарить человеку.

Продолжение следует.

Инфракрасный космический телескоп «Джеймс Уэбб» обнаружил избыток инфракрасного излучения от близкого к Солнцу грязного белого карлика WD 0310–688. Оно может быть связано с обломочным диском или экзогигантом, причем в последнем случае это может быть ближайший кандидат в экзопланету вокруг белого карлика.

Белые карлики представляют собой конечную стадию эволюции звезд малой или средней массы (к ним относится и Солнце). Однако до конца неясно, какой может быть судьба планет вокруг эволюционирующих в белых карликов звезд, в частности, как изменяются их орбиты, будут ли они поглощены или разрушены звездой на стадии красного гиганта и могут ли возникнуть планеты вокруг белого карлика. К настоящему моменту обнаружен ряд загрязненных планетным веществом белых карликов, а также экзогиганты и планетное ядро на орбитах вокруг белых карликов.

Группа астрономов во главе с Мэри Энн Лимбах (Mary Anne Limbach) из Мичиганского университета опубликовала результаты инфракрасных наблюдений за белым карликом WD 0310–688, сделанных при помощи прибора MIRI «Джеймса Уэбба» 19 сентября 2023 года в рамках программы MEOW (MIRI Exoplanets Orbiting White dwarfs) по поиску экзопланет у 20 близких к Солнцу белых карликов.

WD 0310–688 находится в 33,9 светового года от Солнца. Это одиночный белый карлик с массой 0,659 массы Солнца и возрастом 194 миллиона лет (с момента начала остывания после рождения). Ранее он считался обычным белым карликом с водородной атмосферой, однако в его спектрах были замечены линии поглощения кислорода, кремния, магния и железа, что указывает на аккрецию богатого металлами материала на белый карлик.

Данные MIRI демонстрируют избыточное излучение в среднем инфракрасном диапазоне от системы, который может объясняться крупной экзопланетой или холодным (около 248 кельвинов) диском из обломочного материала. Модели диска включают в себя как оптически тонкий (или раздутый) диск с длиной большой полуоси 0,11 астрономической единицы, так и оптически толстый, но геометрически очень тонкий диск в виде кольца, наклоненного почти ребром к наблюдателю. Такая модель может объяснить наличие аккреции на карлик. Однако параметры диска кажутся достаточно необычными, а в случае оптически тонкого диска пыль окажется вне предела Роша, что выглядит противоречиво в контексте наблюдаемых загрязненных белых карликов.

Модель планеты, которая кажется ученым предпочтительнее, представляет собой гиганта с радиусом, подобным радиусу Юпитера, при массе в три массы Юпитера, который находится на расстоянии от 0,1 до 2 астрономических единиц от карлика. В этом случае возникают трудности с подбором подходящей эволюционной модели для объяснения существования экзопланеты: возможно, здесь имела место миграция с высоким эксцентриситетом и в системе были еще тела планетарного масштаба, которые затем были выброшены прочь.

Некоторые теории предполагают, что Земля может пережить превращение Солнца в красного гиганта. В пользу этого говорит недавнее открытие кандидата в экзопланету земной группы у белого карлика.

С помощью космического телескопа Джеймс Уэбб астрономы из Университета Аризоны и международная группа исследователей изучили атмосферу горячей экзопланеты, которая по размеру похожа на Юпитер, но в десять раз легче его.

Оказалось, что атмосфера планеты несимметрична: между её краями существует значительная разница.

Мэтью Мерфи, аспирант обсерватории Стьюарда в Университете Южной Африки, обнаружил асимметрию при прохождении экзопланеты перед своей звездой.

Экзопланета WASP-107b всегда обращена одним и тем же полушарием к своей звезде. Одно её полушарие всегда повёрнуто к звезде, а другое — от неё. В результате у экзопланеты есть постоянная дневная и ночная сторона.

Команда Мерфи использовала метод трансмиссионной спектроскопии с помощью космического телескопа Джеймса Уэбба. Это основной инструмент, который позволяет астрономам узнать состав атмосфер других планет.

Телескоп снял планету во время её транзита по диску звезды. Благодаря новым методам и точности телескопа «Джеймс Уэбб» исследователи смогли разделить сигналы восточной и западной сторон атмосферы экзопланеты и изучить происходящие в ней процессы.

Снимки экзопланеты WASP-107b рассказывают нам о её атмосфере: составе, структуре и изменениях под воздействием солнечного света.

WASP-107b уникальна: у неё низкая плотность и гравитация, поэтому её атмосфера более раздутая, чем у других экзопланет такой же массы. В Солнечной системе нет ничего подобного.

Ученые из Калифорнийского университета в Риверсайде (США) назвали способ обнаружить разумную жизнь на другой планете. Они заявили, что о наличии развитой цивилизации могут свидетельствовать парниковые газы.

На Земле парниковые газы усугубляют глобальное потепление. Но на другой планете они могли бы помочь прекратить ледниковый период или преобразовать непригодный для жизни мир.

Парниковые газы не встречаются в природе в значительных концентрациях. Их производят искусственно. Следовательно, их обнаружение на другой планете было бы признаком наличия разумных форм жизни.

Ученые признали обратить особое внимание на такие газы, как фторированные разновидности метана, этана и пропана, а также газы с содержанием азота и серы. Так, гексафторид серы обладает в 23 500 раз более сильной согревающей способностью, чем углекислый газ. Относительно небольшое количество этого вещества может «растопить» ледяную планету и создать условия для жидкой воды на поверхности.

Также важно, что парниковые газы исключительно долговечны и могут сохраняться в атмосфере до 50 тысяч лет. Все это время они могли бы поддерживать благоприятный климат.

Фторированные газы химически инертны, они не разрушают озоновый слой в отличие от хладагентов (ХФУ). Также они поглощают инфракрасное излучение, благодаря чему их можно обнаружить с помощью телескопов.

Для этого астрофизики объединили 17 лет наблюдений за Бета Живописца b в 10 секунд. Видно, как планета совершает 75% оборота вокруг своей звезды.

Бета Живописца b — одна из первых экзопланет, обнаруженных напрямую. Газовый гигант в 12 раз массивнее Юпитера — самой большой планеты Солнечной системы. Он вращается вокруг молодого светила в 9 раз ярче Солнца, но при этом находится от него в 10 раз дальше, чем Земля от Солнца.

Правда, эфир этого фильма прилично задержался. Свет от этой далекой системы летел до нас 63 года.

Американские астрономы из Чикагского университета выяснили, что в космосе может быть больше экзопланет с атмосферой, чем считалось раньше. Однако их воздушные оболочки бывает трудно обнаружить с помощью астрономических наблюдений. Исследование опубликовано на портале нерецензированных научных материалов arXiv.

Большинство открытых экзопланет вращаются вокруг красных карликов — самого распространенного (75%) типа звезд в нашей галактике Млечный Путь. Это означает, что большинство пригодных для жизни миров будут вращаться вокруг этих светил.

Поскольку красные карлики — относительно холодные звезды, обитаемые планеты должны находиться на близких к ним орбитах. Это значит, что вращение таких планет будет заблокировано приливными силами, из-за чего там не будет смены времени суток.

Когда планета приливно захвачена, одна ее сторона всегда обращена к своей звезде, а другая сторона вечно находится во тьме.

Несмотря на это, подобные миры могут быть пригодны для жизни за счет плотной атмосферы. В таких условиях тепло будет перемещаться между дневной и ночной сторонами, выравнивая среднюю температуру.

В новом исследовании ученые выяснили, что в темном полушарии планет в приливном захвате скапливаются облака из-за разницы температур. Их верхний слой будет довольно холодным по сравнению с малооблачным светлым полушарием.

Оказалось, что разница в температурах между дневной и ночной сторонами таких планет примерно соответствует температурному перепаду на мирах без атмосферы.

Астрономы отметили, что такая простая закономерность может обмануть специалистов, использующих космический телескоп «Джеймс Уэбб» и другие современные инструменты наблюдения за космосом.