Совсем недавно мы комментировали открытие Проксимы b, планеты, ставшей своего рода вишенкой на экзопланетном торте. И вот 22 февраля 2017 года с помпой объявлено об открытии сразу трех планет в зоне обитаемости другого красного карлика — TRAPPIST-1. Эта система находится почти в десять раз дальше Проксимы Центавра, но есть по крайней мере два обстоятельства, делающие находку второй вишенкой на торте за последние несколько месяцев. Это:
— сразу три планеты в зоне обитаемости, это повышает вероятность, что хотя бы одна из них пригодна для жизни;
— эти планеты, в отличие от Проксимы b, транзитные, то есть проходят по диску звезды для земного наблюдателя, что резко облегчает наблюдение их атмосфер.
Пару слов об истории сенсации. Система была открыта в 2015 году небольшим бельгийским телескопом TRAPPIST. Название — Transiting Planets and Planetesimals Small Telescope South — подогнано под марку бельгийского пива. Телескоп расположен в Чили в обсерватории Ла-Силья, принадлежащей Европейской южной обсерватории.
С его помощью обнаружили три транзитные планеты у холодного красного карлика 2MASS J23062928-0502285 [1], который получил второе, более человеческое имя TRAPPIST-1, — это была первая планетная система, обнаруженная данным телескопом. Потом система наблюдалась европейским телескопом VLT (Very Large Telescope), наконец благодаря данным инфракрасного космического телескопа NASA «Спитцер» систему «распутали» и выяснили, что планет семь. Собственно, о последнем шаге и была пресс-конференция NASA 22 февраля.
К обитаемой зоне относят планеты e, f, g, хотя с первого взгляда планета d по интенсивности обогрева подходит больше, чем g. Тут требуется довольно сложная дискуссия с оценками возможного парникового эффекта, включающая массу неопределенностей. Конечно, понятие обитаемой зоны очень условно.
Как бы мы ни определяли зону обитаемости, а с реальной пригодностью для жизни каждой из этих планет есть серьезные проблемы. Те же проблемы, что и для Проксимы b. Они связаны с природой красных карликов.
- Это звезды с очень бурной магнитной активностью. У них толстый конвективный слой. В отличие от Солнца, где тепло переносится наружу в основном диффузией фотонов, там преобладает конвекция. На Солнце тоже есть конвекция, из-за чего и появляются пятна, вспышки, протуберанцы, а на Земле — магнитные бури и полярные сияния. Там все эти явления происходят куда интенсивнее.
- У этих звезд в начале биографии сильно меняется светимость. Первые миллионы лет они светят в десятки, а то и в сотни раз ярче, чем в установившемся режиме.
- Зона обитаемости красных карликов находится настолько близко к звезде, что планеты попадают в приливное замыкание: либо они всё время обращены к звезде одной стороной, либо сутки на них длиннее их года (для системы TRAPPIST-1 вероятней первый вариант).
Что делать, природа второй раз менее чем за год подсовывает нам именно такие не очень обнадеживающие планетные системы. Это неудивительно — их намного легче найти спектрометрическим методом (Землю у Солнца таким образом обнаружить невозможно), они с большей вероятностью оказываются транзитными, причем транзиты более контрастны наконец красных карликов больше, чем желтых и оранжевых.
Итак, данные по найденной системе TRAPPIST-1 (ошибки не приводим).
| Планета | Радиус орбиты | Период | Радиус планеты | Интенсивность обогрева (в единицах земного) |
| b | 0,011 а.е. | 1,51 дня | 1,09 Re | 4,25 |
| c | 0,015 | 2,42 | 1,06 | 2,27 |
| d | 0,021 | 4,05 | 0,77 | 1,14 |
| e | 0,028 | 6,10 | 0,92 | 0,66 |
| f | 0,037 | 9,21 | 1,04 | 0,38 |
| g | 0,045 | 12,35 | 1,13 | 0,26 |
| h | 0,063 | ~20 | 0,75 | 0,13 |
Звезда. Масса — 0,08 солнечной, радиус -0,117 солнечного, светимость — 0,5·10-3 солнечной, температура 2550К
Удалось грубо оценить и массы планет — из-за их взаимодействия транзиты немного смещаются во времени. Ошибки в определении массы велики, но уже можно заключить, что плотность планет соответствует скальной начинке.
Конечно, землеподобные планеты у солнцеподобных звезд будут найдены в обозримое время. Собственно, в данных «Кеплера» уже найдено несколько таких планет, только они очень далеко. Достаточно наблюдать за несколькими сотнями ярких звезд по всему небу (что планируется в ближайшие годы), и такие планеты будут обнаружены в пределах сотни световых лет (а если повезет, то и ближе).
На самом деле комфортные планеты у комфортных звезд находятся в пределах 15–20 световых лет (это следует из статистики, добытой «Кеплером»), но, чтобы их обнаружить, нужны космические интерферометры, которые появятся не скоро (см. [2]).
Надежда на то, что хотя бы одна из планет пригодна для жизни, остается. На них изначально могло быть много воды — они не могли образоваться там, где они сейчас, и должны были мигрировать к звезде с периферии протопланетного диска — из-за снеговой линии, где много ледяных тел. Правда, они мигрировали еще в ту эпоху, когда звезда была много ярче. Но оценки, сделанные для Проксимы b, показывают, что гидросфера планет могла пережить пекло длительностью в десятки миллионов лет.
Приливное замыкание не фатально, если у планеты есть толстая атмосфера и глобальный океан — тогда перенос тепла способен сгладить перепад температуры между дневным и ночным полушариями.
Более серьезная проблема — сдувание атмосферы звездным ветром и жестким излучением. На пресс-конференции прозвучало высказывание, что сейчас звезда спокойна. Это справедливо, если иметь в виду тепловое излучение, но не рентгеновское: TRAPPIST-1 — измерено напрямую космической обсерваторией XMM — излучает примерно столько же рентгена, что и Солнце. Поскольку планеты находятся в десятки раз ближе к звезде, чем Земля к Солнцу, их рентгеновское облучение на три порядка превосходит то, что получает Земля.
Прямой угрозы жизни рентген не несет — он поглощается атмосферой. Проблема в обезвоживании планеты: рентген и жесткий ультрафиолет разбивают молекулы воды — водород легко улетучивается, кислород связывается. Еще хуже то, что, раз есть интенсивный рентген, должен быть и интенсивный звездный ветер — он обдирает внешние слои атмосферы. Единственное спасение в данном случае — магнитное поле планеты. Есть ли у этих планет достаточно сильное поле — вопрос. Может быть, и есть.
Итак, остается надежда, что какая-то из планет системы TRAPPIST-1 пригодна для жизни. Можно ли эту надежду подтвердить или опровергнуть? Можно, и гораздо легче, чем для случая Проксимы b, в котором надо наблюдать либо отраженное, либо собственное тепловое излучение планеты.
Его очень трудно отделить от излучения звезды. Здесь же атмосферы планет можно наблюдать на просвет, что несравненно легче.
В случае с Проксимой b новый космический телескоп James Webb сможет что-то показать лишь в предельном случае: одно полушарие раскалено, другое — выморожено. В случае с TRAPPIST-1 реально увидеть линии поглощения в атмосферах планет. Или поставить какие-то ограничения сверху. Одно такое ограничение уже поставлено: внутренние планеты не обладают толстыми водородными атмосферами.
А есть ли теоретическая возможность, что James Webb обнаружит жизнь на одной из этих планет? Наиболее красноречивый маркер жизни — кислород. Он вполне детектируем и как озон, и как O2. Другое дело, что какое-то количество кислорода может образоваться, например, из-за диссоциации молекул воды жестким излучением звезды. Оценить, какое количество кислорода можно считать надежным маркером, не так просто. Надо знать темп диссоциации и темп связывания кислорода — здесь много неопределенностей. Но если кислорода столько же, сколько и на Земле, тут деваться уже некуда: такое может дать только жизнь. Если кислорода мало — это не значит, что жизни нет: на Земле первые пару миллиардов лет существования жизни его было мало.
В заключение хочется выразить сожаление, что Россию исследование экзопланет обошло стороной. Есть отдельные люди и отдельные работы, но не более того. А ведь эта область не требует гигантских установок — скорее, серого вещества и упорства, чем наша наука всегда могла похвастаться. Некоторую надежду дает российский проект «Миллиметрон» — криогенный космический телескоп с 10-метровым зеркалом: в проекте исследование экзопланет идет одним из первых пунктов. Однако это — тема для отдельной публикации.
Борис Штерн,
астрофизик, докт. физ.-мат. наук, вед. науч. сотр. Института ядерных исследований РАН (Троицк)
1. http://simbad.u-strasbg.fr/simbad/sim-id?Ident=2MASS+J23062928-0502285
2. http://trv-science.ru/2016/06/28/blizhajshie-prigodnye-dlya-zhizni-exoplanety/
Уважаемый Борис Евгеньевич!
Обсуждаемая Вами публикация из Nature содержит следующее утверждение:
«However, even at these low insolations, all seven planets are expected to be either tidally synchronized, or trapped in a higher-order spin-orbit resonance, the latter being rather unlikely considering the constraints on the orbital eccentricities (Table 1).»
Потому в Вашей статье фразу
«планеты попадают в приливное замыкание: либо они всё время обращены к звезде одной стороной, либо сутки на них длиннее их года (для системы TRAPPIST-1 вероятней первый вариант).»
имело бы смысл переправить на
«планеты попадают в приливное замыкание: либо они всё время обращены к звезде одной стороной, либо сутки на них короче их года (для системы TRAPPIST-1 вероятней первый вариант).»
Дело в том, что спин-орбитальный резонанс высшего порядка — это ситуация, когда вращение вокруг своей оси обгоняет орбитальное движение, как в случае Меркурия, пребывающего в резонансе 3:2 (т.е., 3 дня равны двум годам).
На самом деле, процитированное утверждение из статьи в Nature с большой вероятностью является неверным. Ибо как раз таки исключительная близость планет к звезде повышает их шансы на попадание в высокие резонансы — как случилось это с Меркурием. Насколько велики эти шансы — зависит от эксцентриситета. Авторы отсылают нас к таблице 1 и говорят, будто указанные там ограничения на значения эксцентриситетов делают высшие резонансы маловероятными («rather unlikely»). Здесь содержатся сразу две ошибки. Во-первых, приведённые в их таблице максимальные значения эксцентриситетов не настолько уж малы, чтобы исключить попадание в высшие резонансы. Во-вторых — и это главное — приливные силы постепенно меняют эксцентриситеты (обычно приливы стремятся уменьшить эксцентриситет, хотя это правило соблюдается не всегда). Посему важными здесь являются не нынешние значения эксцентриситетов, а их значения в момент, когда осуществлялся приливный захват — то есть в ранние эпохи развития этой звёздной системы.
Есть и иные обстоятельства, повышающее шансы на захват в высшие резонансы в этой системе. Важно здесь то, что в случае, если планета «d» окажется в таком резонансе, то это может ввести её в зону обитаемости.
Всё вышесказанное относится и к Proxima b. На сегодняшней день ограничение на её эксцентриситет таково: е < 0.35. Если на ранних этапах значение е составляло хотя бы половину от этого предела, то попадание в высший спин-орбитальный резонанс было весьма вероятно.
Вы говорите «сутки» о периоде обращения планеты вокруг оси. Это так. Но «солнечные сутки» составляют два года — орбитальное вращение и вращение вокруг оси при таком резонансе вычитаются. Надо было уточнить, хотя из контекста ясно. К Проксиме b конечно относится.
Пусть мы ищем планету, удобную для жизни в известном нам понимании, т.е. с большим количеством кислорода в атмосфере и низким уровнем радиации на поверхности.
При такой близости к активному красному карлику последнее означает очень сильное магнитное поле, которое будет защищать поверхность, а заодно и атмосферу от сдувания солнечным ветром — на порядки больше, чем на Земле.
Тогда на планете должны быть мощнейшие полярные сияния, вызванные ионизацией верхней атмосферы планеты на полюсах под действием этого отклоняемого магнитным полем солнечного ветра — опять же, на порядки сильнее, чем на Земле. Атмосфера должна просто непрерывно сиять.
Такое характерное красное и зеленое свечение при полярном сиянии — это свечение атомарного кислорода.
Тогда в атмосферах планет при транзите характерные спектры этого атомарного кислорода должны быть хорошо заметны?
Линии поглощения атомарного кислорода на просвет — почему бы и нет? Зеленая вряд-ли, а красная — может быть. Но само сияние, конечно, безнадежно слабо.
Да, Вы правы. Я должен был уточнить, что под сутками я подразумавал не synodic day, а так называемый ‘sidereal day’, т.е. период вращения вокруг своей оси в инерциальной (невращающейся) системе отсчёта.