31 июля космический телескоп TESS обнаружил ближайшую к Солнцу суперземлю — GJ 357 d. Астрономический объект расположен на расстоянии 31 светового года от нашей планеты, а предварительный анализ его атмосферы показал наличие в ней воды. Это значит, что суперземля может быть обитаема. Кажется, что гипотезу о наличии жизни на планетах, которые больше Земли, но меньше газовых гигантов, теперь проверить проще, чем когда-либо прежде. «Хайтек» рассказывает, что наука знает о суперземлях, какова вероятность существования на них жизни и почему открытие TESS может продвинуть науку об экзопланетах далеко вперед.
В марте 2009 года НАСА запустило орбитальный телескоп Kepler — охотник за экзопланетами, задачей которого были поиск и классификация их в удаленных звездных системах. Аппарат обнаружил несколько тысяч экзопланет и впервые ответил на вопрос о соотношении тел различного размера во Вселенной.
Миссия показала, что маленькие планеты встречаются гораздо чаще, чем большие. Самым распространенным типом оказались объекты размером немного больше Земли и меньше Нептуна — суперземли.
Несмотря на то, что суперземли являются обычным явлением, ни в нашей части Млечного пути, ни в Солнечной системе нет ни одной из них. Поэтому парадоксальным образом самый распространенный класс планет в нашей галактике остается наименее изученным.
Почему суперземли так сложно изучать?
У астрономов есть несколько гипотез относительно строения суперземель. Такие экзопланеты могут быть похожи на Землю с каменистой структурой, атмосферой и жидким ядром. Вероятно, по классификации они находятся ближе к Нептуну, то есть обладают большим ледяным ядром, окруженным оболочкой из водорода и гелия. Или это может быть водный мир — скалистое ядро, окруженное водным покровом. Возможно, у них есть атмосфера, состоящая из водяного пара.
Чтобы определить химический состав планеты, астрономы анализируют звездный свет, который проходит через ее атмосферу. Молекулярные частицы, присутствующие в атмосфере, поглощают свет на определенных длинах волн, а телескопы Hubble и Spitzer способны зафиксировать этот процесс, увидев планету и ее атмосферу на разных длинах волн, и определить, какие химические вещества на ней присутствуют.
Эта техника на сегодняшний день позволила проверить больше трех десятков планет. Ученые, например, установили, что в атмосфере гигантских газовых экзопланет, известных как горячие юпитеры, присутствуют вода, водород и гелий, — а, возможно, также углекислый газ и метан.
Горячие юпитеры
Это класс экзопланет с массой порядка Юпитера, которые проще всего обнаружить — они вращаются вокруг своих звезд на расстоянии всего в 0,05 а. е. и вносят заметные короткопериодические возмущения в движение звезды. Из-за близкого расположения к звезде такие объекты чаще всего нагреты в диапазоне от 730 °C до 1 230 °C, поэтому существование жизни на них не представляется возможным.
Однако с суперземлями ситуация сложнее. Хотя астрономам известно о существовании около сотни объектов этого класса, лишь немногие находятся близко к Земле. На орбите достаточно ярких звезд, чтобы изучить их с помощью существующих телескопов.
Астрономы уже предпринимали попытки?
Да. Первой суперземлей, атмосферу которой исследовали астрономы, была GJ 1214 b в созвездии Змееносца. Прежде чем исследовать атмосферу, ученые выяснили, что астрономическое тело имеет среднюю плотность. Это значит, что она не полностью скалистая, как Земля, а может представлять собой планету-океан или нептуноподобное тело с каменистым ядром, покрытым газовой оболочкой.
Чтобы определить ее строение, исследователи попытались изучить атмосферу GJ 1214 b. Концентрация в ней водорода и гелия свидетельствовала бы о том, что планета больше похожа на Нептун, а воды — о том, что она представляет собой планету-океан.
С помощью телескопа Hubble астрономы в течение нескольких лет наблюдали за GJ 1214 b с помощью света, пропущенного через ее атмосферу. Однако каждый раз спектр возвращался без особенностей. Это значит, что в атмосфере суперземли не удалось обнаружить ни водорода, ни воды, ни каких-либо других химических соединений. Исходя из этого, исследователи заключили, что ее атмосфера слишком плотная, чтобы ее можно было исследовать с помощью существующих телескопов.
Спустя несколько лет те же исследователи приступили к изучению суперземли HD 97658 b, расположенной в созвездии Льва. С помощью Hubble астрономы попытались измерить уменьшение света. Важно было сделать это, когда планета проходила перед своей родительской звездой в диапазоне длин волн инфракрасного излучения, чтобы обнаружить небольшие изменения, вызванные водяным паром в атмосфере планеты.
Однако диапазон вновь вернулся без особенностей. Дело в том, что либо ее атмосфера такая же плотная, либо в ней отсутствует водород. Во втором случае атмосфера может быть настолько слабой или компактной, что концентрации водорода и водяного пара в ней очень малы. С существующей чувствительностью телескопов определить их сигнатуры невозможно. Таким образом, предпринятые астрономами попытки определить строение суперземель и установить вероятность, с которой на них может существовать жизнь, не увенчались успехом. Вероятно, большой шаг в этом направлении позволит сделать изучение GJ 357 d — самой близкой к Земле суперземли.
Что известно о новой суперземле?
GJ 357 d открыл телескоп TESS — тело расположено на расстоянии 31 светового года от нашей планеты. Объект вместе с двумя другими планетами — GJ 357 c и GJ 357 d — вращается вокруг красного карлика GJ 357, который в три раза меньше Солнца (желтого карлика).
TESS
Телескоп запущен весной 2018 года вместо обсерватории Kepler. Сейчас запасы топлива на ней заканчиваются, в ближайшее время обсерватория прекратит свою работу. TESS, в отличие от Kepler, наблюдает за разными уголками космоса, а не за одним участком. Он также способен обнаружить не только солнцеподобные объекты, но и яркие звезды. За первые полгода работы телескоп обнаружил 280 кандидатов в экзопланеты, статус шести из них позже был подтвержден.
Звезда в системе холоднее и тусклее Солнца, но суперземля вращается вокруг нее в обитаемой зоне — на расстоянии в одну пятую расстояния от Земли до Солнца. Таким образом, планета получает достаточно тепла, чтобы на ней могла существовать жизнь.
GJ 357 d в шесть раз больше нашей планеты, а ее радиус в два-три раза больше земного. Период вращения суперземли вокруг своей звезды составляет 55,7 дней — год на ней длится в 6,5 раз меньше, чем на Земле.
Ученые создали модель экзопланеты на основе имеющихся данных о ней. Моделирование показало, что вода может существовать на ее поверхности в жидкой форме. Исходя их этого, ученые предполагают, что на планете может существовать и жизнь. Внести ясность в этот вопрос позволит дальнейшее изучение суперземли.
Какова вероятность, что на новой экзопланете может быть жизнь?
Ученые пока не дают никаких прогнозов на этот счет, но близость экзопланеты к Земле позволит изучить ее лучше, чем другие объекты такого класса. Однако стоит понимать, что 31 световой год — это все равно очень далеко.
Например, автоматические межпланетные станции Voyager и Voyager 2, которые являются самыми далекими от Земли искусственными объектами, преодолели около 18 млрд км. Они сейчас находятся за пределами гелиопаузы, но до сих пор внутри Солнечной системы. С 1977 года аппараты преодолели расстояние в 120,3 астрономических единиц, или около 0,0019 световых лет.
Кроме того, относительная близость GJ 357 d не гарантирует, что существующим телескопам хватит чувствительности для изучения ее атмосферы.
Нахождение суперземли в обитаемой зоне красного карлика еще не означает, что на ней существуют живые организмы, растения или бактерии. В начале своего жизненного цикла красные карлики куда ярче и горячее. Даже если изначально на экзопланете и были пригодные для жизни условия, она могла уже слишком нагреться к тому моменту, когда там теоретически могла зародиться жизнь.