Шансы на внеземную жизнь: что говорит астрономия о её возникновении

Глава из книги «Первый контакт: пришельцы и люди в современной научной фантастике», опубликованной издательством Springer

Вероятность существования жизни за пределами Земли и её возможные проявления: взгляд астронома

Флорис ван дер Так

Likelihood and appearance of life beyond the Earth: An astronomical perspective

Floris van der Tak

Ссылка на публикацию

Аннотация

К 2023 году науке известно свыше 5500 планет, обращающихся вокруг звёзд, отличных от Солнца. Мы умеем определять их размеры и орбитальные периоды, рассчитывать массы и температуры, а также изучать химический состав. Исходя из этих сведений, примерно 1% экзопланет можно считать потенциально пригодными для жизни в привычном нам понимании. Отсюда следует, что среди миллиардов планет нашей Галактики некоторые вполне могут быть населены, по меньшей мере микроорганизмами. Вместе с тем поиск признаков внеземной жизни остаётся для современных технологий непростой задачей: условия на экзопланетах крайне разнообразны, как и формы, которые способна принимать жизнь. В главе подведены итоги наблюдений за экзопланетами, рассмотрены астробиологические определения обитаемости и оценена вероятность обнаружения жизни за пределами Земли — как в Солнечной системе, так и вне её.

Ключевые слова: экзопланеты – обитаемость – биосигнатуры.

1. Введение

Наш мир — это небольшая каменистая планета, обращающаяся вокруг звезды средней величины. В Солнечной системе четыре малые каменистые планеты движутся вокруг Солнца ближе к нему, а четыре газовых гиганта занимают более далёкие орбиты. Планеты заметно отличаются друг от друга размерами, массой и составом — двух одинаковых не существует. Они обращаются вокруг Солнца практически в одной плоскости и в одном направлении, а это указывает на формирование всей системы из единого вращающегося плоского диска — протосолнечной туманности (Сведенборг, 1734; Кант, 1755). Помимо Солнца и основных планет, в Солнечную систему входят как минимум девять карликовых планет (1), более сотни спутников, тысячи известных (и значительно больше пока неоткрытых) комет, миллионы астероидов, а также пылевые частицы, которые мы наблюдаем в виде зодиакального света незадолго до рассвета или вскоре после заката.

(1) Карликовая планета, как и обычная, обращается вокруг звезды и обладает массой, достаточной для почти сферической формы, однако, в отличие от планеты, не способна расчистить окрестности своей орбиты.

Распределение тел по массе обратно их распределению по численности: на долю Солнца приходится 99% массы Солнечной системы, на долю планет — 1%, а вклад остальных объектов в общую массу ничтожен.

Мысль о том, что планеты могут быть и у других звёзд, высказывали ещё Бруно (1584) и Ньютон (1713), а в XIX–XX веках предпринималось немало попыток их найти. Первые поиски экзопланет опирались на астрометрию: обращающаяся планета заставляет звезду периодически смещаться в плоскости неба. Такие смещения удаётся зафиксировать цифровыми камерами космических телескопов (Gaia Collaboration, 2023), но для фотопластинок наземных обсерваторий они были слишком малы. К сожалению, вплоть до 1970-х годов регулярно появлялись ошибочные сообщения об открытии экзопланет (на деле это были погрешности измерений или маломассивные звёзды-компаньоны), и вся область обрела сомнительную репутацию. Первую планету у звезды солнечного типа открыли по периодическому лучевому движению родительской звезды, регистрируемому благодаря эффекту Доплера (2) — методу, пришедшему из поисков маломассивных двойных звёзд (Майор и Кело, 1995).

(2) Эффект Доплера сокращает длину звуковой или световой волны от объектов, приближающихся к наблюдателю: свет смещается в синюю сторону, а звук становится выше. У удаляющихся объектов происходит обратное.

За это открытие в 2019 году была присуждена Нобелевская премия по физике. Лучевое движение звезды тем заметнее, чем массивнее планета и теснее её орбита, поэтому первыми этим способом нашли планеты размером с Юпитер на орбитах, как у Меркурия. Эти объекты получили название «горячих юпитеров» и образуют популяцию, не имеющую аналогов в нашей Солнечной системе.

Наблюдения лучевых скоростей позволили предсказать, что некоторые планеты проходят по диску своей звезды — это явление называется транзитом. Для Меркурия оно случается примерно раз в 10 лет, для Венеры — раз в 100. Первую транзитную экзопланету обнаружили Шарбонно и коллеги (2000), а миссии ESA Corot (2007–2014) и особенно NASA Kepler (2009–2018) поставили этот метод на поток и подарили нам сведения о тысячах экзопланет. В отличие от метода лучевых скоростей, транзитный метод однозначно определяет размер планеты и её орбиты. Как и в первом случае, наблюдаемые транзиты смещены в сторону крупных планет на тесных орбитах.

Первые прямые снимки экзопланет были получены в 2008 году на телескопах Keck и Gemini (Маруа и др., 2008). Сегодня эта техника доступна лишь для крупных планет, достаточно молодых и разогретых, чтобы ярко светиться в инфракрасном диапазоне. Главная трудность — добиться высокого контраста изображения, чтобы свет звезды не заслонял планету. Космические обсерватории здесь в более выигрышном положении: так, обсерватория NASA Roman, запуск которой намечен на 2027 год, сможет находить зрелые газовые гиганты. К другим методам поиска экзопланет относится гравитационное линзирование; обзор см. у Перримана (2018).

К октябрю 2023 года совокупными усилиями всех этих методов было выявлено свыше 5500 экзопланет (NASA, 2023). Вопрос о том, обитаемы ли какие-то планеты в Солнечной системе или за её пределами, волнует человечество столетиями; первые письменные рассуждения на эту тему восходят, например, к Гюйгенсу (1698) и Гершелю (1795). В настоящей работе рассматривается состояние поисков обитаемых миров во Вселенной с астрономической точки зрения.

В разделе 2 описаны наблюдаемые свойства известной популяции экзопланет. Раздел 3 посвящён понятию планетной обитаемости и оценке числа потенциально обитаемых миров. В разделе 4 обсуждаются факторы, ограничивающие обитаемость планет. Раздел 5 рассказывает о поисках жизни за пределами Земли. Раздел 6 подводит итоги и намечает перспективы дальнейших исследований.

2. Наблюдаемая популяция экзопланет

Четверть века изучения экзопланет показала: планет во Вселенной больше, чем звёзд. В среднем на звезду приходится не менее 1,1 планеты, хотя распределение зависит от массы и состава звезды. Планета размером с Юпитер есть лишь у одной звезды из десяти, размером с Нептун — у одной из трёх, а планета размером с Землю в среднем приходится на каждую звезду.

У звёзд с повышенной долей элементов тяжелее гелия, как правило, больше планет-газовых гигантов, что согласуется со сценариями, где планетные ядра наращиваются из тяжёлых элементов; для каменистых же планет такая закономерность не прослеживается (Буххаве и др., 2012).

Малые тела тоже известны у других звёзд: экзокометы обнаружили у β Живописца ещё в 1987 году, до открытия первой экзопланеты (Ферле и др., 1987), а с тех пор их нашли примерно у 30 звёзд методами спектроскопии и/или фотометрии (3) (Стрём и др., 2020), а недавно — и по транзитам (Зиба и др., 2019).

(3) Фотометрия — измерение абсолютной интенсивности источника света; спектроскопия — измерение распределения света по длинам волн.

Пояса астероидов и пылевые облака видны на снимках близких звёзд в ближнем и дальнем инфракрасном диапазоне (Гривз и др., 1998; Калас и др., 2005), а кольцевые системы, возможно, замечены у двух экзопланет (Кенуорти и Мамаек, 2015; Кенуорти и др., 2023). Спутники пока, вероятно, найдены лишь у двух экзопланет (напр., Киппинг и др., 2022), да и эти открытия оспариваются. Столь малое число удивляет: в Солнечной системе спутников в десять раз больше, чем планет, а крупнейшие из них превосходят самые маленькие планеты. Здесь поможет прямое обнаружение экзопланет, например с помощью телескопа Roman: оно позволит наблюдать экзолуны в момент прохождения по диску планеты-хозяйки. Соображения динамической устойчивости говорят, что экзолуны, скорее всего, чаще встречаются у планет с долгими периодами обращения, а для их поиска нужны наблюдательные кампании длительностью в десятилетие и более (Добос и др., 2022). Такие же кампании необходимы, чтобы найти настоящие аналоги нашей Солнечной системы.

Масса и размер — одни из важнейших характеристик экзопланеты. Метод лучевых скоростей даёт лишь нижнюю границу массы, поскольку наклон плоскости орбиты к лучу зрения неизвестен. Если же планета транзитная, её орбита обращена к нам ребром, и при известной массе глубина транзита позволяет определить размер. Современные методы измеряют лучевые скорости с точностью лучше 1 м/с (доплеровское смещение порядка 10^-9 длины волны) и регистрируют транзиты глубиной до 10^-5 от яркости звезды. Массы известных экзопланет лежат в диапазоне от нескольких масс Юпитера до значений меньше массы Земли; подробности см. в NASA (2023). На рис. 1 архитектура Солнечной системы сопоставлена с устройством двух известных экзопланетных систем.

Поиски экзопланет выявили несколько типов миров, которых нет в Солнечной системе. В частности, большинство планет во Вселенной оказались промежуточными по размеру — их масса лежит между массами Нептуна и Земли. Ещё один пример планет без местных аналогов — тела, обращающиеся очень близко к своим звёздам. Газовые гиганты не могут сформироваться рядом со звездой, поэтому существование горячих юпитеров говорит о том, что планеты способны мигрировать на другие орбиты уже после рождения. Этот тип планет, хотя и обнаруживается легко, на самом деле довольно редок: он встречается менее чем у 1% звёзд. С другой стороны, прямые наблюдения выявили планеты, удалённые от своих звёзд в несколько раз сильнее, чем в Солнечной системе, и даже планеты вовсе без звезды — например, свободно парящие объекты размером с Юпитер в Туманности Ориона (Пирсон и МакКриган, 2023). Такие планеты-сироты могли появиться в результате динамического выброса из кратных систем либо в ходе процессов, сходных с рождением маломассивных звёзд.

Температура экзопланеты — ключевой параметр для понимания её физического состояния. Её можно грубо оценить, предположив равновесие между нагревом звёздным светом и остыванием за счёт теплового излучения. Она определяется главным образом светимостью звезды и размером орбиты (оба параметра измеряются), а также альбедо и излучательной способностью планеты, для которых приходится брать ориентировочные значения. Этот подход зависит от предполагаемой скорости вращения и не учитывает ни парниковый эффект (заметный на Земле и очень сильный на Венере), ни внутреннее тепло, оставшееся от формирования планеты (важное для Юпитера и Сатурна) или возникающее при распаде радиоактивных элементов. Данные, необходимые для оценки этих эффектов, для экзопланет обычно недоступны, но для моделей можно сделать разумные допущения. Полученные таким образом температуры охватывают диапазон от значений ниже точки замерзания до значений выше точек плавления горных пород и металлов. Поэтому считается, что на самых тёплых землеподобных планетах и на большинстве найденных планет промежуточного размера поверхность покрыта магматическими океанами, подобными тем, что существовали на Земле на заре её истории. В будущем съёмка экзопланет в нескольких инфракрасных диапазонах позволит напрямую измерять их температуры по излучению.

Средняя плотность экзопланеты — важная подсказка о её составе. Для транзитных планет масса известна по амплитуде лучевых скоростей, а размер — по глубине транзита. Сопоставив их, получаем среднюю плотность; она оказывается в пределах от 0,2 г/см³ (что соответствует чистой газовой смеси водорода и гелия при комнатных температуре и давлении) до 10 г/см³ (как у чистого твёрдого железа без учёта сжатия). Промежуточные значения отвечали бы чистой воде (1 г/см³) или горным породам (3–5 г/см³), но такие планеты, скорее всего, имеют смешанный состав — как Земля с её металлическим ядром и каменистой мантией. Дополнительные сведения о составе можно извлечь из спектроскопии атмосферы планеты (для летучих веществ) и её звезды-хозяйки (для тугоплавких).

Изучать атмосферы экзопланет полезно для понимания их летучего состава, ведь атмосферы доступнее для наблюдения, чем поверхность или недра, хотя состав атмосферы не обязательно отражает состав планеты в целом, как показывает пример Земли. Кроме того, атмосферы помогают понять, как планета формировалась (например, из пыли или из газа) и как развивалась затем (например, мигрировала на другие орбиты или пережила загрязнение при столкновениях с другими телами). Наконец, атмосфера даёт ключ к оценке обитаемости: она способна удерживать летучие вещества, важные для циркуляции и переноса органики, за счёт их конденсации в облака. В Солнечной системе атмосферы есть у всех планет и нескольких спутников, но свойства их сильно различаются.

У Юпитера и Сатурна плотные атмосферы солнечного состава (преимущественно водород и гелий), что указывает на их формирование одновременно с Солнечной системой. Атмосферы Урана и Нептуна, хотя тоже плотные и преимущественно водородно-гелиевые, обогащены конденсирующимися газами (CO₂, H₂O, CH₄), а значит, их рост завершился, когда Солнечная система уже лишилась газа. Каменистые же планеты, напротив, обладают тонкими тяжёлыми атмосферами из CO₂ (Венера и Марс) или N₂ (Земля и крупнейший спутник Сатурна Титан). Эти планеты утратили первичные водородно-гелиевые оболочки (на это указывает дефицит тяжёлых инертных газов) и обзавелись нынешними «вторичными» атмосферами благодаря дегазации магматических океанов (Кайт и Барнетт, 2020) и доставке вещества кометами и астероидами (Броудли и др., 2022). После формирования они заметно изменились: Марс и Венера лишились воды, а атмосфера Земли обогатилась O₂ в результате биогенных процессов. Обзор разделения летучих веществ и процессов при формировании планет см. у Зуэра и др. (2023).

Атмосферы экзопланет можно изучать, если планета наблюдается в транзите или при прямой съёмке. У транзитных планет состав атмосферы определяют, сравнивая спектр во время транзита (когда звёздный свет проходит через атмосферу планеты) со спектром во время затмения, когда планета скрывается за звездой и виден чистый звёздный свет. Между транзитом и затмением в видимом диапазоне наблюдается смесь прямого и отражённого звёздного света, а в инфракрасном — смесь излучения звезды и планеты. Прослеживая эту смесь по ходу орбиты (так называемая фазовая кривая), можно увидеть продольную структуру, например различия между утренней и вечерней сторонами планеты. Похожие сведения дают и транзитные наблюдения с высоким временным разрешением, в частности в моменты входа планеты на диск звезды и выхода с него. Обзор этих методов см. у Кроссфилда (2015) и Деминга и др. (2019); обзор результатов — у Мадхусудхана (2019).

До запуска космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST) в декабре 2021 года было обнаружено около дюжины атомарных и дюжины молекулярных компонентов. Среди главных достижений JWST в этой области — обнаружение SO₂ в WASP-39b (признак активной фотохимии; Цай и др., 2023) и одновременная регистрация CO₂ и CH₄ в K2-18b (Белл и др., 2023). Пока подобные измерения возможны лишь для газовых гигантов; для каменистых планет даже JWST даёт только верхние пределы (Зиба и др., 2023; Грин и др., 2023). Количественный анализ атмосфер экзопланет по-прежнему труден: рассчитанные содержания сильно зависят от выбранной модели фоновой атмосферы.

3. Определения планетной обитаемости

Чтобы установить, какие условия нужны планете для поддержания жизни, следует обратиться к базовым потребностям живых организмов, а для этого необходимо рабочее определение самой жизни. В этом обзоре внимание сосредоточено на жизни в том виде, в каком мы знаем её на Земле: искать неизвестное сложнее, чем знакомое. Вместе с тем поиски альтернативных форм жизни тоже ведутся; недавний обзор см., например, у Кливза и др. (2023).

Хотя растения и животные — самые заметные для нас формы жизни, наиболее распространённой на Земле остаются бактерии и прочие микробы. Основная единица жизни в известном нам виде — клетка, которая осуществляет обмен веществ и размножение и способна к (дарвиновской) эволюции. Чтобы выполнять эти функции, жизни, какой мы её знаем, необходимы четыре базовых условия.

Первое — энергия. Она может поступать в виде тепла (например, на океанском дне, по сути, это остаточное тепло формирования планеты), солнечного света (его используют растения и другие фотосинтезирующие организмы), химической энергии (её используют некоторые бактерии) или готового органического вещества (им питаются животные).

Второе условие — питательные вещества, например для построения клеточных мембран (чтобы отделить организм от внешнего мира) и носителей информации (для размножения). Земные биомолекулы строятся главным образом из шести химических элементов: углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы (вместе их обозначают аббревиатурой CHNOPS). К примеру, молекула ДНК содержит все эти элементы, кроме серы. Многим организмам требуются и другие элементы, такие как железо для связывания O₂ в крови или молибден для высвобождения азота из N₂, но эти потребности не универсальны. Нужда жизни в переходных металлах как катализаторах подчёркивает значение таких планетных процессов, как ограниченная дифференциация и поздняя аккреция (Уэйд и др., 2021).

Набор CHNOPS далёк от перечня самых распространённых элементов Солнечной системы: 99% её массы приходится на Солнце, состоящее из водорода и гелия (Лоддерс, 2003). Он не совпадает и с самыми обильными элементами Земли — железом и кремнием (МакДона и Аревало, 2008), ни с теми, что преобладают в земной коре (Рудник и Гао, 2003). Зато это самые распространённые на Земле летучие элементы, то есть они входят в основном в соединения с низкими температурами кипения и плавления. Именно они преобладают в земных океанах, а их высокая электроотрицательность позволяет им образовывать растворимые соли и молекулы (Миллеро и др., 2008).

Из элементов CHNOPS лишь водород существовал с первых трёх минут жизни Вселенной, когда из субатомных частиц сформировались атомы. Элементы тяжелее лития образовались позже в результате ядерного синтеза в недрах звёзд; элементы тяжелее железа — при взрывах сверхновых, слияниях нейтронных звёзд и других энергичных событиях с мощными потоками нейтронов. В так называемых s- и r-процессах захват одного или нескольких нейтронов сопровождается β-распадом, порождающим новые элементы. Накопление CHNOPS в количестве, достаточном для рождения каменистых планет с водой и биомолекулами, заняло около 2 миллиардов лет (Даял и др., 2015), так что на развитие жизни на планетах остаётся более 10 миллиардов лет.

Идеи об альтернативных биохимиях на основе кремния вместо углерода встречаются и в научной, и в популярной литературе (например, питающиеся камнями хорты из «Звёздного пути»). Логика такова: поскольку эти два элемента стоят в периодической таблице друг под другом, их химия должна быть сходной. С точки зрения распространённости это допустимо: хотя в Солнце кремния в 16 раз меньше, чем углерода, на Земле разница составляет всего вдвое. Проблема кремниевой жизни — низкая летучесть его соединений, особенно в окислительных условиях. В частности, оксиды углерода — газы, тогда как оксиды кремния — твёрдые вещества. Восстановительные (богатые водородом) условия могли бы больше подходить кремниевой жизни; так, силан (SiH₄) при комнатной температуре и давлении газообразен. К тому же цепочки кремний–кремний менее стабильны, чем углерод–углеродные. Подробнее см., например, Петковски и др. (2020).

Третье условие для жизни, какой мы её знаем, — растворитель. Только в растворе химические реакции идут достаточно быстро, чтобы создавать сложные молекулы вроде белков. Жидкость служит транспортной средой, сводящей органические вещества вместе. Для эффективного перемешивания важны водные потоки, которые требуют перепадов температуры и/или приливных сил со стороны спутника.

Четвёртое и последнее базовое условие — устойчивость благоприятной обстановки, то есть стабильная орбита вокруг долгоживущей звезды без мощных вспышек и иной переменности. Время жизни звёзд быстро сокращается с ростом массы, поэтому звёзды заметно массивнее Солнца для жизни непригодны: они живут менее миллиарда лет. Самый распространённый тип звёзд в нашей Галактике — красные карлики массой около 0,5 солнечной и временем жизни свыше 10 миллиардов лет. У таких звёзд найдено множество планет, включая нашего ближайшего соседа Проксиму

 

Источник