Глава 14. Суперземли и мини-Нептуны

 

Мы – невозможность в невозможной Вселенной.

РЭЙ БРЭДБЕРИ

 

 

До начала работы телескопа «Кеплер» в 2009 году экзопланеты открывали в основном с помощью наземных телескопов[70]. На момент первого сообщения о достоверно обнаруженной планете, пришедшего от команды «Кеплера», человечество знало уже более чем о 400 планетах, 3/4 из которых удалось найти методом доплеровской спектроскопии. Транзитным методом было обнаружено около 50 объектов. Самыми неожиданными в популяции выявленных экзопланет стали горячие юпитеры. Но хотя именно их оказалось большинство, все понимали, что пока рано делать какие-либо выводы: тяжелые планеты вблизи своих звезд – легкая добыча при использовании метода радиальных скоростей, а все остальное ускользает от внимания.

Более честную статистику удалось получить только после нескольких лет работы «Кеплера». Чувствительная аппаратура этого космического телескопа позволила увидеть даже маленькие экзопланеты, которые трудно обнаружить наземными телескопами. Оказалось, что наиболее многочисленный тип экзопланет – это планеты с радиусом в 2–4 R⊕ и массой до 10 M⊕. Эти планеты называются суперземлями. Их, как правило, находят в тесных многопланетных системах на близких к своим родительским звездам расстояниях, отчего их орбитальный период чаще всего не более 200 земных суток. В Солнечной системе таких планет нет. Что же они собой представляют?

Все планеты, которые мы встречали до этого, как вы уже наверняка успели заметить, можно отнести к одному из двух классов в зависимости от преобладающего в их составе материала: каменистые или газовые. Обычно при определении класса планеты у астрофизиков не возникает сложностей. Надо всего лишь взять ее массу, вычисленную по радиальной скорости звезды, и разделить ее на объем, который находится с помощью транзитного метода. Это дает нам среднюю плотность планеты, которая, в свою очередь, позволяет оценить состав планеты на основании физических моделей. Более того, часто, чтобы установить класс планеты, даже не обязательно знать и массу, и радиус. Хватит и одной из этих величин. Действительно, если вы нашли планету массой в 1,5 MJ она вряд ли будет иметь твердую поверхность, а если обнаружили планету с радиусом, равным радиусу Земли, то странно было бы ожидать, что эта планета окажется преимущественно газовой. Так, по крайней мере, казалось астрофизикам.

Масса и радиус экзопланеты измеряются с большей или меньшей погрешностью, зависящей от точности приборов и того, насколько аккуратно мы можем вычислить массу звезды. Неприятность с объектами, которые в таком большом количестве обнаружил телескоп «Кеплер», состоит в том, что они, имея один и тот же размер или одну и ту же массу, могут принадлежать к двум разным классам! Иногда случается такое, что изначально вычисленная плотность планеты указывает на газовый мир, а немного уточненная – переводит эту же экзопланету в разряд скалистых суперземель. Бывает и наоборот. Эти планеты как бы находятся на границе между газовыми и каменистыми планетами и готовы перескочить на любую сторону.

Но все же некоторые эмпирические выводы сделать можно. В большинстве своем планеты с радиусом до 2 R⊕ относятся к скалистым суперземлям, а те, что имеют более крупные размеры, представляют собой газовые суперземли – их называют мини-Нептунами103. Мини-Нептуны Глизе 436 b и Глизе 1214 b имеют радиусы бо́льшие, чем 2 R⊕ (4,21 и 2,68 R⊕), и массы 23,20 и 6,55 M⊕ соответственно. Вычисление объемных плотностей дает значения 1,69 г/см3 для Глизе 436 b и 1,87 г/см3 для Глизе 1214 b, и это лишь немного больше, чем плотности Урана и Нептуна (1,27 и 1,63 г/см3). Планетарные модели предсказывают, что эти экзопланеты содержат значительное по объему количество водорода, гелия и паров воды – типичные мини-Нептуны. У некоторых мини-Нептунов плотности даже меньше, чем 1 г/см3. С другой стороны, большинство скалистых суперземель, например CoRoT- 7 b, Kepler- 10 b и Kepler- 36 b, с радиусами менее 2 R⊕, имеют плотность, соответствующую железоникелевым породам (6–10 г/см3).

 

 

Может сложиться впечатление, что планета, достигнув 1,5–2 R⊕, становится достаточно массивной, чтобы накопить плотную атмосферу из водорода и гелия и впоследствии превратиться в мини-Нептун или газовый гигант. Однако это лишь закономерность, полученная из статистического анализа, но не правило. Наша Вселенная была бы довольно скучным местом, если бы все закономерности в итоге оказывались законами. Но нет – она умеет удивлять. Например, планета Kepler- 411 b при радиусе 2,4 R⊕ имеет плотность больше плотности железа – 10 г/см3.

Большая часть экзопланет обнаружена у красных карликов (вспомните о 55 Рака B, Гамме Цефея B или Проксиме Центавра) – и понятно почему. Во-первых, красные карлики – это самый распространенный тип звезд в Млечном Пути. Они составляют около 1/3 звездной массы Галактики и примерно 2/3 всех ее звезд. Некоторые специалисты утверждают, что 85 % звезд в Млечном Пути являются красными карликами. Таким образом, если всего в Галактике 250 миллиардов звезд, то как минимум 170 миллиардов из них – это красные карлики, и вокруг многих из них можно встретить суперземли. Что может показаться неожиданным, так это то, что невооруженным глазом на ночном небе видны звезды всех классов, кроме красных карликов – при такой-то их распространенности. Однако красные карлики – это очень тусклые звезды. Их свет, преодолевший гигантские расстояния, человеческий глаз уже не способен различить.

Во-вторых, существует чисто техническая причина. В первой главе мы говорили о том, что красные карлики – самые маломассивные звезды главной последовательности. Протопланетные диски, которые они формируют возле себя, небольшие, а планетные системы очень тесные. Следовательно, орбитальные периоды их экзопланет, как правило, короткие, а амплитуды радиальных скоростей, если эти экзопланеты имеют массу, сравнимую с земной, легко можно зарегистрировать с помощью современной аппаратуры.

Но о красных карликах я заговорил по другой причине. Дело в том, что наибольшее число суперземель в зоне обитаемости было обнаружено именно у красных карликов. Зона обитаемости представляет собой кольцеобразную область вокруг звезды, и на поверхности каменистых планет, расположенных внутри этой зоны, могут существовать устойчивые резервуары с жидкой водой – серьезная заявка на то, чтобы стать живым, обитаемым миром.

Но здесь следует предостеречь от неправильных выводов. Нужно четко понимать, что планета в зоне обитаемости не обязана иметь воду, не говоря уже об обитателях. Причин, по которым на такой планете может не быть устойчивых водоемов, очевидно, гораздо больше, чем тех, по которым она может там оказаться. Например, если планета похожа на Венеру и в ее атмосфере ярко выражен парниковый эффект, то вблизи поверхности может быть слишком жарко, и в жидкой форме на ее поверхности способен будет находиться разве что свинец. Или если она напоминает Марс – планету, практически лишенную атмосферы, а потому являющуюся холодной безводной пустыней. Факт пребывания планеты в зоне обитаемости значит, что при наличии подходящей атмосферы средняя температура на поверхности этой планеты где-то между 0 и 100 °C.

Однако первая экзопланета, орбита которой лежит в зоне обитаемости, была найдена не у красного карлика, а у солнцеподобной звезды в 587 св. годах от Солнца. Kepler- 22 – родительская звезда планеты, о которой идет речь, – обладает на 25 % меньшей светимостью, чем Солнце. Ее единственная достоверно обнаруженная планета Kepler- 22 b находится на расстоянии, составляющем примерно 85 % от расстояния между Землей и Солнцем104. Используя транзитный метод, удалось рассчитать радиус Kepler- 22 b: он равен 2,4 R⊕, что позволяет отнести экзопланету к классу суперземель. А вот точно определить массу Kepler- 22 b, измерив радиальную скорость звезды Kepler- 22 с помощью спектрометра в обсерватории Кека, к сожалению, не получилось. Известно лишь, что она не превышает 124 M⊕ (скорее всего, намного меньше). Основываясь на характеристиках родительской звезды и полагая альбедо планеты равным земному, можно вычислить температуру поверхности планеты, какую она имела бы, не будь у нее атмосферы (эта температура называется равновесной температурой поверхности). Она равна –11 °C. Но много ли нам это дает? На Земле равновесная температура равна –18 °C. Тем не менее круглый год мы не ходим в валенках, потому что парниковые газы в нашей атмосфере способствуют увеличению температуры в среднем до 15 °C.

Главный вопрос – состав атмосферы Kepler- 22 b и величина ее парникового эффекта. Именно эти знания помогут понять условия на поверхности планеты и выяснить, существуют ли на ней водоемы. В условиях, когда данные, полученные из наблюдений, могут соответствовать разным мирам, астрофизики используют методы теории вероятностей, чтобы предсказать наиболее возможные характеристики исследуемой экзопланеты. Один из них состоит в следующем: на компьютере генерируется как можно больше вариантов системы звезда – компаньон (в роли последнего может быть планета или другая звезда) с различными массами и орбитами компаньона, а затем рассчитываются кривые блеска, которые получит наблюдатель с Земли в том случае, если его приборы будут идеальными. Далее реальная и рассчитанные кривые сравниваются между собой и вычисляется вероятность, с которой каждая рассчитанная кривая может превратиться в реальную с учетом погрешностей измерительных приборов. Мы не знаем, как эти погрешности взаимодействуют между собой, поэтому за редкими исключениями не можем исключить ни одну из конфигураций звезда – компаньон. Но каждая из конфигураций имеет свою вероятность. Суммируя эти вероятности, мы можем предсказывать характеристики планет, а самое главное – давать оценку своей уверенности в том или ином исходе.

Используя подобный подход, можно выяснить, например, что для Kepler- 22 b существует вероятность лишь 0,3 %, что ее масса превысит 124 M⊕; 95 % – что она меньше 82 M⊕, и 68 % – что меньше 36 M⊕. К сожалению, почти на 100 % исключается землеподобный состав планеты – скорее всего, это газовый гигант. Kepler- 22 b стал первым обнаруженным мини-Нептуном.

Даже несмотря на то что экзопланета Kepler- 22 b совершенно не похожа на Землю, ее открытие было воспринято с большим энтузиазмом и вызвало оживленные дискуссии в научном сообществе. Конечно, всех волновал вопрос, могут ли на Kepler- 22 b сложиться условия, подходящие для существования жизни. На волне активных обсуждений популярное мнение озвучила Натали Баталья, ученый-исследователь, член команды телескопа «Кеплер»: «Если эта планета представляет собой в основном океан с небольшим скалистым ядром, то не исключено, что в таком океане может быть жизнь».

Ключом к пониманию внутреннего устройства экзопланет служит их средняя плотность. Если значение средней плотности суперземли оказывается меньше или сравнимо с плотностью воды, то перед нами мини-Нептун. Если же средняя плотность больше плотности воды – уверенно говорить об устройстве планеты сложнее. С одинаковой вероятностью это может быть и мини-Нептун с каменистым ядром, и планета-океан.

Многие привыкли думать, что Земля, наша голубая планета, имеет огромные запасы воды. Это так, конечно, но только если мерой выступают потребности людей. Хотя на поверхности Земли, в океанах и полярных шапках сконцентрированы большие запасы воды, они составляют лишь 0,05 % массы Земли. Но что может представлять собой планета, масса воды которой в 10–100 раз больше, чем у Земли?

Если температура на планете ниже температуры замерзания воды, то она покроется коркой льда. Такая планета могла бы промерзнуть насквозь, если бы не ее внутренние источники тепла: жар, оставшийся со времен ее образования, и тепло от распада радиоактивных элементов. Они будут подогревать океан, замедляя процесс замерзания или не давая ему продолжаться. Условия на такой планете не сильно отличаются от тех, что сложились на ледяных лунах Юпитера и Сатурна. А если постепенно перемещать ее ближе к родительской звезде, то климат будет становиться все теплее и теплее. Когда планета окажется на орбите, находящейся в зоне обитаемости, ее льды растают и она полностью покроется жидкой водой. Этот условный тип планет принято называть планетами-океанами. Перемещая такую планету еще ближе к звезде, мы увидим, что вода на ней начнет интенсивно испаряться. И она станет похожей на горячую влажную баню.

Сегодня известно как минимум о шести экзопланетах, которые, вероятно, являются водными мирами. Первой такой планетой, обнаруженной в декабре 2009 года, стала Глизе 1214 b в 42 св. годах от Земли105. Также она является первой суперземлей (2,7 R⊕), найденной на орбите вокруг красного карлика. Эту планету открыли транзитным методом, с помощью спектрографа HARPS удалось точно измерить ее массу (6,55 M⊕). Вычисление средней плотности планеты дало значение 1,9 г/см3 – слишком большое для мини-Нептунов, но слишком маленькое для каменистой планеты. Хорошо объясняет такую плотность смешанный состав экзопланеты: небольшое каменное ядро и газовая и/или водяная оболочка, покрывающая всю планету на тысячи километров вглубь.

В 2014 году была предпринята попытка изучить атмосферу Глизе 1214 b с помощью телескопа «Хаббл»106. Теоретически это делается довольно просто: из спектра звезды, принятого, когда планета находится за звездой, вычитается спектр звезды в момент транзита. Оказалось, спектр атмосферы Глизе 1214 b  не имеет никаких отличительных черт. Это значит, что, скорее всего, планета покрыта густыми непрозрачными облаками. Загадка этого мира до сих пор не раскрыта. Сегодня мало кто из ученых считает, что на Глизе 1214 b действительно есть океан: более вероятно, что эта экзопланета – типичный мини-Нептун. Хотя точный ее состав неизвестен. Однако что, если Глизе 1214 b – действительно водный мир? Каким этот мир предстанет перед исследователями?

 

 

Пробравшись сквозь эти густые непрозрачные облака, мы попадем в очень горячую и плотную паровую атмосферу. Давление будет нарастать по мере того, как мы спускаемся все ниже, пока перед нами не предстанет безбрежный океан. Но вот мы ныряем в него и стремимся все глубже к недрам планеты – так глубоко, как никто из исследователей никогда не проникал даже в недра Земли. Если мы найдем жизнь на Глизе 1214 b или подобном ей водном мире, это будет биосфера, возможно, чем-то напоминающая земную океаническую биосферу. Чем глубже мы продвигаемся, тем более высоким становится давление. Постепенно вода перестанет напоминать жидкость, к которой мы привыкли на Земле: сначала она перейдет в состояние, которое физики называют сверхтекучей жидкостью, а потом – в плазму[71]. В центре планеты располагается каменное ядро, погруженное в силикатную мантию.

А теперь давайте отправимся на Kepler- 186 f 107. Эта экзопланета была обнаружена в 2014 году в системе красного карлика, находящегося в 490 св. годах от Солнца в созвездии Лебедя. Kepler- 186 f – первая найденная планета земного размера, чья орбита лежит в зоне обитаемости, и поэтому она стала сенсацией. До сих пор ее считают одним из наиболее вероятных претендентов на обнаружение там внеземной жизни.

Как всегда, начну с перечисления некоторых фактов. Как видно уже из названия, Kepler- 186 f обнаружили с помощью космического телескопа «Кеплер». Год на этой планете длится 130 земных суток, а большая полуось ее орбиты примерно совпадает по длине с большой полуосью орбиты Меркурия и равна 0,43 а. е. Возраст Kepler- 186 оценивается примерно в 4 миллиарда лет, что даже меньше, чем существует наша Солнечная система. Светимость Kepler- 186 равна всего 4 % светимости нашего Солнца, из-за чего планета получает лишь треть тепловой энергии, которую Солнце дает Земле. Равновесная температура планеты равна 85 °C. Исходя из оценок светимости ее родительской звезды и «проседания» блеска звезды во время ее транзита, можно вычислить радиус Kepler- 186 f: он чуть больше земного – 1,2 R⊕. Поскольку радиус планеты значительно меньше 2 R⊕ – числа, которое, по всей видимости, является критическим для формирования мини-Нептунов, мы с большой долей уверенности можем предполагать, что Kepler- 186 f представляет собой скалистую суперземлю.

Колебания радиальной скорости звезды Kepler- 186 обнаружить не удалось, а следовательно, не удалось определить и массу планеты. Но давайте предположим, что состав Kepler- 186 f схож с земным. Почему бы и нет? Тогда ее масса приблизительно равна 1,4 M⊕. По крайней мере, при таком значении понятно, почему исследователи не смогли вычислить массу планеты. Если мы правы, то колебания радиальной скорости родительской звезды, которые вызовет Kepler- 186 f, будут иметь амплитуду, равную всего нескольким десяткам сантиметров в секунду. На сегодняшний день такая точность измерений остается для нас недостижимой. Только самые лучшие из следующего поколения телескопов, например ELT, как ожидается, смогут справиться со столь малыми значениями радиальных скоростей.

На этом более или менее достоверные факты заканчиваются. Дальнейшие рассуждения представляют собой некую спекуляцию, игру ума. С большой вероятностью за время, прошедшее с момента образования планеты, внутренние слои Kepler- 186 f, подогреваемые радиоактивным распадом, еще не успели остыть, поэтому будущие исследователи могут обнаружить на планете тектонику плит, вызванную движением магмы, и магнитное поле. Давайте предположим, что это магнитное поле достаточно сильное, чтобы на столь близкой орбите защитить атмосферу Kepler- 186 f от интенсивных потоков звездного ветра. Мы ожидаем, что атмосфера сформирована таким же образом, как и у других каменистых планет, – за счет геохимических процессов вследствие тектонической активности, а не за счет захвата газа из протопланетного диска. Поэтому такая атмосфера содержит большое количество углекислого газа, азота и воды. А это значит, что на планете должен быть значительный парниковый эффект. Мы не знаем точный состав атмосферы, ее массу, но простые климатические модели говорят, что нет никаких принципиальных препятствий, чтобы парниковый эффект поддерживал температуру поверхности Kepler- 186 f выше 0 °C. Если состав планеты схож с земным, то на планете так же мало воды, в процентном соотношении, как и на Земле.

На способность планеты собирать на своей поверхности воду в устойчивые водоемы и поддерживать температурный баланс оказывает влияние огромное число факторов и процессов. К ним относятся свойства планеты, планетной системы и звезды (такие как особенности звездного спектра, активность звезды и интенсивность звездных ветров, возраст, интенсивность рентгеновского и ультрафиолетового излучения и наличие звезд-компаньонов) и то, какое влияние друг на друга они оказывают с течением времени. Некоторые из этих факторов, скажем наличие звезды-компаньона, могут создавать весьма причудливые природные условия на планете. Другие, такие как спектр и светимость звезды, меняются с увеличением ее возраста. На одной и той же планете на протяжении миллиардов лет могут складываться совершенно разные климатические условия. Земля в начале своей геологической истории имела непрозрачную плотную горячую атмосферу, но были и периоды, когда она полностью покрывалась льдом[72].

Давайте подумаем, какие из этих факторов имеют ключевое значение для жизни на планетах, находящихся у красных карликов? Если вы вспомните о Проксиме Центавра b, то наверняка назовете звездную активность. Но тут стоит иметь в виду, что Kepler- 186 – спокойная звезда. За все время наблюдений не было зафиксировано ни одной вспышки, сопоставимой по мощности со вспышкой 2017 года на Проксиме Центавра. Даже если мощные вспышки на Kepler- 186 иногда случаются, толстая атмосфера и магнитное поле, предположительно, могут защитить биосферу (если она, конечно, там есть).

Еще одно потенциальное препятствие для жизни – приливный захват планеты. Такое явление должно быть распространено на экзопланетах, находящихся на близких орбитах вокруг своих звезд. Многие из экзопланет, расположенных в зоне обитаемости красных карликов, могут быть приливно заблокированы. На одной половине планеты в этом случае будет вечный день, на другой – вечная ночь. Одно время считалось, что на таких экзопланетах бушует постоянный ураган, на дневной стороне идет непрекращающийся дождь, а на ночной – царит вечная зима108. Такой климат делает сложную жизнь маловероятной. Дальнейшие же исследования показали, что это всего лишь эффект одномерных климатических моделей. Более сложные, трехмерные, модели демонстрируют, что на таких планетах возможен эффективный теплообмен в атмосфере, уменьшающий разницу между температурами ночной и дневной сторон и в целом делающий этот мир не таким уж ужасным местом109.

Разобравшись с тем, что способно помешать существованию жизни, подумаем и о том, что может поддерживать потенциальную биосферу на Kepler- 186 f и похожих на него мирах. Время жизни родительских звезд? Безусловно. В этом состоит еще одна причина особого внимания ученых к планетам у карликов M -типа. Kepler- 186 f находится не просто в зоне обитаемости своей звезды, а в зоне постоянной обитаемости. Это означает, что планета должна не только поддерживать условия для существования водоемов на ее поверхности, но и поддерживать их на протяжении миллиардов лет. Например, еще задолго до того как Солнце станет красным гигантом, океаны Земли испарятся и вся сложная жизнь на ней исчезнет. Земля будет постепенно вытесняться из зоны обитаемости. Это произойдет примерно через миллиард лет из-за повышения температуры и яркости нашего светила. Однако красные карлики эволюционируют очень медленно, в сотни раз медленнее Солнца. Планета, которая образовалась у звезды такого типа в зоне обитаемости, будет оставаться там сотни миллиардов или даже триллионы лет, причем практически при одних и тех же температурных условиях!

Первые живые организмы на Земле появились около 4 миллиардов лет назад. На протяжении долгого времени нашу планету населяли лишь бактерии. Жизнь больше напоминала зеленую слизь из фильмов про пришельцев, чем привычных нам животных и растений. Где-то между 2,1 и 1,8 миллиарда лет назад произошло событие, которое все изменило: появилась первая клетка с ядром (первый эукариот). Это стало революцией в мире микроорганизмов. И с этих пор жизнь начала усложняться. Все многоклеточные организмы, которых мы знаем, являются эукариотами – потомками той первой клетки. Не факт, что будь у нас возможность отмотать пленку на 2 миллиарда лет назад и запустить все с самого начала, то снова появились бы эукариоты. По прошествии 4 миллиардов лет жизнь все так же могла бы представлять собой зеленую слизь[73]. Земле повезло, но везет ли так другим мирам? Красные карлики предоставляют экзопланетам сотни миллиардов лет на эксперименты с жизнью.

Пусть на дворе стоит осень 2100 года, вы залюбовались плакатом туристического агентства NASA и вот уже сами не понимаете, как оказались в звездолете, который с минуты на минуту высадит вас на Kepler- 186 f. Что вы увидите в иллюминатор, совершая последний перед посадкой облет планеты? Ни лесов, ни лугов на планете нет. Эволюция их еще «не придумала». Поверхность покрывают лишь примитивные лишайники. Но какую поверхность! С высоты звездолета вы видите, что на планете нет хребтов, гор – да и вообще, вам кажется, что она невероятно плоская. Повсюду то ли ветвящиеся и расползающиеся по поверхности океана острова, то ли гигантские и многочисленные озера, разбросанные в беспорядке, зажатые «пальцами» суши. Ничего хоть чем-то напоминающего материки Земли. Мир-архипелаг. Конечно, этому есть объяснение, говорите вы себе. Плотная атмосфера усилила разрушительное действие ветров, эрозия оказалась более быстрой, чем на Земле, все горы превратились в песок еще до того, как успели вырасти, и океаны вышли за пределы своих бассейнов и затопили экзопланету.

Разумеется, никаких подтверждений описанной выше картине нет, но она не противоречит имеющимся у нас представлениям об эволюции суперземель. А значит, возможна если не на Kepler- 186 f, то на какой-нибудь другой суперземле.

 

Рисунок 26. Плакат NASA с приглашением на Kepler -186 f

 

Ваш звездолет садится в прибрежной полосе какого-то острова, в небе оранжевая звезда, навечно застывшая возле горизонта. Под ногами хлюпает черное болото из незнакомой жизни, расцветшей в теплых прибрежных водах. Эксперименты эволюции с химией и благоприятнейшие условия привели к тому, что на планете возникло несколько принципиально разных типов жизни. После такого жизнь на Земле кажется невероятно скучной. Эти существа знают о фотосинтезе, но кто-то из них стал полностью черным, чтобы не потерять ни фотона тусклого света, а кто-то предпочел красный цвет, улавливая излучение звезды в диапазоне его максимальной мощности. Пока ученые не нашли многоклеточных существ, но кто знает, что таит в себе толща океана.

Немного поодаль разгружают ящики с находками члены экспедиции, вернувшиеся с ночной стороны планеты. Что они там увидели, что нашли?..