Представете си, че вървите по планета, осветена от червено слънце. Тук няма изгреви или залези.
Голяма огнена топка с нажежаема жичка виси постоянно в небето. Сенките от големи камъни, хълмове и планини не са се променяли от хилядолетия. Но бързи облаци се втурват по небето, носейки студен влажен въздух от полукълбото, където царува вечна нощ. Понякога поривите на вятъра са толкова силни, че могат да вдигнат във въздуха не само зейналия астронавт, но и тежкото оборудване. Има ли място на този свят за живи организми? Или планетите в близост до червените звезди са безжизнени космически тела с адска топлина от деня и жесток студ през нощта? Този въпрос не се появява за първи път в научната общност и има няколко причини за това.
Намерете това, което не можете да видите
Търсенето на екзопланети е доста трудна научна задача, тъй като не можем да наблюдаваме повечето от тях директно с телескоп. Има доста начини да ги намерите, но най-често в новинарските репортажи се споменава методът на радиалната скорост (метод на Доплер) и методът на преминаване. Същността на първата е, че учените изучават спектъра на звездата, опитвайки се да използват ефекта на Доплер, за да забележат в нея признаци за присъствие на една или повече планети. Факт е, че в процеса на своето орбитално движение планетата също привлича звезда към себе си, принуждавайки я, като че ли, да "мърда" във времето с периода на революцията. Амплитудата на такива колебания зависи от масата на планетата, разстоянието между планетата и звездата, както и от ъгъла, под който наблюдателят от Земята гледа в орбитата на планетата. Ако екзопланетата е достатъчно масивна и орбитира близо до своята звезда,а орбитата му е отдалечена от Слънчевата система, шансовете да я намерим ще бъдат големи. С увеличаване на радиуса на орбитата или намаляване на масата на извънземна планета обаче става все по-трудно да се намери. Така че този метод ще бъде много по-ефективен при намирането на тежки планети в орбити близо до звездата. Освен това методът на радиалните скорости определя само най-ниската възможна стойност на масата на планетата, тъй като чрез изучаване на изместването на спектралните линии изследователите не могат да открият ъгъла, под който се вижда извънземна звездна система. По този начин бяха открити планетите близо до Проксима Кентавър и звездата Gliese 581.по метода на радиалните скорости се определя само възможно най-ниската стойност на масата на планетата, тъй като чрез изучаване на изместването на спектралните линии изследователите не могат да открият ъгъла, под който се вижда извънземна звездна система. По този начин бяха открити планетите около Проксима Кентавър и звездата Gliese 581.по метода на радиалните скорости се определя само възможно най-ниската стойност на масата на планетата, тъй като чрез изучаване на изместването на спектралните линии изследователите не могат да открият ъгъла, под който се вижда извънземна звездна система. По този начин бяха открити планетите около Проксима Кентавър и звездата Gliese 581.
За да извършват търсения с втория метод, учените много точно измерват яркостта на звездата, опитвайки се да намерят момента, в който екзопланетата ще премине между нея и Земята. В този момент яркостта на звездата ще спадне леко и изследователите ще могат да направят някои изводи относно параметрите на извънземната звездна система. Методът е интересен и защото в някои случаи ви позволява да добиете представа за атмосферата на екзопланетата. Факт е, че по време на транзита светлината на звезда преминава през горните слоеве на атмосферата; следователно, анализирайки спектрите, може да се опита поне приблизително да се оцени химическият й състав. Например, по този начин астрономите откриха следи от кислород и въглерод в атмосферата на планетата HD 209458b, по-известен като Озирис. Вярно е, че е малко по-лесно да се изучава Озирис, защото това е огромна планета, малко по-малка от Юпитер по маса, но разположена изключително близо до своята звезда. Недостатъците на транзитния метод включват ниската вероятност равнината на орбитата на планетата да лежи директно на линията на видимост между Слънчевата система и друга звезда. Вероятността се изчислява като съотношение на радиуса на екстрасоларната планета към радиуса на звездата. Освен това тази вероятност ще намалява с увеличаване на радиуса на орбитата и намаляване на размера на екзопланетата. Например вероятността да открием нашата Земя от съседни звезди чрез транзитния метод е само 0,47%. И дори ако орбитите на Земята и Слънцето се окажат в някакъв извънземен наблюдател на една и съща линия на видимост, това не гарантира точно откриване на нашата планета. За надеждно потвърждение преминаването на Земята през диска на Слънцето трябва да бъде забелязано няколко пъти, за да се определи точно периодът на революция. Част от това, което спасява ситуацията, ече голям брой звезди могат да се разглеждат наведнъж чрез транзитния метод. Например, известният телескоп Кеплер непрекъснато наблюдава около 100 000 звезди. Транзитният метод, подобно на метода на радиалната скорост, ще бъде по-чувствителен към големите планети в близки орбити.
Екзопланети, открити чрез транзитния метод. На години.
Разбира се, в допълнение към радиалните скорости и транзити, има и няколко други метода, които позволяват откриване на екстрасоларни планети. Например има метод за гравитационно микролинзиране, астрометрия или директни оптични наблюдения. Тези методи са просто по-ефективни за планети, разположени на относително голямо разстояние от техните звезди. Засега обаче всички тези методи за търсене далеч не са толкова ефективни и броят на планетите, открити с тяхна помощ, не надвишава няколко десетки.
Промоционално видео:
Гравитационна леща.
Внезапни герои
Разбира се, мнозина биха искали да намерят планета, подходяща за живот, "втората Земя", както я наричат някои журналисти. Имаме обаче само един известен пример за произхода на живота на планетата - нашата собствена Земя. За да опростят формулирането на проблема, учените въведоха концепцията за така наречената "обитаема зона" или "Златокоса зона". Това е областта на пространството около звездата, където полученото количество енергия е достатъчно за съществуването на течна вода на повърхността. Разбира се, подобна концепция не отчита например отражателната способност на екзопланета, състава на атмосферата, наклона на оста и т.н., но ни позволява грубо да преценим разпространението на космическите тела, които ни интересуват. Името "Златокоса зона" е свързано с приказката за трите мечки (първоначално - "Златокоска и трите мечки"), в която едно момиче, попаднало в къщата на три мечки,опитвайки се да се настани удобно там: той вкусва каша от различни купи и лежи на различни легла. И първата звезда, която намери планета в обитаемата зона, беше Gliese 581. Две планети, Gliese 581 c и d, на топлата и студената граница на обитаемата зона, бяха открити чрез метода на радиалната скорост на спектрографа HARPS на обсерваторията La Silla в Чили. Освен това, съдейки по долната граница на техните възможни маси (съответно 5,5 и 7 земни маси), това може да са скалисти тела.съдейки по долната граница на техните възможни маси (съответно 5,5 и 7 земни маси), това може да са скалисти тела.съдейки по долната граница на възможните им маси (съответно 5,5 и 7 земни маси), това може да са скалисти тела.
По-късно, през 2010 г., учени от Калифорнийския университет, Санта Круз и института Карнеги във Вашингтон обявиха откриването на планетата Gliese 581 g, която се намира точно в средата на обитаемата зона. Планетата дори получи неофициално име - Зармина - в чест на съпругата на ръководителя на групата за търсене на екзопланети Стивън Фогт. Откритието разтърси обществеността. Сега звездната система непрекъснато се появяваше в бюлетините на новините на "жълтите" вестници и на страниците на научната фантастика. Именно от планетата Gliese 581 g пристигнаха зли извънземни, които нападнаха Земята във филма за 2012 г. „Морска битка“. Други научни групи обаче не потвърдиха откриването на Gliese 581 g, обяснявайки резултатите по-скоро с грешка при обработката на наблюденията и активността на самата звезда. Кавгите между групата Фогт и други "екзопланети" продължиха няколко години и завършиха не в негова полза. Зармина съществува, най-вероятно, само във въображението на изследователите.
Но нови открития не закъсняха. С появата на телескопа Кеплер, планетите в обитаемата зона валяха една след друга. Kepler-186f, Kepler-438 b, Kepler-296 e, Kepler-442 b и много други екзопланети са открити по време на работата на този космически телескоп. Но се оказа, че по-голямата част от тях имат едно общо нещо - всички те се въртят около червените джуджета. Червените джуджета са нискомасови и хладни звезди с повърхностни температури около 3500К. Това не е много по-високо от температурата на намотката. Такива звезди блестят слабо, но живеят дълго време, тъй като консумират резерви от водород много бавно. Червено джудже с маса, 10 пъти по-малка от Слънцето, на теория ще свети трилиони години, което е с много порядъци по-голямо от възрастта на Вселената. Между другото,наскоро откритите планети Proxima b и TRAPPIST-1 също се въртят около подобни неясни звезди. Proxima b е най-близката до нас екзопланета и се намира в обитаемата зона. Най-вероятно това е скалисто тяло, което означава, че съществуването на морета и океани там не е изключено в присъствието на атмосфера. Вярно е, че планетата е била открита по метода на радиалните скорости, така че все още не знаем точната стойност на нейната маса и плътност. Е, звездата TRAPPIST-1 има няколко планети наведнъж, теоретично може да има условия за съществуването на течна вода на повърхността. Всъщност такова изобилие от планети в зоната на живот на червените джуджета изобщо не означава, че те се появяват там по-често, отколкото например в жълтите звезди. Тъй като звездите от късния спектрален тип (хладни и червени) понякога излъчват 10 000 пъти по-малко енергия от Слънцето,зоната на местообитанията се намира много по-близо до тях. И тук вече започва да работи селекция от методи за търсене на екстрасоларни планети. Ако "зоната на Златокос" е по-близо до звездата, тогава е по-лесно да се намерят екзопланети в нея. Освен това се смята, че червените джуджета са най-често срещаният тип звездно население и в нашата Галактика има приблизително 70% от тях. Оказва се, че ще ги отваряме много по-често.
TRAPPIST-1, както се вижда от художника по време на преминаването на две от седемте известни планети.
Светове под червеното слънце
След първите публикации за откриването на планети близо до Gliese 581 в научната общност възниква спор за тяхната възможна обитаемост. Ако животът можеше да възникне и да се развие около червените звезди, това сериозно би увеличило разпространението му във Вселената. Освен това биосферата на планетите под червеното слънце може да съществува много по-дълго от земната, което означава, че ще има повече шансове за развитие преди появата на интелигентен вид. В крайна сметка дори нашата звезда, привидно толкова стабилна звезда, за 1 милиард години може да стане толкова ярка, че повърхността на Земята да се превърне в пустиня. Животът със сигурност ще оцелее под повърхността, но по-скоро ще оцелее, отколкото да се развива. Но червеният столетник може да поддържа своята биосфера за десетки, ако не и стотици милиарди години. Това е примамлива идея, но изследванията показватче при червените джуджета всичко далеч не е толкова просто. И за да може животът да възникне и да се развие в такава звездна система, той ще трябва да преодолее много много сериозни проблеми.
Приливен захват
Когато гледаме Луната, винаги виждаме един и същ модел на моретата - тъмни петна на повърхността на нашия спътник. Това се случва, защото Земята и нейният спътник се въртят синхронно и Луната прави един оборот около оста си в същото време, необходимо за обикаляне около Земята. И това не е случайно. Въртенето му около оста е спряно от приливни сили от нашата планета. И тази картина е много често срещана в Слънчевата система. Сателитите на Марс и гигантските планети, системата Плутон-Харон - може да отнеме много време, за да се изброят космическите тела със синхронно въртене. Дори Меркурий, който на пръв поглед не се подчинява на този принцип, също е в орбитален резонанс. Сидеричните дни там продължават 58,65 земни дни, а планетата прави революция около Слънцето за 88 дни. Тоест денят на Меркурий продължава 2/3 от годината си. Между другото, заради този ефект,както и доста удължена орбита на планетата, има и моменти на небесната твърд на Меркурий, когато движението на Слънцето по небето внезапно спира и след това отива в обратна посока.
Сравнителни размери на земните планети (отляво надясно: Меркурий, Венера, Земя, Марс).
Изчисленията показват, че най-вероятно всички планети в обитаемата зона на червените джуджета винаги ще се изправят срещу звездата с едно полукълбо. В най-добрия случай е възможен резонанс като въртенето на Меркурий. Дълго време се смяташе, че при такива условия едното полукълбо ще бъде нажежено до постоянни преки лъчи на светилото, а другото ще бъде царството на вечния студ. Освен това от нощната страна дори ще бъде възможно някои атмосферни газове да замръзнат. Но модел на атмосферата на подобни на Земята планети, уловени от приливни сили, създаден от учени от Калифорнийския технологичен институт през 2010 г., показва, че дори при бавно въртене на въздушната обвивка, топлината ще бъде доста ефективно прехвърлена към нощната страна. В резултат на това температурата на нощната страна не трябва да пада под 240K (-33Co). А също и доста силни ветрове трябва да се разхождат по такава планета. Според моделите на атмосферите, разработени от Людмила Кароне и нейните колеги от Католическия университет в Льовен, в горните слоеве на атмосферата трябва да се получи ефект на суперротация. По екватора на такава планета постоянно циркулира много бърз вятър, чиято скорост достига 300 км / ч и дори по-висока. Пътуването със самолет в такъв свят би било много рисков бизнес.
Друга 3D симулация, извършена от екип от учени, ръководени от Маноджа Джоши, показа, че само 10% от налягането на земната атмосфера е достатъчно за ефективно прехвърляне на топлина към нощната страна на планетата. От този модел също следва, че в слънчогледовата точка на планетата (най-близкият до звездата регион) няма да има изгорена пустиня, а гигантски атмосферен циклон - вечен ураган, който не се движи, а стои на едно място. Тези данни бяха използвани от National Geographic Channel при създаването на документалната мини-поредица „Аурелия и синята луна“, където самият Джоши действаше като консултант. Вярно е, че за развитието на живота само една комфортна температура не е достатъчна. По-нататъшни изследвания показват, че ако екзопланетата няма много голям запас от вода, тогава съществува риск от товаче по-голямата част от него ще се премести към нощната страна с ветровете и ще замръзне там. Постепенно ледените маси ще се придвижат обратно от нощната страна, но въпреки това съществува риск планетата да се превърне в суха пустиня. Колко бързо ще се транспортира влагата до нощната страна и обратно зависи от много фактори, включително конфигурацията на континентите, химичния състав и плътността на атмосферата и т.н. В същото време достатъчно дълбок океан ще остане течен под леда, което също ще предотврати пълното му замръзване. Между другото, моделирането на самия процес на формиране на земноподобни планети в червени джуджета просто показва много по-високо водно съдържание в сравнение със Земята. Показва работата на Ян Алиберт и Вили Бенц, публикувана в „Астрономия и астрофизика“че в някои случаи делът на H2O може да бъде до 10 тегловни%. Интересното е, че ако планетите, напротив, имат плътна атмосфера, тогава има възможност за преодоляване на приливното прихващане. Моментът на въртене на плътната атмосфера ще бъде предаден на планетата, поради което денят и нощта отново могат да започнат да се променят върху нея. Вярно е, че тези дни и нощи могат да продължат доста дълго.
Кадър от филма на National Geographic Channel Живот в други светове. Синя Луна.
Променливост
Друг, още по-сериозен проблем е, че червените джуджета често са много бурни обекти. Повечето от тях са променливи звезди, тоест звезди, които променят светимостта в резултат на някои физически процеси, протичащи вътре или близо до тях. Например, доста често тези звезди показват променливост от типа BY Dragon. Вариациите в яркостта при този вид дейност са свързани с въртенето на звездата около оста си, тъй като повърхността й е покрита с голям брой слънчеви петна, подобни на тези на слънцето. Слънчевите петна са области, където във фотосферата влизат силни (до няколко хиляди гауса) магнитни полета, които предотвратяват преноса на топлина от по-дълбоките слоеве. По този начин температурата в петната е по-ниска от тази на околната фотосфера, което ги кара да изглеждат по-тъмни в телескоп със светлинен филтър.
Слънчеви петна има и при червените джуджета, но заемат много по-голяма площ. В резултат на това за кратко време яркостта на звездата може да се промени с 40%, което вероятно ще повлияе отрицателно на хипотетичния живот.
Но много по-опасно свойство на червените звезди е тяхната изблик активност. Значителна част от червените джуджета са променливи звезди от типа UV Ceti. Това са изригващи звезди, които в момента на изблик увеличават своята светимост няколко пъти и в диапазона от радио до рентгенови лъчи. Самите факели могат да продължат от минути до няколко часа, а интервалът между тях - от час до няколко дни. Учените вярват, че естеството на тези изригвания е същото като на изригванията на Слънцето, но мощността е много по-висока. В допълнение към увеличаването на светимостта във всички диапазони, в момента на светкавица се излъчват заредени частици, които допринасят за загубата на атмосферата, особено леки елементи като водород. Известният Проксима Кентавър също принадлежи към променливите звезди от типа UV Ceti. Но какво казват научните изследвания за способността да се противопоставя на такава враждебна среда?
Проксима Кентавър, телескоп Хъбъл.
Според някои астрофизици - например, според популяризатора на науката и астронома от Университета на Южен Илинойс Памела Гей - повечето червени джуджета са активни около първите 1,2 милиарда години от живота, след което имат намаляване както на честотата, така и на интензивността на изригванията. Теоретично, в случай на частично запазване или повторно появяване на атмосферата, биосферата може да започне да се развива, след като звездата премине активния етап на еволюция. Но не всички учени са на мнение за краткия етап на активната фаза. Николай Самус, водещ изследовател в Катедрата за нестационарни звезди и звездна спектроскопия в Института по астрономия на Руската академия на науките, каза за „Гола наука“за това: „Факелната активност е много разпространена при червените джуджета. Трябва да избледнее с възрасттано червените джуджета от много късни класове и наистина ниска осветеност „остаряват“толкова дълго, че всички от тях, наблюдавани в действителност, могат да се считат за млади. Като цяло, поне една четвърт от M джуджета съм Аз (активни джуджета с мощни спектрални емисионни линии. - Ред.) И почти всички от тях имат или слънчева петна, или излъчване на променливост, или и двете. В по-късните подкласове на М до 100% от звездите са променливи”. Между другото, възрастта на същата тази Proxima Centauri е почти 5 милиарда години, но звездата остава много активна и редовно демонстрира мощни изригвания.или и двете променливости наведнъж. В по-късните подкласове на М до 100% от звездите са променливи”. Между другото, възрастта на същата тази Proxima Centauri е почти 5 милиарда години, но звездата остава много активна и редовно демонстрира мощни изригвания.или и двете променливости наведнъж. В по-късните подкласове на М до 100% от звездите са променливи”. Между другото, възрастта на същата тази Proxima Centauri е почти 5 милиарда години, но звездата остава много активна и редовно демонстрира мощни изригвания.
Ситуацията е частично спасена от магнитното поле на планетата. Изчисленията показват, че дори бавното въртене на приливно уловените планети ще бъде достатъчно, за да генерира магнитно поле, докато вътрешната част на планетата остава стопена. Но моделирането на скоростта на атмосферните загуби, извършено от астрофизика Хорхе Зулуага и неговите колеги, показа, че дори планетата да има мощно магнитно поле, тя доста интензивно ще загуби атмосферата си поради взаимодействие с материя, изхвърлена по време на изригването. Според това проучване ситуацията е малко по-добра в суперземли с маса 3 или повече пъти масата на земята, но дори там загубите са значителни. Според този модел екзопланетата Gliese 667Cc е трябвало напълно да загуби атмосферата си, но Gliese 581d и HD 85512b е трябвало да я запазят. Интересно,че по-ранните модели, например, проучване на Максим Кродаченко и неговите колеги, публикувано в списание Astrobiology, предсказват, напротив, много слаби магнитни полета на планетата, неспособни да защитят атмосферата от мощни емисии на звездна материя.
Planet HD 85512 b, както се вижда от художника
В момента изследванията върху червените джуджета се усложняват от факта, че те са доста слаби звезди, които са трудни за изучаване на големи разстояния. Все още остава да се отговори на въпроса каква част от тези звезди остават активни милиарди години и от какво зависи. И Proxima Centauri, и Gliese 581, и дори скорошният герой на новините TRAPPIST-1 демонстрират изригваща активност, което означава, че атмосферите на планетите ще бъдат облъчени както с ултравиолетова светлина, така и с поток от заредени частици. Моделите основно показват възможността за запазване на атмосферата дори при такива сурови условия, но въпросът за възможността за съществуването на биосферата все още е отворен. Между другото, още в началото на 2017 г. Хорхе Зулуага публикува статия, в която показа възможността Проксима Кентавър b да има мощно магнитно поле.
Система Gliese 581, както се вижда от художника.
Биосфера
Но, да речем, на планетата, въпреки всички трудности, се появиха примитивни форми на живот. На Земята фотосинтезата е енергийната основа на всички живи същества, с изключение на бактериите, които се хранят с неорганични вещества, като сярните бактерии. По-голямата част от атмосферния кислород е страничен продукт от фотосинтезата. Може ли обаче фотосинтезата да използва светлината на червеното слънце? Има няколко форми на хлорофил, които използват светлина от различни части на спектъра. Това са главно хлорофили a и b, които се различават леко в абсорбираните честоти. Повечето от хлорофила на висшите растения поглъщат синята и червената част на слънчевия спектър, което прави листата да изглеждат зелени. В зависимост от условията на осветление, съотношението между двата вида хлорофил и неговата концентрация може да варира. Например в растенията, обичащи сянката, съдържанието на хлорофил може да бъде 5-10 пъти по-високо,отколкото растенията, които обичат ярка светлина. Интересна адаптация съществува при червените водорасли, които благодарение на допълнителни пигменти могат да абсорбират светлина от почти цялата видима част от спектъра.
През 2014 г. беше открит сенкоустойчив щам на цианобактерии Leptolyngbya JSC-1, живеещ в горещи извори. Тези бактерии са способни да използват близка инфрачервена светлина (700 до 800 nm). Интересното е, че когато навлезе в по-осветена зона, тази цианобактерия е в състояние да възстанови фотосинтетичния механизъм. Има и обнадеждаваща информация, идваща от океанското дъно. Друг международен екип от биолози е открил сярната бактерия GSB1, която съдържа хлорофил, в близост до дълбоководен термален извор край бреговете на Коста Рика. Тъй като слънчевата светлина не прониква на дълбочина от 2,4 км, изследователите предположиха, че сярните бактерии използват инфрачервен източник на светлина, излъчван от горещи хидротермални отвори (~ 750 nm). Изследването е публикувано в списанието Proceedings of the National Academy of Sciences. По този начин,хипотетичните форми на живот на червено джудже не трябва да умрат от глад.
Цветът на листата на фотосинтетичните растения се дължи на високата концентрация на хлорофил
Какво следва?
В момента компютърните симулации са може би единственият начин за оценка на условията на повърхността на екзопланета близо до червено джудже. Технологията за наблюдение все още не е в състояние да определи химичния състав, още по-малко да разграничи всякакви детайли на повърхността. Но резултатите от симулацията зависят от много фактори и понякога изчисленията на различни научни групи дават почти противоположни резултати. Новите телескопи ще помогнат най-накрая да разберем въпроса за жизнеспособността на червените джуджета. През 2020 г. се очаква изстрелването на космическия телескоп „Джеймс Уеб“. Предполага се, че той ще може да провежда спектроскопски изследвания на атмосферите на някои екзопланети. Също в пустинята Атакама в Чили вече е в ход изграждането на E-ELT (Европейски изключително голям телескоп), чийто диаметър на основното огледало ще бъде почти 40 метра. По-далечните проекти включват изстрелването на няколко космически телескопа, способни да работят в режим на интерферометър, като същевременно получават ултра-ясна резолюция. Също наскоро, още по-екстравагантен проект набира популярност в научната общност - наблюдение на екзопланета с помощта на гравитационна леща от Слънцето. Същността на метода е, че малък телескоп се изпраща на разстояние 547 астрономически единици от Слънцето до неговия така наречен гравитационен фокус. Гравитационната леща е процесът на огъване на електромагнитното излъчване от гравитационното поле на тежък обект, точно както конвенционалната леща огъва светлинен лъч. Всъщност човечеството ще получи гигантски телескоп със Слънцето като обект, с помощта на който ще бъде възможно да се види релефът, очертанията на континентите и облачната покривка на далечни екзопланети, например,планети от системата TRAPPIST-1 или Proxima b. Такъв „гравитационен“телескоп ще има увеличение от 1011 пъти, което е подобно на наземен инструмент с диаметър 80 км.
Вячеслав Авдеев