Экзопланеты звезды TOI-700 – лучший вариант для поиска внеземной жизни

Хотя науке известно уже более 5000 экзопланет, более половины из которых открыл телескоп Кеплер, аналогов планет нашей Солнечной системы мы до сих пор не видели. Ничего похожего на Юпитер, Землю или Меркурий современные технологии найти пока не могут.

Прямо сейчас где-то там, скорее всего даже в нашем Млечном Пути, существует самая первая из обитаемых планет, которые когда-нибудь найдёт человечество. И хотя мы не знаем, что это за планета и когда мы обнаружим её критически важные и недвусмысленные биосигнатуры, мы реально ожидаем, что постоянно улучшающееся качество наблюдений в итоге приведёт нас к её открытию. Ингредиенты для жизни рассеяны по всей Вселенной, и каждая звёздная система, содержащая каменистые землеподобные планеты – это шанс на появление замечательных и уникальных явлений.

С начала 1990-х годов мы нашли тысячи экзопланет – то есть, планет, обращающихся вокруг других звёзд. Многие из них размером примерно соответствуют земному; многие расположены от своих звёзд на таком расстоянии, чтобы на их поверхности потенциально могла существовать жидкая вода; многие находятся достаточно близко к нам для того, чтобы телескопы недалёкого будущего (в пределах XXI века) смогли бы получить их непосредственное изображение, что помогло бы нам решить, обитаемы они или нет. Несмотря на то, что подавляющее большинство экзопланет было открыто при помощи миссии Кеплер, которая больше не работает, первым кандидатом на дом для внеземной жизни считается планетная система звезды TOI-700, открытой всё ещё функционирующей миссией TESS.

TESS (англ. Transiting Exoplanet Survey Satellite, спутник для наблюдения за транзитными экзопланетами) — космический телескоп, предназначенный для открытия экзопланет транзитным методом, разработан Массачусетским технологическим институтом в рамках Малой исследовательской программы НАСА.

Телескоп был запущен 18 апреля 2018 года на ракете-носителе Falcon 9 и проводит всесезонные исследования с целью более подробного изучения ранее открытых и обнаружения ранее неизвестных экзопланет на орбитах вокруг ярких звёзд.

Вокруг TOI-700 обращаются как минимум две потенциально обитаемые планеты размером с Землю, поэтому эта система может стать наилучшим кандидатом на обнаружение жизни за пределами нашей Солнечной системы.

Стоит признать — в области поиска обитаемых экзопланет и всего, что с ними связано, мы практически ничего не знаем. Мы не знаем, насколько часто во Вселенной возникает жизнь, и где вероятность её появления максимальна. Мы не знаем, как часто жизнь не обрывается рано и процветает достаточно долгое время, или как часто она быстро вымирает. Мы не знаем вероятность, с которой на планете может появиться сложная или разумная жизнь. Мы не знаем, насколько химические реакции и процессы, лежащие в основе жизни на Земле распространённые или редкие – а может, и вообще уникальные.

Однако, поскольку мы считаем, что законы физики по всей Вселенной одинаковые, а количество всех ингредиентов в разных частях Вселенной можно измерить, нам кажется, мы можем определить набор условий, наиболее благоприятный для жизни. Вот список особенностей планеты, идеально подходящей на роль потенциально обитаемой.

Это должна быть каменистая планета с тонкой атмосферой, не сильно больше Земли. Она должна вращаться вокруг звезды со стабильной энергетической отдачей на длинных промежутках времени. Расстояние до звезды должно быть таким, чтобы на поверхности планеты могла существовать жидкая вода. Количество тяжёлых элементов должно примерно соответствовать тому, что есть в нашей Солнечной системе. С момента появления жизни должно было пройти достаточно времени для того, чтобы жизнь успела преобразовать облик планеты и создать её биосферу. При этом такая планета должна находиться достаточно близко к нашей, чтобы технологии будущего смогли разглядеть все ключевые биосигнатуры.

Первое и самое важное условие – у потенциально обитаемой планеты должна быть подходящая звезда. Если звезда будет слишком массивной, её эволюция пройдёт слишком быстро и сожжёт всю жизнь, которая успеет появиться на планете, всего через несколько сотен миллионов лет – за такое время ничего интересного не появится. Если мы возьмём самые распространённые звёзды – красные карлики малой массы, для выполнения условий, с одной стороны, для получения достаточного количества энергии нужно будет, чтобы планета находилась очень близко к звезде, а с другой – на таком расстоянии эти активные звёзды с частыми вспышками просто сдуют любую атмосферу с планеты. Между двумя этими экстремумами должна существовать какая-то точка баланса, в которой есть вероятность возникновения стабильных условий, пригодных для обитания.

Второе условие, в принципе, не менее важное, чем первое – природа самой планеты. Между свойствами планет с массой и размером типа Венеры или Земли, и свойствами планет вроде Урана или Нептуна есть кардинальная разница. И только планета с доступной твёрдой поверхностью и тонкой атмосферой из газов подойдёт для форм жизни, похожих на существующие на нашей планете. В результате получается, что планеты вроде Меркурия будут слишком малы, но при этом планета не должна быть больше Земли на 25-30%, а масса – больше, чем две земных, иначе атмосфера там будет слишком густой.

Классификация известных экзопланет по массе и радиусу. Планеты достигают максимального размера, если их масса находится где-то в промежутке от массы Сатурна до массы Юпитера. Чем тяжелее мир, тем сильнее его сжимает гравитация и тем меньше он становится, пока в нём не начнётся ядерный синтез и он не превратится в звезду.

Очень малая часть из известных нам 5000 планет подходит под указанные критерии потенциальной обитаемости. Большая их часть оказывается гораздо больше Земли, их атмосферы, скорее всего, состоят из летучих газов, так что возникновение жизни на поверхности маловероятно. А большая часть известных нам планет размером с Землю горячие – они расположены слишком близко к своей звезде, слишком далеко от обитаемой зоны.

А большая часть экзопланет размером с Землю, расположенных в зоне обитаемости, принадлежит звёздам самой малой массы – крохотным красным карликам, которые отличаются частыми вспышками, из-за чего вероятность сохранения планетой атмосферы весьма мала. Большая часть экзопланет, подходящих для возникновения жизни – включая Проксиму Центавра B и планеты в системе TRAPPIST-1 – находятся в системах красных карликов, изобилующих вспышками, которые с большой вероятностью просто сдувают атмосферу со всех окружающих их миров.

Особая комбинация факторов делает систему TOI-700 такой интересной. И хотя звезда TOI-700 принадлежит к классу М, красных карликов, это один из самых массивных красных карликов – с массой в 40% солнечных. Вращается он медленно, делая полный оборот за 54 дня (т.е. ещё медленнее Солнца), поэтому его активность очень низка. Как и большинство медленно вращающихся звёзд, вспышки он испускает редко (а вообще мы ещё ни одной не видели), пятен на нём мало, а возраст у звезды, судя по всему, большой – не менее полутора миллиардов лет. Кроме того, состав тяжёлых элементов в нём практически такой же, как у Солнца.

Изначально в ходе миссии TESS у TOI-700 увидели три планеты. Сейчас уже известно о наличии минимум четырёх, и две из них потенциально обитаемы. Известные планеты:

• TOI-700b, проходит по орбите за 10 дней, её размер составляет 91,4% от земного.
• TOI-700c, проходит по орбите за 16 дней, её размер в 2,6 раза больше, чем у Земли.
• TOI-700e, новая планета, проходит по орбите за 28 дней, размер – 95% от земного.
• TOI-700d, первая планета размером, сравнимым с земным, найденная TESS в зоне обитаемости. Проходит по орбите за 37 дней, размер – 105% от земного.

TOI-700c, скорее всего, что-то вроде мини-нептуна. А вот другие три планеты почти наверняка каменистые. После открытия четвёртой стало понятно, что планеты вращаются в некоем резонансе. TOI-700b делает 8 полных оборотов за время, пока TOI-700c делает 5 полных оборотов. TOI-700c делает 7 оборотов за то же время, за которое TOI-700e делает 4 оборота. TOI-700e делает 4 оборота за то же время, за которое TOI-700d делает 3.

Поскольку у TESS не было времени как следует разглядеть TOI-700, стоит ожидать, что за пределами орбиты TOI-700d могут находиться ещё планеты, и мы сможем их открыть, если будем изучать звезду подробнее.

Вокруг почти любой звезды существует полоса, называемая обитаемой зоной – у планеты, находящейся в этой зоне и имеющей атмосферу и состав, схожие с земными, на поверхности может существовать жидкая вода. К этой зоне примыкает ещё одна, так сказать, оптимистическая – при определённом изменении параметров атмосферы и других условий и там может быть жидкая вода.

С этой точки зрения, две внутренних планеты, TOI-700b и TOI-700c, слишком горячие для того, чтобы ими можно было интересоваться с точки зрения поисков биологической активности. TOI-700c, скорее всего, не каменистая. А вот TOI-700e и TOI-700d почти наверняка каменистые, при этом первая находится в «оптимистически» обитаемой зоне, а вторая – в самой настоящей обитаемой зоне. И даже если эти планеты находятся в приливном захвате у звезды (обращены к ней одной стороной), они всё равно остаются отличными кандидатами на наличие жизни.

А ещё есть надежда, учитывая большую ширину обитаемой зоны вокруг TOI-700, что за пределами орбиты TOI-700d находится ещё одна планета, которая может быть каменистой. В лучшем случае в этой зоне может оказаться три-четыре кандидата на обитаемость.

Идёт много споров по поводу того, может ли жизнь существовать на планетах звёзд М-класса – красных карликов. Красные карлики практически гарантированно осуществляют приливной захват своих планет – то есть одна сторона планеты постоянно смотрит на звезду, а другая – от неё. В среднем они излучают очень мало ультрафиолета, а большая часть энергии идёт в инфракрасном диапазоне, однако случаются выбросы в рентгеновском диапазоне и частые вспышки. Поэтому по большей части считается, что звёзды типа Солнца – К-класса (чуть меньше по массе, чем Солнце), G-класса (куда входит и Солнце) и F-класса (чуть массивнее Солнца) — это идеальные кандидаты для жизни на планетах.

Однако это лишь предположение. TOI-700 очень необычная для красного карлика – она находится очень близко к границе классов К и М, как и две звезды, обнаруженных Кеплером — Kepler-186 и Kepler 438. У двух последних есть потенциально каменистые обитаемые планеты. Если эти звёзды не дают вспышек и не сдувают атмосферу с поверхности планет, то они могут стать почти идеальным местом для развития жизни на долгое время.

И по этой системе продолжают поступать новые данные. Скоро TESS снова обратится к той области неба, где видно TOI-700 и её планеты, и, возможно, даст нам новые данные о внешних, пока не открытых планетах. Также учёным выдали время для наблюдений при помощи инструмента ESPRESSO, находящегося на борту европейского Очень большого телескопа. Благодаря этому, получилось отследить перемещения звезды в деталях, что должно дать ценные сведения по поводу наличия дополнительных планет и их масс.

Данные по ультрафиолетовому спектру звезды помогут сделать выводы о поведении и свойствах атмосферы её планет. Несмотря на то, что, скорее всего, все её планеты находятся в приливном захвате, существуют сценарии, при которых они могут быть обитаемыми. Если в атмосфере подобной планеты будет много двуокиси углерода, мир будет разогрет равномерно циркулирующими по поверхности ветрами. Это не идеальные условия для жизни – однако, к примеру, покрытый океаном мир с такими свойствами вполне может быть обитаемым. В мире без облаков и океанов с земной атмосферой ветра будут постоянно дуть с ночной стороны планеты на дневную, а на границе дня и ночи будет существовать потенциально обитаемая зона. Данные об этой системе, которые поступят в скором будущем, позволят нам сделать выводы о потенциальной обитаемости её миров.

Существует лишь небольшое количество планетных систем, которые можно отнести к по-настоящему отличным кандидатами на наличие обитаемых миров. Система TOI-700 по многим показателям — явный претендент на звание самой вероятной из известных на сегодняшний день систем, в которых существует биологическая активность. Она существует уже более 1,5 миллиардов лет: этого времени более чем достаточно для того, чтобы биологическая активность превратила тонкую область, где поверхность планеты встречается с её атмосферой, в богатую биосферу, способную вызвать изменения в атмосферах планет.

Если бы жизнь изменила состав атмосферы такого мира, мы могли бы обнаружить её с помощью какой-нибудь обсерватории будущего – такой, например, как проект НАСА Habitable Worlds Observatory (Обсерватория обитаемых миров) или предполагаемая миссия LUVOIR. Хотя нам ещё предстоит найти первую обитаемую планету за исключением Земли, эта задача не только находится в рамках возможностей технологий XXI века – мы уже приближаемся к этой цели с каждым следующим наблюдением. В настоящее время существует небольшое количество систем, представляющих собой прекрасные цели для поисков жизни за пределами нашего собственного дворика, и TOI-700, находящаяся на расстоянии всего 101 светового года от нас, может предоставить человечеству наилучшую возможность для этого.

Telegram-канал с розыгрышами призов, новостями IT и постами о ретроиграх