В мире должны существовать миллиарды планет. Почему мы не можем их найти?

По новым оценкам, в Млечном Пути находится шесть миллиардов планет, похожих на Землю. Пока мы нашли только одного потенциального кандидата.

Отредактировано 2023-25-06
Иллюстрация того как может выглядеть землеподобная экзопланетаЗемлеподобные планеты находятся где-то там, скрытые в наших технологических слепых зонах.

В 2009 году космический телескоп "Кеплер" постоянно наблюдал за примерно 200 000 звезд в нашем уголке Млечного Пути. Он искал места, где может существовать жизнь, определяя небольшие каменистые планеты в умеренных зонах теплых желтых солнц и выясняя, насколько Земля особенна в великой схеме вещей. Хотя миссия произвела революцию в изучении экзопланет, эти главные цели остались практически невыполненными. Механическая поломка прервала первоначальное исследование "Кеплера" в 2013 году. Впоследствии астрономы обнаружили в наборе данных лишь одну землеподобную планету.

Десятилетие спустя исследователи наконец-то приблизились к ответам на некоторые вопросы, поставленные "Кеплером". Землеподобные планеты, вероятно, редки, но не чрезвычайно. Согласно новому анализу данных "Кеплера", опубликованному в мае в "Астрономическом журнале", примерно одна из пяти желтых звезд может иметь такую планету. Если выводы исследователей верны, это означает, что Млечный Путь может быть домом для почти 6 миллиардов землян. Однако из 4 000 вероятных экзопланет, которые мы обнаружили, только одна похожа на нашу родную планету. Так где же остальные?

"[Истинно землеподобные планеты] не скрываются сами по себе, просто чувствительность наших телескопов еще недостаточно хороша [для их обнаружения]", - говорит Дирк Шульце-Макух, астробиолог из Берлинского технического университета, Германия, который не принимал участия в исследовании.

Если астрономы хотят найти Землю 2.0, исследование, рассчитывающее частоту таких миров, даст будущим телескопам наилучшие шансы на успех.

В современном контексте экзопланет фраза "похожа на Землю" не обязательно подразумевает бледно-голубую точку. С точки зрения телескопа, никакой точки вообще не существует - только случайное затемнение звезды, когда планета проходит мимо, блокируя крошечную часть ее света. Тем не менее, из этого мерцания исследователям удается извлечь несколько ключевых фактов. Например, глубокие мерцания указывают на гигантские планеты. А частое мерцание - признак планеты, находящейся на быстрой и узкой орбите. Планета заслуживает звания "землеподобной", если эти характеристики помещают ее в так называемую "обитаемую зону" звезды, т.е. зону орбит, где тепло звезды позволяет сохранить воду на поверхности в жидком состоянии.

Мишель Кунимото, ученый-экзопланетолог, возглавивший недавний анализ, принял одно стандартное определение того, что нужно для того, чтобы быть планетой, похожей на Землю: мир размером от трех четвертей до 1,5 раза больше нашего, вращающийся вокруг звезды, похожей на Солнце ("G-типа"), на расстоянии от 0,99 до 1,7 нашего орбитального расстояния. В нашей Солнечной системе этим критериям удовлетворяет только Земля, Марс слишком мал, а Венера вращается слишком близко для включения в систему.

Миры, отвечающие всем трем требованиям, почти наверняка существуют, как показывает работа Кунимото, которая принесла ей докторскую степень в Университете Британской Колумбии. Но их трудно обнаружить. Потускнение от малых планет трудно заметить. Кроме того, они могут проходить перед своей звездой всего один раз в несколько сотен дней, а астрономам нужно как минимум три транзита, чтобы с уверенностью заявить об их обнаружении. Что еще хуже, желтые солнца вообще редки: они составляют всего 7 процентов от 400 миллиардов звезд в Млечном пути. Подавляющее большинство звезд галактики - это тусклые красные карлики, которые могут искупать ближайшие планеты в смертоносных вспышках.

Планировщики миссии не знали этого при запуске, но у "Кеплера" почти не было шансов завершить первоначально запланированный поиск. Чтобы найти три транзита медленных планет, вращающихся у внешнего края пригодных для жизни зон своих солнц, телескопу пришлось бы непрерывно смотреть на один и тот же участок неба в течение более семи лет. Но его механизм наведения сломался через четыре года - достаточно долго, чтобы найти планеты только примерно во внутренней половине умеренных зон их звезд.

Более того, "Кеплер" был разработан с учетом нашего Солнца. Но наша звезда оказалась особенной не только в этом смысле. Солнце, как правило, довольно тихое", - говорит Кунимото, в то время как звезды "Кеплера" больше трещат от своего внутреннего горения. "По сути, найти землеподобные планеты гораздо сложнее [чем ожидали разработчики миссии]".

Кеплер" предоставил научные результаты в виде огромного количества тысяч экзопланет, в основном массивных гигантов, обнимающих свои звезды-хозяева. Но с тех пор исследователи пытаются сделать выводы о менее эпических, более знакомых мирах, которые "Кеплер" не смог разглядеть. (Kepler 452b, которая на 10% шире Земли и имеет год, который всего на три недели длиннее нашего, является одним из заметных землеподобных исключений).

Новая работа основана на методе, разработанном Дэнли Хсу, астрономом из штата Пенсильвания, в 2018 году. Ранее многие исследователи предполагали, что существует равномерное распределение размеров планет и орбит, но по мере роста популяции экзопланет некоторые виды миров кажутся более распространенными, чем другие. Например, для планет, чей год короче 100 (земных) дней, многие из них на 50% шире Земли, а многие - на 150%, но лишь немногие из них вдвое больше нашей планеты. Чтобы учесть эти необъяснимые странности, Хсу и Кунимото разбили данные "Кеплера" на множество различных категорий по размеру и орбите и проанализировали их все более независимым образом. Кунимото пошла еще дальше и составила свой собственный список кандидатов в экзопланеты, не полагаясь на официальный каталог.

В итоге Кунимото пришла к выводу, что землеподобная планета может находиться вокруг одной из примерно каждых пяти солнцеподобных звезд. Однако она подчеркивает, что эта цифра представляет собой верхний предел, и что миры вполне могут быть несколько реже. Ее результаты отражают формирующееся общее мнение о том, что соотношение Земли и Солнца в местном Млечном Пути должно находиться в пределах 1:10. Эта цифра остается несколько приблизительной, признает Кунимото, но она более жесткая, чем широкие диапазоны, опубликованные ранее, которые предполагали от одной Земли на пятьдесят Солнц до двух Земель, вращающихся вокруг каждого отдельного Солнца.

Шульце-Макуч называет эту оценку "разумной" и говорит, что такого рода исследования дают нам ценный взгляд на ответы на непознаваемые вопросы, такие как "является ли наша Солнечная система типичной или это своего рода фрикционная система".

Однако он предостерегает от того, чтобы давать волю воображению, представляя галактику, кишащую миллиардами голубых и зеленых, усеянных облаками шаров. Ограниченные критерии орбиты, размера и типа звезды мало что говорят о том, есть ли у планет защитная атмосфера и магнитная защита, вода или материалы, необходимые для зарождения жизни.

Оценки, подобные оценкам Кунимото, могут также определить будущие миссии и дать им больше шансов найти больше землеподобных планет, чем было у "Кеплера". Чем чаще будут встречаться такие планеты, тем больше планировщики миссий смогут сосредоточиться на разработке приборов для тщательного изучения отдельных миров, а не на более широких исследованиях.

Шульце-Макуч надеется, например, что "Кеплеры" будущего будут оснащены "звездными тенями", которые заслоняют звезды и позволяют снимать экзопланеты как отдельные пиксели, по изменениям которых можно судить о смене времен года или наличии ледяных шапок. Такие инновации могут сузить определение исследователями того, что значит быть планетой, похожей на Землю, но он предсказывает, что до однозначного открытия настоящей Земли 2.0 - той, на которой есть жизнь - еще далеко.

"Если мы просто используем технологию, которая у нас есть сейчас", - говорит он, - "кажется, что мы находимся на расстоянии светового года".