Экзолуна в зоне обитаемости

Из письма Иоганна Кеплера (Johannes Kepler, 1571–1630), служившего в те времена придворным математиком римского императора в Праге , к одному своему немецкому другу, мы знаем причины особого интереса других придворных к первой книге Галилео Галилея (Galileo Galilei, 1564–1642) «Звездный вестник». В глубине души они верили в правоту сожженного за десять лет до этого Джордано Бруно (Giordano Bruno, 1548–1600) относительно иных миров и подозревали, что всякое небесное тело и в самом деле населено невиданными неземными существами. Среди придворных «короля алхимиков» Рудольфа II прошел слух, что падуанский профессор, имя которого почти никому из них не было пока известно, в построенный им телескоп увидел не только спутники Юпитера и горы на Луне , но и настоящих живых лунатиков.

В «Звездном вестнике» ничего такого не оказалось, и мы не знаем, что о внеземной жизни думал сам Кеплер, в целом отвергавший взгляды Бруно. Однако спустя некоторое время Кеплер описал свое собственное путешествие на Луну и знакомство с лунатиками в небольшой повести «Сон», которую многие теперь рассматривают как первое в истории произведение в жанре Science Fiction. Отношение к проблеме внеземной жизни потом не раз менялось — от оптимизма к пессимизму и назад, однако до недавнего времени астрономы имели возможность сравнивать Землю только с другими планетами Солнечной системы и для понимания общих принципов формирования и развития планетных систем во Вселенной им явно не хватало информации. Появление методов поиска экзопланет (планет за пределами Солнечной системы) и последовавшее открытие таких планет активизировало дискуссии вокруг вопроса о том, может ли существовать жизнь за пределами Солнечной системы…

Новый этап в изучении этой проблемы начался в 1997 году; именно тогда была впервые обнаружена планета, вращающаяся около двойной звезды в созвездии Рака — звезды, известной астрономам под именем 55 Cancri. Ещё четыре спутника этой звезды удалось обнаружить за прошедшие с тех пор 11 лет. А всего среди первых 200 экзопланет более сорока относились к системам с более чем одной звездой, причем звезды, как правило, были двойными. В таких системах в большинстве случаев планеты вращались вокруг одной из звезд, и только в двух случаях планеты вращались около обеих.

Впервые же планету, вращающуюся вокруг нескольких звезд, описал знаменитый писатель фантаст и популяризатор науки Айзек Азимов (Isaac Asimov, 1920–1992). В его рассказе «Приход ночи» (Nightfall), увидевшем свет в 1941 году, действие происходит на необычной планете, постоянно освещаемой шестью солнцами. Но в какой степени существование планетных систем с несколькими родительскими звездами совместимо с законами небесной механики? И можем ли мы что-нибудь сказать о возможности жизни на таких планетах?

В течение длительного времени считалось, что планетная система с более чем одной звездой существовать не может и что причиной тому — сбой в механизме образования планет. Действительно, звезда формируется в ходе компактизации гигантских облаков межзвездного газа и пыли, после чего неиспользованное «строительное вещество» остается в форме диска. В случае одиночной звезды, именно из него постепенно возникает планетарная система. Но если звезд несколько и они обращаются вокруг общего центра тяжести, то гравитационное поле окажется слишком нерегулярным — оно будет просто «разрывать» диск на части, препятствуя возникновению планет. Эта точка зрения оказалась слишком упрощенной: компьютерное моделирование показывает, что при некоторых условиях планеты все же могут формироваться и при наличии нескольких родительских звезд. Вопрос, однако, в том, насколько часто такие условия реализуются в космосе.

В нашей галактике более половины звезд образуют двойные или тройные системы. Нередки даже четырехзвездные. Различия между системами весьма существенны. Есть двойные системы, в которых звезды удалены друг от друга на расстояние в три световых года (почти как от Солнца до α-Центавра — ближайшей звезды). Есть и такие системы, в которых звезды расположены в астрономическом смысле очень близко друг к другу. В некоторых системах звезды имеют одинаковую массу, а в некоторых массы звезд-партнеров могут отличаться в 1000 раз. Иногда звездные орбиты практически круговые, а иногда — сильно вытянуты.

В какой из разновидностей звездных систем планеты могут существовать достаточно долго и при достаточно благоприятных условиях для того, чтобы в них могла зародиться жизнь? Ответить на этот вопрос попытались Элиза Кинтана (Elisa Quintana) из Института СЕТИ в Маунтин-вью (SETI Institute in Mountain View) и её коллега Джек Лиззауэр (Jack Lissauer) из Научно-исследовательского центра НАСА им. Дж. Эймса в Мофетт-Филд (NASA Ames Research Center).

При некоторых значениях свободных параметров компьютерная модель дает вполне обнадеживающие результаты. Например, если две звезды одинаковой массы (равной массе Солнца), движутся по круговым орбитам относительно общего центра масс — то есть середины отрезка, соединяющего их центры, — и если длина этого отрезка превышает четыре астрономических единицы (это используемая в астрономии мера длины, равная среднему расстоянию от Земли до Солнца), то формирование протопланетного облака в форме диска, охватывающего сразу обе звезды, вполне вероятно. Точное значение вероятности определяется отношением масс звезд; кроме того, устойчивость протопланетного диска будет ниже, если орбиты не круговые, а эллиптические — причем устойчивость тем ниже, чем более вытянуты орбиты.

Справедливые для подавляющего большинства случаев, эти правила допускают некоторые исключения. Устойчивость протопланетных дисков вокруг движущихся по эллиптическим орбитам двух звезд с массами, равными массе Солнца, будет сохраняться, если максимальное удаление звезд друг от друга равняется 15 а.е. и минимальное — 5 а.е. Если же две звезды вращаются относительно друг друга на небольшом расстоянии, то протопланетный диск вполне сможет охватить обе звезды одновременно. Именно из такого диска образовалась, по всей видимости, одна из планет в системе двойной звезды 55 Рака.

Планеты, на которых потенциально может возникнуть жизнь, имеет смысл искать только в границах «зоны обитаемости» — там, где вода на поверхности планеты может находиться в жидком состоянии. На внутренней границе зоны обитаемости температура должна быть достаточно низкой, чтобы вода могла конденсироваться из водяного пара; на внешней границе — достаточно высокой, чтобы вода не замерзала. В Солнечной системе только две планеты — Марс и Земля — находятся в этой зоне.

Маргарет Тёрнбул (Margaret Turnbull), независимый исследователь из города Антиго штата Висконсин, и Джилл Тартер (Jill Tarter) из Института СЕТИ (SETI Institute) на протяжении нескольких лет составляют каталог наиболее «подозрительных» звезд, вблизи которых с наибольшей вероятностью может обнаружится жизнь. Из стандартного звездного каталога они выбрали 118 218 ближайших звезд, решили отыскать среди них такие звездные системы, в которых планета, находясь в обитаемой зоне, двигалась бы по устойчивой орбите. В первую очередь их интересовали звезды, светимость которых на протяжении как минимум трех миллиардов лет не менялась бы более чем на три процента. В общей сложности Тёрнбул и Тартер идентифицировали 17 129 звезд с подходящими зонами обитания, из которых 2200 с высокой степенью вероятности являются системами нескольких звезд. При этом всего лишь у девятнадцати двойных звезд планеты, находящиеся в зоне обитаемости, обладали устойчивыми орбитами.

К сожалению, самая удобная для исследования звездная система — ближайшая к Солнцу трехзвездная система α-Центавра — критериям Тёрнбул и Тартера не удовлетворяет. Некоторые астрономы считают, однако, что в ней все же имеет смысл поискать следы жизни (заметим, что в одной из компьютерных игр действие происходит на вращающейся вокруг звезды α-Центавра планете Хирон). На удалении в 10 000 а.е от двух звезд этой системы — α-Центавра А и α-Центавра B — движется третья, известная как Проксима Центавра (Proxima Centauri), судя по всему, ближайшая к Солнцу звезда. Массы α-Центавра А и α-Центавра B равны 1,1 и 0,9 массы Солнца соответственно, в то время как масса Проксимы Центавра почти в десять раз меньше массы Солнца. Первые две звезды движутся по сильно вытянутым эллиптическим орбитам; по мере движения их взаимное удаление меняется от 11 до 36 а.е.

Любая планета в подобной системе должна испытывать 3-процентное изменение потока энергии от родительских звезд, а это чревато значительными колебаниями средней глобальной температуры на планете — в интервале от 15 °C до 23 °C, то есть они существенно превышают те, которые, судя по всему, имели место на Земле за все четыре с половиной миллиарда лет её существования. Если бы даже жизнь на такой планете и возникла, то её развитие происходило бы в непрестанном противодействии погодным катаклизмам, вызванным температурными колебаниями. Но для бактерий, живущих в скальных породах на глубине в 3 км, перепады в состоянии погоды на поверхности планеты принципиального значения не имеют, и, однажды возникнув, они могут существовать относительно безбедно.

Если же звезды в двойных системах находятся друг от друга на значительном расстоянии, то колебания температур на планете будут существенно меньшими. Но даже если звезды разделяют 80 а.е. — расстояние от Солнца до границ Солнечной системы — то вторая звезда казалась бы на планете (вращающейся вокруг первой) в 150 раз более яркой, чем полная Луна. Её присутствие было бы заметным и в дневное время, а ночью из-за нее не были бы видны на небосводе удаленные звезды. Свет этой звезды оказывал бы существенное влияние на эволюцию ночных форм жизни планеты.

Важная роль в вопросе о возникновении жизни принадлежит кометам. Из-за гравитационного воздействия со стороны сразу нескольких звезд их траектории могут становиться весьма причудливыми, что может привести к столкновениям с находящимися в обитаемой зоне планетами. Однако столкновение с кометой — о чем напоминает Элиза Кинтана в своей статье в New Scientist — совсем не обязательно станет для инопланетной жизни катастрофой. Именно кометы могут обеспечить транспорт богатых водой веществ на те планеты, на которых вода отсутствует. Так, недавнее исследование Джереми Вертгеймера (Jeremy Wertheimer) и Крега Лафлина (Creg Laughlin) из Калифорнийского университета в Санта-Крузе (University of California at Santa Cruz) показало, что вокруг звезд Альфа Центавра A и B присутствует кометное облако и что температура этого облака достаточно низка для того, чтобы кометы содержали воду. Более того, они предположили, что Проксима Центавра может подойти к этому облаку достаточно близко, и в результате её гравитационного воздействия содержащие воду кометы могут перейти на траектории столкновения с теми планетами, которые, вполне возможно, движутся вокруг α-Центавра А и В. По словам Элизы Кинтана, «существование обитаемых планет в системе α-Центавра уже нельзя считать абсолютно невероятным».

Главное значение полученных результатов в том, что количество мест, где можно искать жизнь, в нашей галактике снова сильно возрастает. У нее теперь хорошие шансы на существование на планетах из систем нескольких звезд, и астробиологии уже начинают фантазировать в отношении возможного облика такой жизни. Необычной, к примеру, может стать раскраска листьев растений… Действительно, процесс фотосинтеза адаптируется, как известно, к спектру излучения и, если интересующая нас планета вращается вокруг более молодой и более горячей (по сравнению с Солнцем) звезды, то растения будут наиболее эффективно усваивать свет сине-голубого диапазона, а их цвет будет меняться в диапазоне от зеленого до красного. Вполне допустимо существование на планете и таких растений, фотосинтез у которых будет настроен на разные спектры разных звезд. Самое время процитировать Николая Гумилева: «На далекой звезде Венере солнце пламенней и золотистей. / На Венере, ах, на Венере, у деревьев синие листья».