Гипотетическая звездная система с 416 планетами в зоне обитаемости

Детство Фрэнка Дрейка пришлось на 1930-е. Он рос в Чикаго, и его родители, убежденные баптисты, отдали его в воскресную школу. В восьмилетнем возрасте он уже подозревал, что и его церковь, и другие религии, существующие в мире, в определенной степени сформировались под влиянием окружающей среды – то есть, возникли в качестве ответа на те или иные локальные случайные события. Он подумал, что такие же механизмы могут действовать и на уровне цивилизаций, определять развитие людей и, возможно, инопланетян – но полагал, что о таких идеях лучше помалкивать.

Правда, вскоре все изменилось. Повзрослев, Дрейк основал организацию S.E.T.I., занимающуюся поиском внеземного разума, и предложил простой способ оценить, сколько в нашей Галактике может быть цивилизаций, которые мы потенциально можем «услышать». Он составил уравнение со следующими переменными:

(количество цивилизаций, готовых выйти на контакт, в галактике Млечный Путь)

  = R (скорость звездообразования)

  × NЗемл (доля звезд, в чьих системах есть землеподобные планеты, а орбиты этих планет подобны земной)

  × Fжизнь (доля этих планет, на которых разовьется жизнь)

  × Fразум (доля планет из предыдущего множества, но которых разовьется разумная жизнь)

  × Fкомм (доля цивилизаций, которые окажутся способны на коммуникацию)

  × L (средняя продолжительность существования цивилизации)

Если коротко, N = R × NЗемл × Fжизнь × Fразум × Fкомм × L. Чтобы определить значение N, мы просто должны знать все прочие числа.

Нам известно, что в галактике Млечный Путь ежегодно образуется примерно две новые звезды, так что число R нам известно – вот, собственно, и все. Мы не представляем, насколько распространены жизнь, разум и цивилизации, способные выйти на контакт. При этом, тогда как наш пример уже может наводить на мысли, что в среднем цивилизация может существовать очень долго, об этом у нас также нет никаких данных.

Но мы делаем успехи в оценке показателя NЗемл. Первая экзопланета, похожая по размеру на Землю, была открыта в 2010 году. Благодаря, в основном, работе космического телескопа «Кеплер», сконструированного NASA, сегодня известны сотни землеподобных миров, а также горстка более мелких планет, по размеру напоминающих Марс и Меркурий.

Основная миссия «Кеплера» была в том, чтобы оценить, насколько распространены землеподобные планеты, обращающиеся на «примерно земном» расстоянии от звезд, похожих на Солнце. Но это всего лишь NЗемл для звезд, похожих на наше Солнце. Значение NЗемл для звезд других типов может быть иным. К сожалению, к 2013 году «Кеплер» потерял два маховика, критически важных для наведения телескопа. На этом его исходную миссию пришлось свернуть, но к тому времени уже был накоплен четырехлетний массив данных. У Кеплера хорошая статистика по планетам, обращающимся вокруг своих звезд на условно «меркурианских» орбитах, а вот по «землям» статистика хуже. Приплыли. (Несколько лет спустя «Кеплер» удалось перезапустить в режиме K2, в котором он по-прежнему может находить планеты, но без возможности измерить NЗемл.)

Зона обитаемости – это «кольцо» вокруг звезды, в пределах которого природные условия благоприятствуют существованию жидкой воды на поверхности планет. Именно эти планеты учитываются в NЗемл. Но у разных звезд зоны обитаемости тоже разные. Красные карлики более тусклые и прохладные, чем наше Солнце, и у них зона обитаемости приближена к звезде, а у ярких и горячих звезд – наоборот, отдалена. За время «Кеплер» позволил успешно определить NЗемл для красных карликов. У таких звезд зона обитаемости находится примерно в районе меркурианской орбиты, которые у них как раз легко измерять. Минимум каждый шестой красный карлик, и максимум половина из них обладают хотя бы одной планетой земного типа в зоне обитаемости. Внушительно, красные карлики!

В 2017 году была открыта знаменитая семипланетная система TRAPPIST-1. Ее звезда – просто малютка, всего 8% по массе от нашего Солнца, в 2000 раз более тусклая, по размеру сравнима с Юпитером. Все семь планет из TRAPPIST-1 по размеру примерно такие же, как Земля, при этом их орбиты расположены исключительно близко к звезде. Самое интересное, что как минимум три из них – а может быть, даже четыре или все пять, находятся в зоне обитаемости этой звезды. Если планетные системы у всех звезд построены как у TRAPPIST-1, то NЗемл может составлять 3. Еще один нюанс заключается в том, что, если в системе TRAPPIST-1 есть жизнь, то она должна естественным образом распространяться между планетами. Такое компактное орбитальное расположение благоприятствует панспермии. Если астероид или комета попадут на одну из потенциально жизнепригодных планет в системе TRAPPIST-1, то часть осколков этого небесного тела рассеется по остальным шести, и на них выпадут «космические семена».

Сравнение системы TRAPPIST-1 с внутренней частью нашей Солнечной системы и с большими спутниками Юпитера. Источник: NASA/JPL-Caltech
Сравнение системы TRAPPIST-1 с внутренней частью нашей Солнечной системы и с большими спутниками Юпитера. Источник: NASA/JPL-Caltech

Здесь интересно отметить: NЗемл больше единицы. Поэтому логично задуматься: а могут ли существовать супер-TRAPPIST-1-подобные системы, где в зоне обитаемости располагаются не три-четыре, а 10-20 планет? Каково наибольшее количество планет, которые могут уместиться в зоне обитаемости звезды? На этот вопрос есть точный ответ. Поскольку известно, как действует гравитация, и как развиваются орбиты, у нас есть инструментарий, позволяющий по принципу «как селедки в бочке» подсчитать, сколько планет может стабильно удерживаться в зоне обитаемости звезды.

Нужно выбрать, звезда какого типа нас интересует (но это не так важно), и планеты какого размера должны вокруг нее обращаться. Таким образом, задача подразделяется на две: во-первых, насколько широка зона обитаемости? Во-вторых, насколько плотно могут быть расположены орбиты планет?

Зона обитаемости – феномен гораздо более сложный, чем кажется на первый взгляд. Принадлежность к ней зависит от того, из чего состоит сама планета, ее атмосфера, а также от толщины этой атмосферы. Согласно имеющимся моделям, Земля находится близ внутренней границы солнечной зоны обитаемости, которая простирается от 95% радиуса земной орбиты и далее за орбиту Марса (это означает, что, будь Земля на орбите Марса, на Земле и там могла бы сохраняться жидкая вода!) Если атмосфера как следует удерживает тепло, то внешняя граница зоны обитаемости может проходить и гораздо дальше от звезды. Более того, в некоторых ситуациях жидкая вода может сохраняться даже на блуждающих планетах, оказавшихся в межзвездном пространстве. Однако, в таких случаях жизнь могла бы сохраниться только под толстым слоем газа (или льда), поэтому мы вряд ли смогли бы ее обнаружить.

Есть два варианта расположения планетарных орбит. Орбиты соседствующих планет могут вступать в резонанс, как в TRAPPIST-1 и еще в некоторых известных системах. То же самое справедливо для компактно расположенных крупных спутников Юпитера. Другие планеты могут быть вне резонанса – это справедливо для большинства известных планет типа «суперземля» и планет нашей Солнечной системы. Резонанс попросту означает, что орбиты планет, близко соседствующих друг с другом, время от времени перестраиваются. Резонанс описывается соотношением целых чисел. Например, резонанс 2:1 означает, что на каждый виток одной планеты вокруг звезды приходится два витка другой планеты, расположенной ближе к звезде.

Вот красивая гифка, демонстрирующая резонанс между спутниками Юпитера. Если расстояние между планетами определяется резонансами, то массы этих планет роли не играют. Резонансы вида 2:1 и 3:2 означают, что расстояния между орбитами сравнительно велики по сравнению с аналогичными орбитами, планеты на которых находятся в резонансах 7:6 или 9:8. Естественно, не все резонансы стабильны. При расстоянии между орбитами примерно как в TRAPPIST-1 (резонансы 3:2) в зоне обитаемости с успехом умещаются четыре орбиты.

Расстояние между планетарными орбитами в зоне обитаемости звезды с массой в половину солнечной. В такой системе зона обитаемости простирается от 0,2 до 0,4 астрономической единицы (а.е.; 1 а.е. – это 150 000 000 километров, расстояние от Земли до Солнца). Здесь любая пара орбит находится в резонансе 3:2, примерно как в системе TRAPPIST-1. Источник: Шон Рэймонд/planetplanet.net
Расстояние между планетарными орбитами в зоне обитаемости звезды с массой в половину солнечной. В такой системе зона обитаемости простирается от 0,2 до 0,4 астрономической единицы (а.е.; 1 а.е. – это 150 000 000 километров, расстояние от Земли до Солнца). Здесь любая пара орбит находится в резонансе 3:2, примерно как в системе TRAPPIST-1. Источник: Шон Рэймонд/planetplanet.net

С другой стороны, если планеты не разделены резонансами, то важны массы этих планет. Ниже приведен пример максимально компактной укладки орбит в зоне обитаемости, вмещающей три планеты с различными массами. Для планет с массами, близкими к марсианской (примерно в 10 раз легче Земли), в зоне обитаемости удается разместить 14 планет, но, если масса планет близка к нептунианской (в 10 раз тяжелее Земли), в той же зоне обитаемости умещается всего три планеты.

В той же ситуации, что описана выше, количество орбит, умещающихся в зоне обитаемости, зависит от масс планет.  Источник: Шон Рэймонд/planetplanet.net
В той же ситуации, что описана выше, количество орбит, умещающихся в зоне обитаемости, зависит от масс планет. Источник: Шон Рэймонд/planetplanet.net

В зоне обитаемости может уместиться четырнадцать планет с марсианскими массами, но Марс – безжизненная скала (как минимум, в настоящее время). Чтобы на протяжении миллиардов лет удерживать атмосферу и подпитывать тектонику плит, планета должна быть чуть крупнее, пожалуй, как минимум 30% массы Земли. Поэтому, планеты вполовину массы Земли кажутся хорошим «компромиссом» по показателям компактности расположения орбит и потенциальной жизнепригодности.

Здесь – еще два нюанса. Во-первых, две планеты могут обращаться вокруг звезды по одной орбите. Это так называемые «подковообразные орбиты». В результате количество планет, которые можно уместить на заданных орбитах, почти удваивается.

Планеты с разными массами, уложенные в зону обитаемости; здесь есть и пары планет, расположенные на подковообразных орбитах
Планеты с разными массами, уложенные в зону обитаемости; здесь есть и пары планет, расположенные на подковообразных орбитах

Второй нюанс – двойные планеты. Наша Луна примерно вполовину меньше Земли, а Харон и Плутон почти одинакового размера. Совершенно логично представить две Земли, обращающиеся одна вокруг другой. Это выглядело бы примерно так:

Двойная Земля. Землеподобная планета и примерно такой же естественный спутник обращаются вокруг общего центра масс. Планеты постоянно обращены друг к другу одним и тем же полушарием. Источник: Wikicommons
Двойная Земля. Землеподобная планета и примерно такой же естественный спутник обращаются вокруг общего центра масс. Планеты постоянно обращены друг к другу одним и тем же полушарием. Источник: Wikicommons

Учитывая все вышесказанное, можно выстроить потрясающую Солнечную систему. Вот как она могла бы выглядеть:

Максимально уплотненная Солнечная система, где вся зона обитаемости заполнена планетами. Источник: Шон Рэймонд/planetplanet.net
Максимально уплотненная Солнечная система, где вся зона обитаемости заполнена планетами. Источник: Шон Рэймонд/planetplanet.net

В зоне обитаемости – шесть стабильных орбит. На каждой из них по четыре планеты; это пары Земля-Земля, расположенные на подковообразных орбитах по две пары на каждой. Такая структура стабильна и позволяет уместить в зоне обитаемости 24 планеты. Только представьте, какая панспермия могла бы твориться в такой системе. Если бы жизнь зародилась хотя бы на одной планете, то импактные осколки определенно разнесли бы жизнь по всей системе. В естественных условиях образование такой системы крайне маловероятно, но все ее детали в принципе осуществимы и могли бы сложиться. Фокус в том, что все они должны были бы совпасть в пределах одной звездной системы.  

Что насчет Максимально Уплотненной Солнечной системы 2 или 3? Оказывается, на эту тему есть множество вариаций. Опираясь на теорию формирования планет, можно конструировать планетарные системы всевозможных форм и размеров. И эта кроличья нора глубока (хотите – убедитесь сами).

Я же перейду к пышной коде. Воспользовавшись парой фокусов из области орбитальной динамики, мне удалось собрать систему, в зоне обитаемости которой находится 416 планет.

Эта система совершенно стабильна – я все лишний раз проверил при помощи компьютерной симуляции. Но вы бы знали, как непросто было ее собрать. Если такая система и существует, то сконструировать ее могла только сверхразвитая цивилизация.

Представьте, какие истории могли бы разворачиваться в таких Солнечных Системах! У каждой двойной планеты найдется планета-соседка, видимая в небе как крупная луна. В ночном небе открывается подлинное изобилие блуждающих звезд – это другие планеты, бегущие по своим орбитам вокруг той же звезды.

Вернемся к NЗемл. Мы, астрономы, очень рады сообщить, что, согласно имеющимся измерениям, до половины звезд в Млечном Пути могут иметь в своих зонах обитаемости землеподобные планеты (NЗемл достигает 50% для красных карликов – а именно таких звезд в Галактике больше всего). TRAPPIST-1 – отличный пример, показывающий, что одной планетой дело не ограничивается, ведь в зоне обитаемости в этой системе целых три планеты. Но я надеюсь, что найдутся сверхобитаемые системы, где жизнь возможна на 10, 20 или сотнях потенциально жизнепригодных планет. Определенно, вероятность найти такую систему очень мала, но, учитывая, что в нашей Галактике пятьсот миллиардов звезд, такие системы наверняка стоит поискать!

 

Источник

Читайте также

Меню