Экзопланеты: человечество в поисках новой Земли

Существование иных цивилизаций интересовало человечество всегда. Как изменились представления об обитаемом космосе с древних времен? Что такое экзопланеты? Какими должны быть небесные тела, чтобы стать новым «домом» человека?
Гость программы «Космическая среда» - Леонид Васильевич Ксанфомалити, доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки РФ, заведующий лабораторией отдела физики планет Института космических исследований Российской академии наук.

Есть ли жизнь на экзопланетах?
Несколько столетий астрономы бились над загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема была в том, что нашу планетную систему не с чем было сравнить. Сегодня экзопланеты, или планеты вне Солнечной системы, открывают едва ли не каждый месяц. Только в этом году было обнаружено 77 таких небесных тел. Ученые мечтают найти планету, похожую на Землю, но из уже известных экзопланет большинство – газовые гиганты, напоминающие знакомый нам Юпитер. Планеты такого размера легче обнаружить.
Говорит Олег Кораблев, заместитель директора Института космических исследований Российской академии наук: «Работа идет с помощью телескопов. Есть техника детектирования экзопланет. До недавнего времени речь не шла о том, чтобы различить их. Расстояние до ближайших звезд очень большое и различить планету на фоне звезды очень трудно. Но с помощью очень больших телескопов с адаптивной оптикой это уже можно сделать».
Всего же астрономами открыто почти 500 планет, среди которых есть планета-океан в созвездии Змееносца и целая планетная система в созвездии Большой Медведицы, похожая на нашу Солнечную. Совсем недавно ученые преподнесли настоящую сенсацию – в созвездии Весов была обнаружена планета с жидкой водой, а значит, и возможностями для существования на ней жизни, сходной с земной. Глизе 581 Джи (Gliese 581 g) – так называется эта планета – находится в 20 световых годах от Земли.
Комментирует Олег Кораблев, заместитель директора Института космических исследований РАН: «В первой версии статьи в подзаголовок было вынесено слово «обитаемый» - «Открытие планеты вокруг звезды Глизе 581, обитаемой планеты». Но здесь небольшая игра слов. Слово habitable на английском означает и «обитаемый», и «пригодный для обитания». На самом деле, речь идет о планете, которая находится в зоне теоретически пригодной для обитания».
Находка вызвала у астрономов жаркие споры. И если одни утверждают, что на Земле пока нет инструментов требуемой точности, способных доказать наличие или отсутствие таких малых экзопланет, то их противники уверены, что доказательства, которые смогут всех убедить – дело одного-двух лет.
Рассказывает Олег Кораблев, заместитель директора Института космических исследований Российской академии наук: «Наш удел – усовершенствовать телескопы и технику наблюдения. И вокруг этой звезды (это красный карлик, очень маленькая звезда) очень быстро, с периодом в две недели, вращается маленькая планета, которая больше Земли в пять раз. Вот такая картина. Развитие не в силах этого предсказать, но в обозримом будущем долететь до нее не представляется возможным».
Обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений прошлого столетия. Стало ясно, что Солнечная система не уникальна, а формирование планет рядом со звездами – закономерный этап их эволюции. И все-таки Солнечная система не похожа на другие: ее планеты-гиганты позволяют длительное время существовать планетам земного типа, одна из которых, Земля, имеет биосферу. И пока неизвестно, обладают ли этим качеством другие планетные системы.
Интервью
Кулаковская: В нашей студии Леонид Ксанфомалити, заведующий лабораторией отдела физики планет Института космических исследований РАН, доктор физико-математических наук, заслуженный деятель науки РФ. Леонид Васильевич, расскажите, с чего все начиналось? Как и когда открыли первую экзопланету?
Ксанфомалити: Это очень хороший вопрос, потому что это сенсационное открытие, которое в корне изменило наше представление об окружающем мире. Как-то получилось, что в конце XX и начале XXI века из физики на публику рухнули новые открытия колоссального значения. Все знают, наверное, про открытие, связанное с тем, что масса всей Вселенной сосредоточена совсем не в том, что мы видим, не в звездах, не в галактиках, не в туманностях, а в так называемой темной энергии и темной материи. Это колоссальное открытие, оно совершенно меняет наш подход к физике. Не менее важным открытием было открытие планет у других звезд. Дело в том, что с античных времен ученые пытались понять, одни ли мы в космосе, одни ли мы в мире. Причем, нужно сказать, что у древних греков представления были гораздо более материалистичные, чем потом, в Средние века.
Кулаковская: Что вы говорите!
Ксанфомалити: Да. Архимед считал, что планеты обитаемы. Между прочим, великий Ньютон тоже считал, что обитаемы не только планеты, но даже Солнце. Вот такая была наивная пора физических представлений. А потом, когда более или менее стало ясно что к чему, мы сосредоточились на изучении нашей Солнечной системы. Мы предполагали, что, наверное, и другие системы, если они где-то есть, устроены, как наша. После того, как в течение всего XX века все ближе и ближе подходили к этой теме, оказалось, что это не так. Причем в это время появлялись новые сообщения (иногда даже на обложках очень серьезных журналов) о том, что уже открыты планеты у других звезд. Постепенно все эти открытия сходили на нет: оказывалось, что это незлонамеренная ошибка. И в 1995 году грянуло открытие планеты, которая называется планета 51 Пегаса b.
Кулаковская: То есть, это произошло совсем недавно, буквально 15 лет назад?
Ксанфомалити: Как это получилось, и почему это было так неожиданно? Все исходили из того, что, по-видимому, наша Солнечная система – это образец устройства мира. Что легче всего найти? Предполагалось, что легче всего найти очень большую планету. А самая большая наша планета – Юпитер. Она в 320 раз больше Земли по массе. Огромная планета. Наверное, такую планету мы где-нибудь найдем. На самом деле, действительно, примерно такие планеты были найдены, но об этом чуть позже.
У Юпитера очень длинный год – 12 земных лет, поэтому ученые предполагали, что то, что мы найдем, нужно сравнивать с Юпитером, и это будет примерно то же самое, примерно с той же самой периодичностью. Нужно было очень много наблюдений, наблюдения складывались аккуратно. А куда, собственно, спешить, когда период - 12 лет? И вот когда грянуло первое открытие, оказалось, что период этой планеты, то есть год, - всего три или четыре дня.
В это было очень трудно поверить. Это открытие сделали астроном Женевской обсерватории Михель Майер и его аспирант Дидьер Келоз, очень знаменитые люди. Когда они обнаружили это тело методом лучевых скоростей, который сами и предложили, они своим глазам не поверили. Они решили, что нужно подождать. Созвездие Пегаса находится близко к плоскости эклиптики, то есть к плоскости орбиты Земли, поэтому в течение года оно уходит за Солнце, а потом возвращается с другой стороны. И вот они, проведя наблюдение, дождались, когда созвездие Пегаса и звезда 51 Пегаса вышли из-за Солнца. В это время у них в руках были предыдущие наблюдения, они предсказали, где должно быть, по их определениям, это небесное тело. Результаты точно совпали.
Интересно, что происходило дальше. Естественно, как принято в науке, нужно было посылать статью в журнал Nature. Они подготовили статью. Журнал Nature принимает материал на определенных условиях: вы не должны нигде ни о чем рассказывать, это должно быть большим секретом, вплоть до момента опубликования. Но доклад, тем не менее, был сделан, правда, про другое. Осенью те, у кого уже была накоплена масса наблюдательных данных, схватились за голову и стали обращаться к авторам нового открытия. Но те, хмуро озираясь, говорили: «Нет, спросите у кого-нибудь. Мы не можем говорить».
А в это время в США астрономы Джефри Марси и Пол Батлер (у них были очень большие накопленные результаты), узнав об этом открытии, схватились за голову: «Ну как же так!». Они достали с полок все материалы и мгновенно представили время на мощнейших компьютерах. Все подтвердилось. «Как же это так, что мы оказались не первыми?» Это, наверное, американская привычка – быть на передовых рубежах науки.
Кулаковская: Наверное, эта привычка есть у всех.
Ксанфомалити: Да. Тут бросились к ним телевизионщики, журналисты, стали писать статьи, и постепенно про швейцарцев даже забыли. Но в конце своих материалов журналисты упоминали, что швейцарцы тоже открыли планеты. Происходило именно так. А когда пошли серьезные конференции, результаты, конечно, были представлены на самых лучших форумах. Тут-то все и началось. Надо сказать, как это было открыто. Вопреки наивным представлениям людей, которые читают журналы, рассуждают о том, что открыто, а что не открыто, никакие планеты, конечно, увидеть невозможно.
Кулаковская: То есть, это делается не с помощью телескопов?
Ксанфомалити: Это делается, главным образом, с помощью спектрографов очень высокого разрешения, подключенных к телескопам. Почему? Представьте себе, что вы в каком-то дворе видите бабушку и внучку, качающихся на доске. Доска перекинута через какую-то опору. Бабушка массивна, тяжелая. Это звезда. Маленькая внучка трех или четырех лет - на дальнем конце доски. Внучка – это планета. Чтобы ей уравновесить бабушку, доска с ее стороны должна быть гораздо длиннее, чем у бабушки. И по тому, хотя вы не видите внучку, видите только качающуюся бабушку, вы можете сделать заключение, что на другой стороне длинной доски находится внучка.
Кулаковская: Да, она весит столько-то. Понятно.
Ксанфомалити: Вот так это примерно выглядит в натуре. Вы должны наблюдать звезду и смотреть, что происходит со звездой. И звезда, и планета находятся в какой-то системе. Планета обращается вокруг звезды. На самом деле, оба тела (и планета, и звезда) обращаются вокруг центра тяжести. Поэтому то, что удается обнаружить таким образом, – это то, что звезда обращается вокруг какой-то непонятной точки.
Кстати, наше Солнце тоже обращается вокруг барицентра. Все планеты обращаются вокруг центра тяжести, а не вокруг самого Солнца. И Солнце тоже обращается, причем оно движется по своей орбите с небольшой скоростью, 12 метров в секунду. Это то, что создает притяжение Юпитера. Примерно таким образом можно было обнаружить движение этих тел от планет. Но как это сделать? Для этого определяется очень тонкий эффект. Звезда, обращаясь по своей орбите, то приближается чуть-чуть к вам, то удаляется. Значит, скорость будет сначала положительная, потом отрицательная. Скорость ничтожная – несколько десятков метров в секунду. Но уже спектроскопия подошла к такому уровню, что это можно было обнаружить.
Я нашел опубликованную в 1938 году работу американского астронома Айткена, который написал: «Обнаружение планет методом спектрального анализа навсегда останется за пределами возможного». Но он был очень хорошим спектроскопистом, очень хорошим специалистом. В общем, никогда нельзя предсказывать, что это невозможно. Всегда найдется кто-то, кто сумеет это сделать. Сейчас уже известно почти полтысячи таких планет.
Кулаковская: Полтысячи? Это очень много.
Ксанфомалити: Да. Сначала их обнаруживали по две-три в год, потом - по четыре-пять. Темпы все время нарастали. То, что удавалось найти, повергло исследователей просто в изумление. Оказалось, что эти экзопланеты, в отличие от наших планет, находятся буквально вплотную к звезде. То есть, в десять раз ближе, чем Солнце к нам. Расстояние от Солнца до Земли – это атрономическая единица. А тут, представьте себе, в десять раз ближе!
Кулаковская: Наверное, это значит, что там невозможна жизнь?
Ксанфомалити: Конечно. Ни о какой жизни на таких гигантских планетах и речи быть не может. Кстати, на Юпитере тоже жизнь невозможна, несмотря на то, что он гораздо дальше от Солнца и там холодно. Так вот, поначалу, естественно, удавалось открыть только те планеты, те «внучки», которые наиболее массивны. Они заставляют бабушку качаться гораздо энергичнее. По мере того, как совершенствовалась эта техника, удавалось найти все более и более легкие планеты. И сейчас обнаруживаются планеты в несколько масс Земли. Такой ажиотаж был недавно в печати, по радио, по телевидению в связи с сообщением ученых о том, что они обнаружили вот такую малую планету.
Кулаковская: Подобную Земле?
Ксанфомалити: Она не подобна Земле. Из тел, подобных по массе Земле, обнаружены тела с массой в восемь масс Земли, три массы Земли (самое маленькое). А вот это открытие, которое было недавно зарегистрировано, связано с планетой массой примерно в две массы Земли. Но что получается? Если эти планеты находятся вплотную к звезде, они раскалены.
Кулаковская: Естественно.
Ксанфомалити: И все разговоры относительно какой-то жизни на них (а именно это является основным мотивом исследования, хотя об этом не всегда говорят) бессмыслены. Например, Марс. Уже сколько аппаратов было запущено к Марсу, сколько исследований было по этому поводу проведено. Основная идея сводится к тому, чтобы найти там жизнь. Нужно сказать, что все это началось в 1976 году. До этого, в 1969 и 1971 годах, на Марс были отправлены советские аппараты «Марс» и американские аппараты «Маринер». А в 1976 году на Марс отправили великолепные биолаболатории. Были проведены очень тонкие исследования. Эти лаборатории и сейчас бы сделали честь ученым, главным образом, в поисках жизни на Марсе.
Кулаковская: Ничего же не было обнаружено.
Ксанфомалити: Ученые отталкиваются от того, что они знают про Солнечную систему и Землю. И то, что мы ищем на далеких планетах, - это то, что мы знаем про Землю. Мы знаем, что на Земле есть жизнь такого-то типа. Эта жизнь присуща всем земным организмам, начиная от водорослей и кончая человеком. Это все один и тот же механизм жизни. И вот такого рода жизнь и ищут. А вдруг она какая-то совсем другая?
Кулаковская: Да, она может быть другой.
Ксанфомалити: К сожалению, никаких указаний на это нет. Мы находимся примерно на уровне открытия тел, близких по массе к Земле, но делать из этого выводы, что там есть жизнь, - это как анекдот какой-то. Нашли проволоку – значит, был проволочный телеграф, а в другом месте копали и ничего не нашли – значит, был беспроволочный телеграф. То же самое на Марсе. Каждый раз, когда посылают туда экспедицию, открывают воду. Эту воду уже столько раз нам открывали. Почему? Потому что каждый раз можно говорить: «Есть вода, значит, возможно, там есть жизнь».
Кулаковская: Это просто повод поговорить. Леонид Васильевич, получается, что ни одной планеты, схожей по своим параметрам с Землей, открыто не было?
Ксанфомалити: Пока еще нет технических средств, которые бы позволили сделать именно такое открытие. Это то, о чем можно говорить всерьез.
Кулаковская: Скажите, пожалуйста, что должно быть на планете, чтобы можно было говорить хотя бы о гипотетической возможности существования жизни на ней?
Ксанфомалити: На самом деле, таких условий очень много. О воде мы уже говорили. Нужно, чтобы планета была достаточно хорошо обеспечена энергией, то есть звезда должна обеспечивать планету достаточным теплом и достаточным качеством излучения. Наше Солнце обладает таким качеством. Такие тела (вспомним аналогию с бабушкой и внучкой) легче всего обнаружить, если бабушка легкая, а внучка тяжелая. Поэтому в последних исследованиях были взяты очень маленькие звезды. Но маленькие звезды, как правило, обладают низкой температурой, если не говорить об особых случаях.
И если эти планетные тела находятся на низких орбитах, они получают достаточно много тепла, но земные растения там бы расти не смогли. Земная растительность могла бы расти, например, даже на Плутоне, на далекой планете (сейчас уже Плутон не считается планетой), если обеспечить другие условия, скажем, температуру, атмосферу. Что нужно для существования жизни, как вы говорите? Вода. Скорее всего, нужны обширные водоемы. Нужна атмосфера, нужен приток энергии с соответствующими качествами. Должен быть определенный состав атмосферы. Та атмосфера, которой мы сейчас дышим, кислород создали микроорганизмы: растения, водоросли. Вначале, наоборот, атмосфера была неокислительной.
Дальше, когда мы копаем вглубь, выясняется, что нужно огромное сочетание различных условий. Это - как многомерный лабиринт: вы попадаете в одну плоскость лабиринта, она пересекается с другой, третьей, четвертой, и, если вам повезет и вы найдете выход из всех этих многосвязанных лабиринтов, вот тогда жизнь на планете возникнет.
Есть замечательные исследования, которые проводят биофизики у нас в академии. Они всякий раз формулируют все новые и новые ограничения. И то, что они находят в свойствах жизни, поражает. Будем считать, что на других планетах может быть жизнь в примитивной форме, потому что вот в этих многомерных лабиринтах первое ограничение распространяется на то, чтобы существовала жизнь только в простейших формах. Один английский журнал несколько лет назад, когда исследовали метеориты, пришедшие с Марса, закончил статью о том, что это все-таки не следы жизни, словами: «Возможно, мы одна из первых цивилизаций в галактике, обреченная блуждать и находить массу протоплазмы, но никого, с кем можно было бы поговорить».
Кулаковская: Каковы ваши прогнозы? Есть такие звезды? Когда мы их найдем?
Ксанфомалити: Статистически их должно быть очень много. Но сразу же возникает масса вопросов. Мы подразумеваем все-таки тех, с кем можно поговорить. А если такие существуют, почему молчит Вселенная? Ведь наше радио транслирует сообщения о том, что мы существуем на планете уже много десятков лет. Если бы было кому это искать, уже на расстоянии многих световых лет давно бы знали, что на планете Земля существует цивилизация, которая нахально считает себя лучшей в мире, очень агрессивно ведет себя по отношению к исследованиям в космосе.
Кулаковская: Может быть, поэтому они и молчат?
Ксанфомалити: Я думаю, что впереди еще много лет исследований. И, возможно, как всегда, предсказать открытие - это требование начальства. Когда посылаются аппараты к другим планетам, сообщается, что аппарат вышел на орбиту, передает данные. Начальство тут же вызывает вас к себе и спрашивает: «Где открытие?». Вы говорите: «Так год нужно поработать». Начальство: «Нет, давайте открытие сейчас». Это тот самый случай: предсказать открытие невозможно. Когда это произойдет? Может быть, завтра, может быть, через 200 лет.
Кулаковская: Спасибо, Леонид Васильевич. За дарящие надежду прогнозы, за интересную лекцию об экзопланетах благодарим Леонида Ксанфомалити, доктора физико-математических наук, заслуженного деятеля науки РФ, заведующего лабораторией отдела физики планет Института космических исследований РАН.
Ксанфомалити: Спасибо. До свидания.