[Перевод] Нет места лучше дома
Красный карлик TRAPPIST-1 нависает над одной из своих семи планет. Возможно, звезда лишила планеты атмосферы.
Источник: M. KORNMESSER/ESO
Жить на одной из семи планет размером с Землю в системе TRAPPIST-1 было бы очень странно. В небе зловеще маячит огромная красная звезда, склонная к огненным вспышкам и кажущаяся в несколько раз больше Солнца. Часов в сутках не существует; каждая планета приливно прикреплена к звезде так, что одна ее сторона вечно раскалена, а другая вечно заморожена. Вдоль границы, разделяющей дневную и ночную стороны — единственное место с приемлемым климатом, — дует непрекращающийся ветер, а звезда висит на горизонте, пребывая в вечном закате.
Короткая прогулка на темную сторону приводит к появлению ваших планетарных спутников. Каждые несколько дней один или несколько из них проплывают над головой, словно парящий фонарь, размером больше Луны. Внимательные созерцатели ночного неба могут также заметить яркую желтую звезду, одну из близких соседей системы, и задуматься, какой может быть жизнь рядом с тем, что люди называют Солнцем.
Но для тех из нас, кто живет за 41 световой год от нас, в мире, согретом этой благодатной желтой звездой, поиски ответа на вопрос, может ли одна из планет TRAPPIST-1 стать удобным домом для нашего воображаемого наблюдателя, оказались сплошным разочарованием.
Когда в 2017 году стало известно о семи планетах вокруг TRAPPIST-1, это стало подарком не только для писателей-фантастов, но и для астрономов, которые рассматривали эту систему как лучшее место для поиска пригодной для жизни планеты с помощью орбитальной обсерватории JWST (Джеймса Уэбба), которая работает без устали уже более двух лет. Казалось, это идеальное сочетание инструмента и цели. Способность JWST заглянуть в атмосферу экзопланет в инфракрасном диапазоне, где оставляют свои отпечатки такие полезные для жизни молекулы, как вода и углекислый газ, является уникальной. А TRAPPIST-1, помимо того, что находится относительно недалеко, является красным карликом размером чуть больше Юпитера, настолько холодным и тусклым, что его свет не заглушает излучение его планет. Каменистые миры вращаются по орбитам, гораздо более узким, чем у Меркурия, а это значит, что, несмотря на слабую звезду, четыре из семи планет находятся в пригодной для жизни зоне (зоне обитаемости), где на их поверхности может существовать жидкая вода. Быстрые орбиты (3 недели или меньше) также означают, что планеты регулярно пересекают орбиту звезды с точки зрения Земли и JWST.
Эти пересечения — благо для наблюдателей, потому что если на планете есть атмосфера, то часть звездного света будет проходить через нее. Ее химические составляющие могут избирательно поглощать свет на определенных длинах волн, создавая перепады в спектре звездного света. Астрономы использовали эту технику, чтобы найти доказательства наличия углекислого газа, метана и воды в атмосферах больших горячих планет, непригодных для жизни. Обнаружение этих газов в атмосфере планет TRAPPIST-1 помогло бы доказать, что они могут быть пригодны для жизни.
Это было нелегко, поскольку красные карлики, подобные TRAPPIST-1, склонны к бурной активности, извержениям и вспышкам, которые могут привести к разрушению атмосферы, а также мешать слабому атмосферному сигналу, который пытается обнаружить JWST. К концу третьего года работы JWST на TRAPPIST-1 будет потрачено 175 часов наблюдений. Тем не менее, JWST пока не обнаружил никаких твердых доказательств наличия атмосферы у планет TRAPPIST-1.
Поэтому некоторые астрономы хотят расширить диапазон наблюдений. Рабочая группа, консультирующая NASA и Научный институт космического телескопа (STScI), который управляет JWST, призывает к масштабному 500-часовому исследованию 15–20 малых каменистых планет вокруг различных красных карликов, чтобы раз и навсегда понять, могут ли такие планеты иметь атмосферу. «Если мы ничего не найдем, это будет разочарованием, но было бы здорово получить окончательный ответ», — говорит председатель рабочей группы Сет Редфилд из Уэслианского университета.
Другие считают, что поиск пригодных для обитания планет должен быть расширен и включать в себя другие виды планет. Должны ли они быть каменистыми и размером с Землю? Возможно, следует рассмотреть и более крупные суперземли, которые могут быть окутаны глобальными океанами. А может быть, еще более крупное тело, мини-Нептун, могло бы содержать водный океан под толстой водородной атмосферой, пропускающей достаточно для поддержания жизни света. «Это скорее предположения, и они сильно отличаются от планетарных тел, на которых, как мы знаем, есть жизнь», — говорит Чарльз Кокелл, директор Центра астробиологии при Эдинбургском университете. «Но любая планета с подходящими условиями должна быть исследована».
Четыре из семи планет TRAPPIST-1 — с d по g — находятся в зоне обитаемости своей звезды и могут иметь жидкую воду на поверхности
Источник: Источник: R. HURT AND T. PYLE/NASA
Независимо от размера, лишь немногие из них сейчас находятся в зоне досягаемости JWST. Рене Дойон, астроном из Монреальского университета, насчитал всего шесть: четыре умеренных мира TRAPPIST-1, поиск которых еще не завершен, одна потенциально водная суперземля под названием LHS 1140b и один окутанный водородом нептуноподобный мир под названием K2–18b. «У нас есть только горстка объектов», — говорит Дойон. Михаэль Жийон из Льежского университета, чья команда обнаружила планеты TRAPPIST-1, настроен так же пессимистично. «Мы можем получить приятные сюрпризы, но пока пригодные для жизни планеты остаются для нас недосягаемыми», — говорит он.
Время тоже ограничено. Ожидается, что JWST проработает до 20 лет, что вдвое больше, чем прогнозировалось на момент запуска, но поиск и изучение пригодных для жизни атмосфер оказался сложнее, чем ожидалось изначально, и это может привести к превышению этого срока. «Малые экзопланеты очень трудны для наблюдения. Это будет крайне непросто», — говорит Редфилд. «Мы находимся на краю пропасти, но насколько близко — трудно сказать». (Тут, если честно, я не совсем понял, что имеется ввиду. Но смею предположить, что это так ученый сокрушается, по поводу того, что у нас недостаточно времени для наблюдений, просто в такой вот метафоричной форме — прим. пер).
АСТРОНОМЫ ВСЕГДА считали, что наиболее вероятный дом для жизни вблизи другой звезды — это каменистая планета, такая же, как Земля. «Мы не можем искать везде, — говорит Кокелл, — и лучший способ сузить круг поиска — это следовать ограничениям, которые накладывает на нас известная нам жизнь». Атмосферный кислород не является необходимым условием, поскольку жизнь на Земле существовала и без него. Но, как минимум, большинство астробиологов сходятся во мнении, что вам нужна вода, источник энергии и место, где пребиотические молекулы могли бы концентрироваться и вступать в реакции. Это может быть в скальных бассейнах вдоль солнечной береговой линии, в горячих источниках или вокруг гидротермальных источников океана. А чтобы вода оставалась жидкой, нужен умеренный климат, который поддерживают парниковые газы, такие как углекислый газ.
Но настоящих двойников Земли — схожие по размеру планеты на земных орбитах вокруг звезд, похожих на Солнце, — изучать нелегко. Невозможно сфотографировать такую планету с помощью современных телескопов, которые могут напрямую снимать только самые большие и горячие планеты на широких орбитах, уводящих их от слепящего света звезды. Даже получить данные о транзите двойника Земли будет непросто: он будет проходить через свою звезду всего раз в 365 дней, а когда это произойдет, то падение яркости звезды, такой большой и яркой, как Солнце, будет слишком незначительным, чтобы его измерить.
Поэтому вместо этого внимание было обращено на маленькие красные карликовые звезды, или М-карлики, которые составляют от 10 до 60% от размера Солнца и менее чем на 7% ярче. Исследования экзопланет показывают, что М-карлики изобилуют малыми каменистыми планетами на узких орбитах, некоторые из которых совершают транзиты каждые несколько часов. И в галактической окрестности их очень много. Из 60 ближайших к Земле звезд 50 — М-карлики. «Поэтому М-карлики так привлекательны для нас с точки зрения наблюдений», — говорит Редфилд.
Но результаты транзитных наблюдений за планетами вокруг TRAPPIST-1, М-карлика, не выявили явных признаков наличия у них атмосфер. Результаты методики, называемой фотометрией затмений, — измерение яркости непосредственно перед и сразу после того, как планета исчезает за своей звездой, — также оказались неутешительными. Вычитая яркость звезды в отдельности из яркости звезды и планеты вместе, исследователи могут определить, насколько ярко светится дневная сторона планеты, что является показателем температуры. Планета, которая при освещении звездой оказывается холоднее, чем ожидалось, скорее всего, имеет атмосферу, отводящую тепло на ее ночную сторону.
Чтение звездного света
Во многих случаях, кроме нескольких исключений, современные телескопы сегодня не могут напрямую наблюдать за планетами за пределами Солнечной системы. Вместо этого они следят за тем, как меняется яркость и спектр всей системы по мере того, как планеты обращаются вокруг своих звезд. Больше всего информации астрономы получают, когда системы выровнены по отношению к Земле, потому что они могут видеть изменения, когда планета заходит за звезду (затмение) и проходит перед ней (транзит).
Фотометрия затмений
Многие планеты, вращающиеся вблизи своей звезды, имеют постоянную горячую дневную сторону. По разнице в инфракрасном свечении накануне и во время затмения астрономы определяют температуру дневной стороны планеты. Безвоздушная планета будет ярче и горячее, чем планета с атмосферными ветрами, которые переносят тепло на ночную сторону.
Транзитная спектроскопия
Во время транзита часть звездного света проходит через атмосферу планеты — если она существует — и молекулы газа оставляют в спектре заметные пики поглощения. Вспышки на красном карлике могут заглушить атмосферный сигнал.
Источник: N. BURGESS/SCIENCE
Исследование самой внутренней планеты TRAPPIST-1b, получающей в четыре раза больше радиации, чем Земля, проведенное в марте 2023 года, не выявило никаких признаков наличия у нее атмосферы. В июле 2023 года исследователи обратились к ее соседу TRAPPIST-1c, чье сходство с Венерой по размерам и излучению, получаемому от ее звезды, вселило надежды на плотную атмосферу. Они обнаружили, что там тоже было очень жарко, практически не было воздуха, который переносил бы тепло на её ночную сторону. Однако команда не могла исключить наличие тонкой газовой прослойки, и более поздние попытки моделирования позволили предположить, что под эти данные может подходить и кислород или водяной пар.
Поиск атмосфер вокруг TRAPPIST-1b и TRAPPIST-1c всегда был маловероятен, учитывая их близость к звезде. Но есть и более фундаментальное опасение: планеты TRAPPIST-1 подвержены потере атмосферы из-за своей звезды, говорит Лаура Крейдберг из Института астрономии Макса Планка. М-карлики в молодости отличаются особой «агрессивностью», вызывая на близлежащих планетах всплески ультрафиолетового и рентгеновского излучения, которые могут лишить их атмосферы. Даже если атмосфера планеты переживет бурную молодость звезды, М-карлики продолжают вспыхивать на протяжении всей своей долгой жизни. Ожидается, что эти медленно горящие звезды будут существовать триллионы лет, в сотни раз дольше Солнца, а возраст TRAPPIST-1 уже почти вдвое превышает возраст Солнца.
Несмотря на неудачи, исследователи стремятся выйти из TRAPPIST-1b и TRAPPIST-1c к более холодным планетам системы, расположенным дальше от звезды и с большей вероятностью сохраняющим атмосферу. Но за это приходится платить временем работы телескопа, поскольку более холодные планеты излучают меньше инфракрасного излучения, что усложняет фотометрию затмений. Кроме того, более холодная атмосфера будет сжиматься ближе к планете, ослабляя любой транзитный сигнал. Например, по оценкам, JWST потребуется более 100 часов наблюдений, чтобы обнаружить углекислый газ вокруг одной из более холодных планет TRAPPIST-1. «Многие астрономы в шоке от того, сколько часов наблюдений вам нужно на планету, — говорит Крейдберг.
ВРЕМЯ НА JWST драгоценно. Каждый год STScI распределяет более 10 000 часов между сотнями наблюдательных групп, и только около 30% этого времени уходит на изучение экзопланет. В 2023 году исполняющая обязанности директора STScI Нэнси Левенсон, зная, сколько времени требуется для тщательного изучения холодных каменистых экзопланет, предложила 500 часов специального «директорского времени» исследователям экзопланет в третьем цикле — третьем году наблюдений, который начинается 1 июля. «Это то, что не могло бы произойти в рамках наших обычных процессов распределения времени», — говорит она.
STScI создал рабочую группу во главе с Редфилдом, чтобы рекомендовать, как использовать это время. За последний год группа провела три общих собрания и получила 42 документа с предложениями по программам. 2 апреля группа рекомендовала посвятить 500 часов исследованию 15–20 каменистых планет вокруг М-карликов, чтобы окончательно ответить на вопрос, могут ли такие миры обладать атмосферами. «Мы постараемся исследовать достаточно широкую выборку, чтобы так или иначе, мы получили ответ», — говорит Редфилд.
Предложение не призывает характеризовать атмосферы путем кропотливого сбора транзитных спектров. Вместо этого астрономы должны использовать фотометрию затмений, чтобы просто определить, существует ли атмосфера. Некоторые считают отсутствие спектроскопии и уход от TRAPPIST-1 упущенной возможностью. «Я бы хотел получить более сбалансированную программу», — говорит Дойон.
Дополнительную обеспокоенность у сторонников TRAPPIST-1 вызывает то, что на третий цикл была утверждена только одна программа, посвященная этой системе. В этом исследовании, рассчитанном на 129 часов в течение 3 и 4 циклов, будет проверена новая стратегия, позволяющая устранить влияние звездной активности, которая может меняться день ото дня. В 15 случаях JWST будет наблюдать за звездой во время транзита TRAPPIST-1b и TRAPPIST-1e в быстрой последовательности. Во время транзита «b» наблюдатели получат спектр без атмосферы. Когда «e» пройдет транзитом, незадолго до или после него, звезда должна быть в очень похожем состоянии, так что если между двумя спектрами и будут различия, то они должны быть обусловлены только поглощением атмосферой «e».
Хотя в случае успеха тактика будет чрезвычайно ценной, некоторые надеялись на более систематическое изучение планет TRAPPIST-1, говорит Жюльен де Вит, ученый-планетолог из Массачусетского технологического института. «Мы надеемся, что исследование системы не будет приостановлено до завершения этой программы».
Несмотря на то, что M-Карлики могут быть самой распространенной звездой, скалистые миры, подобные Земле, не являются самым распространенным типом планет. Из более чем 5600 экзопланет, подтвержденных на сегодняшний день, подавляющее большинство находится где-то между скалистыми Землями и газовыми гигантами — диапазон, не встречающийся в Солнечной системе. Как именно выглядит планета, находящаяся на полпути между каменистой и газообразной, и может ли она быть пригодной для жизни, остается неясным, хотя ее плотность может дать ключ к разгадке.
Если плотность планеты высока, она, вероятно, имеет земноподобный состав: железное ядро, окруженное скальными породами, и разреженную атмосферу. Если же плотность ниже, то открываются самые разные возможности: У нее может быть каменистое ядро, окруженное глубокой и плотной водородной атмосферой, или несколько более тонкая атмосфера и глобальный водный океан или слой льда. Чтобы разобраться в этом, исследователям необходимо изучить атмосферу планеты и проверить, соответствуют ли полученные результаты климатическим моделям, основанным на составе планеты.
Одной из таких планет, которую изучает JWST, является LHS 1140b — мир, находящийся в зоне обитаемости своей звезды-карлика типа M на расстоянии 49 световых лет от Земли. В январе команда Дойона сообщила о точных измерениях ее массы (в 5,6 раза больше массы Земли) и размера (в 1,73 раза больше размера Земли), что делает ее менее плотной, чем если это была просто увеличенная Земля.
Комфорт дома? Астробиологи считают, что планета должна иметь атмосферу и жидкую воду, чтобы иметь шанс на существование жизни. Обнаружить их существование оказалось непросто даже для JWST, гигантского инфракрасного космического телескопа NASA. Некоторые астрономы считают, что в пределах досягаемости телескопа находится всего шесть потенциально пригодных для жизни миров.
TRAPPIST-1d-g (слева). Четыре скалистых мира размером с Землю (т.е планеты 1d, 1е, 1f и 1g — прим. пер.). Расстояние 41 световой год. Размер от 0,79 до 1,13 радиусов Земли. Температура от 13°C до 76°C. Плотность от 0,79 до 0,92 плотности Земли. Более низкая плотность предполагает наличие газовых или жидких слоев. Атмосфера: не обнаружена на самых внутренних планетах.
LHS 1140b (в центре). Суперземля, покрытая льдом или океаном. Расстояние 49 световых лет. Размер 1,73 радиуса Земли. Температура ~30°C. Плотность 1,07 плотности Земли. Модели предполагают наличие от 10 до 20% воды или льда. Атмосфера: по данным, азот, вода и углекислый газ.
K2–18b (справа). Водянистый мини-нептун, окутанный водородом. Расстояние 124 световых года. Размер 2,61 радиуса Земли. Температура -8°C. Плотность 0,48 плотности Земли. Плотная атмосфера, но тоньше, чем у других газовых гигантов. Атмосфера: водород с метаном и углекислым газом.
Источники слева на право: IANM35/GETTY IMAGES; BRIGHTSTARS/GETTY IMAGES; PABLO CARLOS BUDASSI/WIKIMEDIA COMMONS
В марте другие исследователи описали первый транзитный спектр LHS 1140b, полученный от JWST в июле 2023 года. Данные, опубликованные в препринте на сайте arXiv, являются предварительными, но они показывают намеки на то, что может быть атмосферой с преобладанием азота, как у Земли, и совсем не указывают на наличие водорода, оставляя воду или лед в качестве предпочтительного объяснения низкой плотности. «Вот почему мы очень рады этой планете», — говорит член команды Ренью Ху (Renyu Hu) из Калифорнийского технологического института.
В препринте, основанным на двух транзитных наблюдениях LHS 1140b, сделанных в декабре 2023 года, Дойон и его коллеги подтвердили отсутствие водорода на планете. Согласно их климатическому моделированию, остается два вероятных сценария: планета может быть каменистым безвоздушным телом, покрытой водяным льдом, как луна Юпитера Европа; или, если ее атмосфера толще и подогревается углекислым газом, этот лед может быть пронизан теплым океаном в центре обращенной к звезде стороны, вдвое меньшим, чем Атлантический океан, говорит он.
По словам Дойона, из шести потенциально пригодных для жизни миров LHS 1140b наиболее вероятно, что у нее сохранилась атмосфера. «Нам нужно больше наблюдений с помощью JWST!» Но это будет непростой задачей. Расположение LHS 1140b на небе означает, что она часто оказывается вне поля зрения JWST, который может наблюдать ее транзит через свою звезду только четыре раза в год. Дойон говорит, что для подтверждения наличия атмосферы и определения содержания в ней углекислого газа — индикатора водной поверхности — потребуется не менее дюжины транзитов.
Более спекулятивной является идея о том, что на планете, еще более близкой к Нептуну по размерам, может существовать жизнь под толстой атмосферой, богатой водородом. Один из кандидатов — планета K2–18b, масса которой в 8,6 раза больше массы Земли и которая находится на расстоянии 124 световых лет. Команда под руководством Никку Мадхусудхана из Кембриджского университета изучила спектр планеты, снятые космическим телескопом «Хаббл» в 2019 году, и увидела признаки наличия водорода, ожидаемого для больших газообразных планет. Команда смоделировала, какой климат может существовать вокруг мини-нептуна под такой атмосферой. Они нашли небольшое количество вариантов, при которых мог бы существовать океан жидкой воды, а температура поддерживалась бы на нужном уровне за счет парникового эффекта от умеренно плотной атмосферы.
В прошлом году команда еще раз взглянула на K2–18b с помощью JWST. В Солнечной системе планеты с богатой водородом атмосферой, такие как Сатурн, также содержат небольшое количество аммиака и метана. Солнечный свет разрушает эти соединения в верхних слоях атмосферы, но они восстанавливаются ниже. На K2–18b более тонкая атмосфера и водный океан могут помешать этой переработке, особенно аммиака, согласно моделированию, проведенному командой Мадхусудхана. Спектр транзита JWST совпал с этим прогнозом, показав наличие метана и углекислого газа, но не аммиака, что, по словам Мадхусудхана, свидетельствует о существовании водного океана. Он называет K2–18b «гикеаном» (Название образовано из портманто латинских слов hydrogenium (водород) и ocean (океан) — прим. переводчика). «Пока что никакие другие гипотезы не совпадают с полученными данными», — говорит он. В настоящее время команда изучает данные JWST, полученные с нескольких других гибридных миров-кандидатов.
Однако не все готовы принять идею о пригодных для жизни гикеанах без наличия более весомых доказательств. «Большинство специалистов по моделированию довольно пессимистично относятся к наличию жидкой воды на поверхности субнептуна», — говорит Гиллон. Уровень парникового эффекта должен быть тонко подогнан, чтобы достичь умеренных условий, потому что толстые водородные атмосферы вокруг таких планет могут быстро вызвать взрывной парниковый эффект, нагревая поверхность выше точки кипения. Кроме того, они могут быть настолько толстыми, что станут непрозрачными для света. «Может ли там быть жизнь? Ведь вам нужны ультрафиолетовые фотоны, чтобы пройти сквозь неё и создать сложную химию».
В целом Крейдберг сомневается, что на мирах с глубокими глобальными океанами может зародиться жизнь, поскольку любые молекулярные строительные блоки будут слишком разбавлены. «Вы никогда не встретите» других сложных молекул, — говорит она. Однако Кокелл не так быстро отвергает такие нестандартные места для зарождения жизни. «Они отличаются, но имеют физические и химические условия, схожие с известными нам местами», — говорит он. «Это захватывающая гипотеза, которую нужно проверить».
Несмотря на медленный прогресс, те, кто ищет пригодные для жизни миры, не могут не радоваться сюрпризам, которые JWST размеренно и неуклонно обнаруживает на больших и горячих мирах. Он обнаружил похожие на снег хлопья кварца, заполняющие небо WASP-17 b. Он выявил сверхзвуковые ветры, которые переносят тепло на заполненную облаками ночную сторону WASP-43 b. И он нашел зернистые облака ила и песка высоко в атмосфере VHS 1256 b. «Это уже чудо, что мы узнаем, — говорит Гиллон.
Охота за более холодными, влажными и пригодными для жизни планетами, несомненно, также будет принимать неожиданные повороты. Несколько месяцев назад спутник NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), предназначенный для обнаружения экзопланет путем наблюдения за транзитами звезд, нашел планету, которая может стать еще одной перспективной целью для JWST: умеренный мир размером с Землю вокруг красного карлика Gliese 12, который находится даже ближе к Земле, чем TRAPPIST-1. «Это наши первые шаги в изучении каменистых планет», — говорит Крайдберг. «Сейчас мы находимся в удивительном положении». Соглашается Гиллон. «Это очень захватывающее время. Жизнь — это, конечно, цель, но нам придется набраться терпения».
Оригинальная версия этой статьи была опубликована в журнале Science 20 июня 2024, том 384, выпуск 6702.
