Загадки космоса. Планеты и экзопланеты - Андрей Мурачёв

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.