Астрономы обнаружили более 4 000 планет, обращающихся вокруг далеких звезд, но ни одна из них не чувствует себя как дома. Планета Тигарден b имеет подходящий размер, но она обращается вокруг своей тусклой карликовой звезды всего за пять (земных) дней. Kepler-452 b требуется привычные 385 дней, чтобы завершить орбиту вокруг своей звезды, похожей на Солнце, но, похоже, это громоздкий "суперземлянин", гораздо более массивный, чем камень, который мы называем своим домом. Где и существуют ли вообще настоящие двойники Земли, остается одной из главных загадок астрономии.
Хотя современные космические телескопы не обладают идеальными навыками для обнаружения Земли 2.0, астрономы начинают понимать, как часто подобные миры могут появляться в космосе. Объединив последние данные космического аппарата НАСА по обнаружению экзопланет "Кеплер" с другими недавними исследованиями, группа астрономов рассчитала самую сильную оценку: По их мнению, посетив от трех до трех десятков солнечных систем, вы, скорее всего, встретите хотя бы одну Землю. Они надеются, что их результаты помогут разработать телескопы для поиска экзопланет, а также понять вероятность существования жизни в том виде, в котором мы ее знаем, в других местах.
"Существует ли возможность существования другой жизни во Вселенной?" - спрашивает Дэнли Хсу, аспирант Пенсильванского университета и соавтор исследования. "Попытка оценить частоту появления землеподобных планет вокруг звезд, похожих на Солнце, - один из способов ответить на этот вопрос".
Выявление одного из них в горстке - совсем другое дело.
В настоящее время НАСА наблюдает за экзопланетами с помощью спутника Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS), который ищет характерное затемнение звездного неба, указывающее на прохождение планеты перед своей звездой. Его камеры охватывают большую часть неба, определяя приоритетность близлежащих солнечных систем, достаточно близких для того, чтобы космический телескоп Хаббл и готовящийся к запуску космический телескоп Джеймса Вебба (JWST) могли рассмотреть их поближе.
TESS уже обнаружил более 1 000 потенциальных планет ("кандидатов"), и НАСА ожидает, что он найдет еще около 20 000 планет. Из них, возможно, 500 будут размером с Землю, но почти ни одна не будет похожа на Землю. Астрономы должны заметить три затемнения, или транзита, чтобы быть уверенными, что перед ними орбитальная планета (а не случайное облако пыли или мерцание), поэтому частое сканирование TESS дает ему время найти только те планеты, которые облетают вокруг своей звезды за несколько дней или недель, а не лет.
Спутник также нацелен на холодные красные карликовые звезды. Они намного превосходят по числу более яркие звезды типа G, такие как наше Солнце, что делает их отличным объектом для огромного скопления экзопланет, но они могут оказаться непригодными для жизни. Чтобы вращаться внутри так называемой обитаемой зоны, где планеты получают достаточно энергии, чтобы вода не замерзла и не закипела, планетам приходится ютиться прямо рядом со звездой на территории, которую мы можем считать территорией Меркурия.
Однако называть эти зоны Златовласки карликовых звезд "пригодными для жизни" - значит быть оптимистом. На планетах там могут быть приятные температуры, но близкая звезда также будет обдавать их ультрафиолетовым излучением и солнечными вспышками, которые могут разрушить атмосферу и поджарить зарождающиеся микробы. Организмы могут найти способы выживания, но им придется проявить изобретательность.
Предыдущий флагманский космический аппарат НАСА для поиска экзопланет, "Кеплер", был настроен на более яркие, похожие на Солнце звезды. В течение многих лет он не мигая смотрел на один и тот же участок неба размером с Луну, собирая световые провалы, необходимые для идентификации экзопланет. Однако примерно через четыре года, когда "Кеплер" наблюдал уже достаточно долго, чтобы начать улавливать третьи и четвертые транзиты звезд, проходящих по орбите за сотни дней, сломалась деталь, необходимая для поддержания стабильности аппарата.
"К сожалению, мы пропустили это окно", - говорит Хсу, - "потому что космический аппарат погиб как раз тогда, когда мы начали получать все больше и больше похожих на Землю кандидатов".
В результате был составлен каталог, полный разнообразных экзопланет, но ни одной Земли 2.0. В отсутствие убедительных свидетельств наблюдений астрономы обратились к статистическим инструментам, чтобы подсчитать несчетное.
Крис Берк, астроном из Массачусетского технологического института, который ранее работал над миссией Kepler, а теперь участвует в проекте TESS, сравнивает задачу с проведением переписи населения. Вы считаете всех, кого можете, и очень тщательно обдумываете, кого вы не можете охватить и почему. "Ваша перепись никогда не будет полной", - говорит он, - "вы должны понять, где вы упускаете людей".
В случае Хсу и его коллег это означает глубокое понимание сильных и слабых сторон космического аппарата "Кеплер". Теоретически поиск тусклой звезды прост, но на практике приходится беспокоиться о мертвых пикселях, ложных тревогах, бинарных звездах, маскирующихся под планеты, о том, насколько точно вы знаете размер каждой звезды, и о множестве других сложностей. "Каждая из этих мелочей будет влиять на результаты обнаружения, - говорит Берк, - и вам придется научиться определять, какие планеты были выбиты в процессе обнаружения, а какие действительно слишком трудно увидеть".
Команда Пенсильванского университета, недавно опубликовавшая свои результаты в журнале The Astronomical Journal, использовала целый ряд новых наборов данных, чтобы сделать свою оценку наиболее надежной. В отличие от предыдущих исследований, у них был окончательный список экзопланет, составленный "Кеплером", и полная запись тестов, проведенных командой "Кеплера", в которых они вставляли в данные поддельные планеты, чтобы проверить, насколько хорошо работает процесс обнаружения. Они также использовали последние измерения размеров звезд, полученные европейской миссией GAIA, а также инновационные статистические методы. В итоге группа подсчитала, что в лучшем случае на каждые 2,5 звезды, похожие на Солнце, приходится как минимум одна землеподобная планета, а в худшем - на каждые 33 звезды, похожие на Солнце. Хсу считает, что вероятность того, что фактическое среднее значение окажется вне этого диапазона, составляет менее 10 процентов.
Берк, который не участвовал в этом исследовании, но в прошлом публиковал подобные работы, назвал эту оценку "эталоном", но добавил, что другие группы могут продолжить уточнять расчеты в будущем. "Это не окончательный ответ", - говорит он, - "но это определенно шаг, который необходимо было сделать".
Что касается того, когда астрономы действительно найдут одну из этих планет-близнецов, то ни Хсу, ни Берк не ожидают скорого открытия. Хсу отмечает, что эта оценка описывает частоту реальных планет, похожих на Землю, и что число планет, которые пройдут перед своей звездой под нужным углом, чтобы мы их заметили, будет меньше. Он надеется, что исследователи будут строить телескопы следующего поколения с учетом этих реалий. "Мы хотим иметь хорошее представление о том, сколько планет мы ожидаем найти, - говорит он, - чтобы не тратить пару миллиардов долларов на разработку космического аппарата с нулевым выходом".
В следующем десятилетии телескоп WFIRST заменит TESS в качестве самого блестящего охотника за планетами в небесном блоке, который будет искать отпечатки планет в искривлении гравитационных полей звезд. Исследователи ожидают, что этот метод позволит обнаружить громоздкие нептуны, которые вращаются вдали от своих солнц.
Но для настоящего преемника "Кеплера", способного найти настоящего двойника Земли, охотникам за экзопланетами придется подождать, по крайней мере, до 2030-х годов, когда смогут полететь такие концептуальные инструменты, как Large UV Optical Infrared Survey (LUVOIR) и Habitable Exoplanet Imaging Mission (HabEx). Эти гигантские аппараты попытаются сделать снимки экзопланет напрямую, блокируя подавляющий свет звезды-хозяина. Если они переживут стадии планирования, LUVOIR, HabEx или что-то подобное может стать нашим лучшим шансом узнать, насколько уникальна Земля на самом деле.
"Теперь мы знаем, что [землеподобные планеты] существуют", - говорит Берк. "Это просто вопрос использования технологий, чтобы узнать о них больше".