Почему в жизнь на ближайшей открытой экзопланете остается только верить и как открытие Проксимы b подстегнет развитие астрономии, рассуждает доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Института ядерных исследований РАН, главный редактор газеты «Троицкий вариант — Наука» Борис Штерн.
Эпоха великих географических открытий давно закончилась, но последние полвека нечто подобное происходит в астрономии: квазары, пульсары, черные дыры, темная материя, темная энергия, экзопланеты. В новом тысячелетии экзопланеты пошли косяком: их открыто уже три с лишним тысячи, а если добавить «кандидатов» из каталога космического телескопа Kepler, то пять с лишним тысяч.
Но среди этого изобилия время от времени попадаются экземпляры, будоражащие воображение. Самое волнующее открытие сделано летом этого года: у звезды Проксима Центавра обнаружена планета.
Данные, демонстрирующие открытие Проксимы b. По горизонтальной оси – фаза орбитального периода (11.2 дня), выраженная в земных сутках. По вертикальной оси – лучевая скорость звезды (т.е. скорость в проекции на луч зрения). Колебания лучевой скорости возникают из-за того, что звезда с планетой вращаются вокруг общего центра тяжести. Такой метод поиска планет у звезд называется «спектрометрическим», именно этим методом были открыты первые экзопланеты. Красные точки – результаты измерений 2016 года, когда были сведены к минимуму систематические ошибки. Остальные точки – более ранние измерения, уже по ним можно было видеть планету, но не настолько надежно.
Все, что нам на сегодняшний день напрямую известно об этой планете, получившей название Проксима b, выводится из этого рисунка: период ее обращения вокруг звезды 11,2 дня, масса не меньше 1,3 массы Земли. Конкретное значение массы зависит от неизвестного угла наклона орбиты к лучу зрения: может быть и 5, и 10 масс Земли, но вероятность этого невелика.
Размер орбиты в 20 раз меньше, чем у Земли, — 0,05 астрономической единицы.
При этом по своей «цене» Проксима b перевешивает пару тысяч других открытых экзопланет, взятых наугад. Дело в том, что:
— Проксима Центавра — ближайшая к нам из звезд (4,2 светового года);
— Проксима b находится в «зоне обитаемости», то есть она получает столько тепла (70% от обогрева Земли), что на ней в принципе могут существовать жидкая вода и все необходимое для жизни;
— Планета близка к Земле по массе и, видимо, по составу.
Этого вполне достаточно, чтобы открытие стало сенсацией: под боком у нас (на самом деле четыре световых года — безумно далеко) есть планета, потенциально пригодная для жизни. Уже вышло несколько статей, посвященных планете. В их числе обзор довольно представительной сборной команды планетологов.
Все захватывающе интересно и в то же время драматично. Драма заключается в том, что планета может быть и хорошая, но звезда плохая. Проксима Центавра — красный карлик, его масса 0,12 массы Солнца, светимость 0,0017 солнечной, возраст 4,8 млрд лет.
Увы, красные карлики, несмотря на их гигантский век (сотни миллиардов лет), плохо приспособлены к роли приюта жизни.
Тут играют роль сразу три обстоятельства:
— В отличие от звезд типа Солнца, красные карлики сильно меняют яркость на своем веку. Первые миллионы лет они очень ярки — в сотни раз ярче, чем в установившемся режиме. Это значит, что там, где сейчас зона обитаемости, вначале при рождении планет было слишком жарко и сухо.
— Из-за слабой светимости зона обитаемости находится близко к звезде, где сильны приливные силы (тяготение пропорционально 1/R2, а приливная сила — 1 /R3). Из-за этого планета попадает в так называемое приливное замыкание: либо повернута одной стороной к звезде, либо, если повезет и орбита слегка вытянутая, попадает в резонанс 3:2 — сутки на планете равны двум годам, то есть двум периодам обращения вокруг звезды. В таком резонансе находится Меркурий;
— Красные карлики имеют очень активную магнитосферу со всеми связанными с ней «прелестями»: сильное рентгеновское и ультрафиолетовое излучение, мощные вспышки, сильный звездный ветер.
Активность возникает из-за того, что у таких звезд есть толстый слой, где энергия из центра наружу может переноситься только путем конвекции. Конвекция генерирует хаотическое магнитное поле, которое и вызывает вышеперечисленные явления. У Солнца тоже есть конвективная зона, но не столь глубокая.
В большинстве статей, вышедших с момента объявления об открытии, авторы все-таки стараются найти лазейки — нарисовать сценарий, когда планета выдерживает роковые обстоятельства и остается гостеприимной для жизни (см., например, эту).
Прежде всего, планете нужно достаточно воды и атмосферных газов. С водой проблема: когда формировалась планета, звезда светила на два порядка ярче и загнала всю воду на периферию протопланетного диска, примерно на астрономическую единицу или около того. Вода на планете может появиться только из пространства дальше снеговой линии: из области, где сохранились глыбы льда. Земля тоже получила воду из-за снеговой линии, которая у нас находится на уровне пояса астероидов. Здесь сильно помог Юпитер, возмущая орбиты ледяных тел, часть из которых упали на Землю. Но у Проксимы Центавра нет юпитера (его бы нашли тем же методом), а требуемые возмущения орбит для питания Проксимы b оказываются гораздо больше и необходимая «прицельность» выше.
Но есть выход! Проксима b могла образоваться гораздо дальше от звезды — за снеговой линией, набрать там много воды и впоследствии мигрировать к звезде. Мы точно знаем, что планеты могут мигрировать: это демонстрируют «горячие юпитеры», гигантские планеты на тесных орбитах, где они никак не могли образоваться. Такой сценарий подтверждается численным моделированием — люди считали на суперкомпьютерах, как эволюционирует протопланетный диск, как в нем рождаются планеты и что с ними происходит потом.
Ответ положителен: рождение планеты за снеговой линией с последующей миграцией ближе к звезде — распространенное явление.
Если есть вода и углекислый газ с его парниковым эффектом, то приливное замыкание не так уж страшно: тепло эффективно переносится с дневной на ночную сторону.
Если замыкание произошло в форме резонанса 3:2 (сутки равны 22,4 земных), то все становится еще лучше: в широкой области параметров (количество воды на поверхности и СО2 в атмосфере) на всей планете может существовать жидкая вода в виде озер или океана.
Главное, чтобы были вода и газы, но как раз с этим требованием не все так просто. Допустим, планета с рождения имеет воду и хорошую атмосферу. Как сказано выше, Проксима Центавра очень активна — испускает интенсивное жесткое излучение и сильный звездный ветер. Излучение само по себе не так страшно — толстая атмосфера служит хорошей защитой от него.
Хуже то, что это излучение и особенно звездный ветер истощают атмосферу, «обдирают» ее.
Наша атмосфера защищена магнитным полем Земли. Солнечный ветер не проникает в земную магнитосферу, обтекая ее, как вода речной валун, лишь слегка ее деформирует. Но в случае Проксимы b ветер гораздо сильнее, а магнитное поле, возможно, слабее. Дело в том, что планетарное поле связано с вращением планеты, а Проксима b вращается много медленней Земли. Ветер может «прогнуть» слабую магнитосферу до верхних слоев атмосферы и постепенно «сдуть» атмосферные газы и через водяной пар — все океаны и озера планеты.
Расчеты показывают, что за истекшие миллиарды лет атмосфера и океаны могли быть выметены звездным ветром многократно.
Но и здесь остается надежда. Во-первых, у Проксимы b все-таки может существовать приличное магнитное поле — планета большая, и в ней, скорее всего, сильна конвекция, та, что дает на Земле дрейф континентов. А конвекция — составная часть механизма генерации планетарного поля. Во-вторых, возможны сложные защитные механизмы — например, генерация дополнительного магнитного поля за счет взаимодействия ветра. Такое поле может играть роль экрана.
Так или иначе, есть отягчающие обстоятельства, но есть и надежда. Нам повезло: Проксима Центавра, будучи заурядным красным карликом, преподнесла нам хороший подарок, пробуждающий в широкой публике интерес к окружающей Вселенной и дающий хороший стимул для развития технологии астрономических наблюдений.
Проксима b поднимает целый ряд вопросов, которые не вмещаются в одну заметку: каковы перспективы наблюдений новооткрытой планеты, сможем ли мы в обозримом будущем выяснить, есть ли у планеты атмосфера и жидкая вода, смогут ли люди послать туда (или на другие многообещающие экзопланеты) зонды. И, чем черт не шутит, может быть, даже колонизовать их когда-то (см., например, «Ковчег 47 Либра», хотя это уже чистая фантастика). Так что продолжение следует.
