Почему поиск обитаемых планет так сложен
Уже открыто более тысячи экзопланет, из них пригодными для жизни признаны всего 31:
Но даже этим количеством обольщаться не стоит — вполне может оказаться, что хотя эти планеты входят в «зону обитаемости», реальные условия на них, как на нашей Венере, могут сильно отличаться от оценочных, и исключать на них жизнь подобную нашей. Причина этого — невозможность прямого наблюдения планет находящихся в «зоне обитаемости», что означает отсутствие достоверных данных о важнейших параметрах — альбедо планеты, и составе её атмосферы. А без этих параметров оценки температуры на поверхности экзопланеты, очень грубы.
Но начнем с вопроса, почему температура на поверхности так важна? Для зарождения и существования жизни подобной земной, требуется присутствие жидкой воды. Поэтому планеты, на которых может существовать жизнь должны входить в так называемую «зону обитаемости», или по-другому «зона Златовласки» — это диапазон орбит, в которых температура на поверхности планеты должна колебаться в диапазоне 0-100 градусов Цельсия. Понятно, что для малых звёзд эта зона ближе к звезде, а для крупных — дальше:
Сравнение обитаемых зон Солнца (жёлтый карлик) и Глизе 581 (красный карлик)
Естественно, жизнь может зарождаться и у звёзд других классов, но их ожидает не завидная судьба — уже для звездного класса A продолжительность жизни звезды будет составлять менее 500 млн лет, и о какой-то эволюции и развитии жизни до сложных форм говорить не приходится.
Самый малый класс звёзд M (коричневые карлики), хотя и имеет продолжительность жизни в десятки млрд лет, считается плохими кандидатами по причине того, что планета должна быть слишком близко к звезде, чтобы получать достаточно энергии. Это может приводить к тому, что приливные силы заставляют вращаться планету, всё время повернутой одной стороной к звезде (как наша Луна повернута одной стороной к Земле), это означает вечный день на одной сторое, и вечную ночь на другой. Так же такой планете потребуется очень плотная атмосфера, чтобы защитить жизнь на своей поверхности от радиации звезды. Вероятность одновременного существования обоих из этих условий считается весьма низким.
Классы звёзд — планеты пригодные для жизни ищут в основном у звёзд классов K (красные карлики) и G (как наше Солнце)
И так, с тем где и что искать мы определились, теперь осталось определить — на сколько сложно найти то, что нам нужно. Без точных данных по альбедо, и по составу атмосферы планеты (есть ли она вообще, есть ли парниковый эффект — и каково его действие на планету), мы не сможем точно определить температуру на её поверхности. Так что нам надо увидеть планету своими приборами.
Первую экзопланету удалось запечатлеть наземным 8-метровым телескопом обсерватории Джемини 14 сентября 2008 — это 1RXS J160929.1-210524 b. Это не было планетой в нашем представлении — её масса превышает Юпитер в 8 раз (Землю — и вовсе в 2500 раз), а температура на поверхности составляет 1400 градусов Цельсия. В данном случае к планетам относят все объекты, которые не способны поддерживать термоядерные реакции внутри своего ядра (это как минимум 12,5 масс Юпитера).
Звезда 1RXS J160929.1-210524 и планета на её орбите. В отличие от всех предыдущих эффектных фотографий планет возле нейтронных звёзд и двойных или тройных звёздных систем подписанных как «внешний вид экзопланеты в представлении художника», эта неказистая свиду фотография — огромный шаг в области исследования экзопланет.
Эта звезда находится на расстоянии 470 световых лет от нас и имеет массу чуть меньше массы Солнца. Расстояние между звездой и планетой — примерно 330 а.е. Это конечно же не было пределом измерения для данного телескопа, просто увидеть такую, ещё не остывшую после образования планету и саму излучающую множество света было найти проще всего.
Следующий шаг был сделан уже 13 января 2010 года — с помощью телескопа Very Large Telescope был получен спектр излучения экзопланеты HR 8799 c. Планета находится в 38 а.е. от своей звезды, и в 130 световых годах от нас. Температура поверхности — около 800 градусов Цельсия. По результатам спектрометрии в атмосфере был обнаружен метан, и ещё два вещества: аммиак/ацетилен и углекислый газ/синильная кислота в зависимости от трактовки результатов.
Темно синяя линия — спектр излучения планеты HR 8799 c, светло-синяя область — диапазон возможных погрешностей (она связана с тем, что спектр планеты приходится «вычленять» из спектра более яркой звезды)
Как можно заметить, эти планеты — разогреты практически «до красна», и это не случайно. Адаптивная оптика и развитие электроники позволило добиться больших успехов на наземных телескопах — влияние возмущений атмосферы удалось практически убрать, осталось лишь небольшое «замыливание» картинки.
Фотография работающего телескопа обсерватории Кека, хорошо виден лазерный луч работающей системы адаптивной оптики, размытые звёзды на фото — следствие большой выдержки фото, которая была нужна для того, чтобы запечатлеть луч лазера.
А вот 2,4 метровый старичок «Хаббл», которому в этом году исполнилось 25 лет — уже не может составить конкуренции наземным гигантам, достигающим 10,5 метра. А как известно — наша атмосфера практически не пропускает инфракрасные лучи, и даже на такой высокогорной обсерватории, как обсерватория Кека на Гавайях (4145 м), позволяет использовать максимум — видимый свет и ближнюю часть инфракрасного. Так что получить прямые фотографии планет, имеющих температуру около 300 K (как у нашей) они не в состоянии — большая часть их излучения приходится на дальнюю инфракрасную область, а видимая часть — это какие-то крохи.
Будущий космический телескоп «Джеймс Уэбб» будет иметь в 2,7 раза большее зеркало, чем у «Хаббла» — а значит во столько же раз расширится область, в которой он может видеть экзопланеты. Он получит возможность видеть такие же слабые объекты, как и наземные телескопы, а главное — «разглядеть» планеты, которые излучают в инфракрасном диапазоне. Это даст огромный шаг в поиске экзопланет, пригодных для жизни. Возможность получения спектра излучения таких планет даст нам возможность перейти от «оценок» температур, к их точному измерению. А это — главный фактор, по которому проводится поиск пригодных для жизни планет.
Крупнейшие существующие и проектируемые телескопы с указанием дат ввода их в строй. Телескопы впервые сфотографировавшие экзопланету (Gemini North и South) — находятся в центре друг над другом (голубой и зелёный цвет). Телескопы сделавшие первый спектральный анализ (Very Large Telescope) — ниже. Будующие телескопы: космический «Джеймс Уэбб» снизу слева, наземные — справа снизу-вверх: Гигантский Магелланов телескоп, Европейский чрезвычайно большой телескоп, Тридцатиметровый телескоп. И человек для масштаба справа внизу.
phl.upr.edu/projects/habitable-exoplanets-catalog Каталог экзопланет, пригодных для жизни
www.gemini.edu/sunstarplanet Первая фотография экзопланеты
Spatially resolved spectroscopy of the exoplanet HR 8799 c. M. Janson, C. Bergfors, M. Goto, W. Brandner, D. Lafreniere Статья о первом спектральном анализе экзопланеты
