Чи є життя на Gliese 581d?

Навчання 02 серпня 2022 Перегляди: 61

Планетна система у зірки Gliese 581 (у виставі художника). На передньому плані — планета Gliese 581d. Зображення: ESO

У квітні нинішнього року у зірки Gliese 581 були виявлені дві планети землеподібного типу. І ось тепер три групи астрономів представили свої моделі, що розглядають різні аспекти можливого життя на цих планетах, межі населеної зони навколо Gliese 581, а також стійкість самої планетної системи.

За десятиліття, що минуло з моменту відкриття першої екстрасяничної (інозоряної) планети, астрономи зуміли різними методами виявити вже понад 250 подібних об’єктів. Однак переважна більшість відомих нам екзопланет можна порівняти за своєю масою з Юпітером або навіть перевершувати його: швидше за все, це газові гіганти, причому часто розташовані дуже близько до своєї зірки (так звані «гарячі юпітери»). Тільки недавно астрономи стали оголошувати про відкриття планет порівняно невеликої маси і розмірів (менше 10 земних мас), ймовірно силікатних за своїм основним складом. Їх стали називати «суперземлями» (super-Earths).

У квітні європейська група вчених у журналі «Астрономія і астрофізика» (Astronomy & Astrophysics, A&A) опублікувала повідомлення про відкриття двох нових планет, що звертаються навколо зірки Gliese 581 (див. Знайдена подібна Землі планета в населеній зоні, «Грані», 25.04.2007). Gliese 581 — це червоний карлик спектрального класу М (spectral class M) з сузір’я Терезів, який знаходиться в двох десятках світлових років від Землі і за своєю масою в три рази поступається нашому Сонцю. Свою назву і номер зірка отримала за «Каталогом найближчих зірок» (Gliese Catalogue of Nearby Stars), складеним німецьким астрономом Вільгельмом Глізе (Wilhelm Gliese, 1915-1993). Відповідно, дві нові екзопланети отримали позначення Gliese 581c і Gliese 581d (до назви зірки приписуються праворуч латинські літери починаючи з букви b — в порядку відкриття планет).

Маса нових екзопланет оцінюється в 5 і 8 мас Землі (потрібно зазначити, що це лише мінімальні оцінки, а реальну масу кожної з екзопланет можна буде дізнатися тільки після знаходження кута нахилу орбітальної площини щодо земних спостерігачів). Враховуючи відстань, що відокремлює планети від батьківської зірки, «новачків» можна назвати головними кандидатами в населені планети з усіх відомих людству. Раніше, в 2005 році, в зоряній системі Gliese 581 була виявлена ще одна планета, в 16 разів масивніше — «гарячий Нептун» (див. для пошуку планет навколо червоних карликів не вистачало точності, «Елементи», 07.12.2005). Але вона не тільки надміру масивна, але й знаходиться зовсім близько до зірки — всього в 6 млн км (у 15 разів менше, ніж відстань від Меркурія до Сонця).

На відміну від юпітероподібних газоподібних гігантів, які мало чим відрізняються один від іншого, планети земної групи дуже різноманітні. Це можуть бути як посушені мертві тіла, позбавлені атмосфери, так і світи, наповнені водою і оповнені потужною повітряною оболонкою, що перевершує за своєю щільністю атмосферу Землі. На жаль, надію з’ясувати в точності, з чого складаються атмосфери всіх цих нових світів, а також пошуки ознак життя на цих планетах доводиться залишити до появи нових поколінь телескопів, проте теоретичні дослідження цілком під силу нинішнім астрономам. Можливо, вони допоможуть майбутнім спостерігачам, озброєним більш потужною технікою, швидше впоратися зі своїм завданням.

Все в тому ж журналі «Астрономія і астрофізика» опубліковано два теоретичні дослідження, присвячені планетній системі Gliese 581. Дві європейсько-американські групи вчених, очолювані французом Франком Сельзі (Franck Selsis) перша і німцем Вернером фон Бло (Werner von Bloh) друга, вивчили можливість існування життя на двох свіжонароджених «суперземлях» з різних точок зору. Оцінювалося насамперед розташування меж населеної зони (Habitable zone) біля Gliese 581 — тобто наскільки близько і наскільки далеко від цієї зірки може існувати вода в рідкому вигляді на поверхні планети.

Якщо планета розташована надто близько до своєї зірки, то вся вода на ній перетворюється на пар, і земні форми життя на ній існувати не можуть. Це внутрішня межа населеної зони. Зовнішня межа відповідає відстані, на якій газоподібний CO₂ (вуглекислий газ) вже не здатний забезпечити парниковий ефект, достатній для розігріву поверхні планети. Вся вода там замерзне. На сьогоднішній момент основна проблема такого моделювання полягає в неможливості точно оцінити розміри і роль хмарності. З таким же обмеженням, в принципі, стикаються і земні кліматологи. Для нашого Сонця внутрішня межа населеної зони розташовується десь від 0,7 до 0,9 о.о., а зовнішня — від 1,7 до 2,4 о.о. (точніше вказати межі поки не виходить). На ілюстрації порівнюються межі населеної зони навколо Сонця з кордонами населеної зони навколо Gliese 581 за моделлю групи Френка Сельзі і за моделлю групи Вернера фон Бло.

Межі населеної зони для Gliese 581, отримані двома групами планетологів. У верхній частині показано сучасні межі населеної зони біля Сонця. Червона крива в правій частині окреслює лише найкритичнішу зовнішню межу. Фактично, зовнішній кордон розташований десь між 1,7 і 2,4 о.о. Середня частина ілюстрації демонструє межі населеної зони Gliese 581, обчисленої відповідно до моделей атмосфери групи Сельзі. Внизу — межі зони можливого фотосинтезу, визначені у згоді з геофізичними моделями групи фон Бло (межі були вирахувані для декількох можливих віків планетної системи Gliese 581 (5, 7 і 9 млрд років), найімовірніше значення — 7 млрд років). Фіолетові смуги, що оточують планети Gliese 581c і Gliese 581d, ілюструють змінну відстань до зірки, обумовлену витягнутості орбіт. Зображення: Astronomy & Astrophysics

З ілюстрації видно, що фон Бло і його колеги розглядають більш вузьку область населеної зони, де можливий рослинний фотосинтез, як на Землі. Виробництво біомаси за рахунок фотосинтезу, на думку цієї групи, залежить як від концентрації CO₂, так і від присутності рідкої води на планеті. Використовуючи модель теплової еволюції «суперземлі», вдалося відшукати можливі джерела цього атмосферного вуглекислого газу (вивільненого з різних мінералів за рахунок вулканічної діяльності) і вирахувати темпи його зникнення (споживання газоподібного CO₂ в ході різних процесів). Модель виходить з постійного балансу (гомеостаза, який забезпечується і на Землі) між утилізацією вуглекислого газу в океанічних відкладеннях і виділенням його з метаморфічних джерел при русі тектонічних плит (див.: Чи може «суперземля» прихистити життя, «Грані», 22.10.2007). У цій моделі здатність підтримки процесів фотосинтезу в біосфері дуже сильно залежить від віку планети, оскільки занадто стара і неактивна планета не може виділяти достатньої кількості газоподібного CO₂. І в цьому випадку планета перестає бути населеною. При обчисленнях розташування меж населеної зони фон Бло і його колеги в якості достатньої концентрації вуглекислого газу (його парціального тиску) прийняли значення в 10 бар.

В принципі, обидві групи вчених сходяться в тому, що планета Gliese 581c розташована занадто близько до зірки, щоб бути населеною, а ось Gliese 581d цілком може прихистити життя. Щоправда, суворі клімат та екологія цієї екзопланети не сприяють появі надто складного життя. Справа в тому, що обертання планети d швидше за все синхронізовано з її поводженням навколо зірки таким чином, що вона завжди звернена до світила однією своєю стороною (подібно до того, як Місяць звернений до Землі однією і тією ж стороною — це наслідок тривалих приливно-відливних взаємодій). Таким чином, там напевно панують сильні вітри, викликані різністю температур між денною і нічною сторонами планети. А оскільки Gliese 581d розташована біля зовнішнього краю населеної зони, всі форми життя на ній повинні були б якось пристосуватися ще й до досить слабкого рівня випромінювання свого світила.

Порівняння Землі і планети Gliese 581с (ілюстрація зроблена до публікації моделей групи Сельзі і групи фон Бло; тоді найбільш підходящою для можливого життя визнавалася Gliese 581с, а неї сусідка). Зображення з сайту www.redding.com

На довершення всього відстань від планет c і d до центральної зірки сильно варіює через великий ексцентриситет їх орбіт. Втім, тривалість року в обох випадках дуже сильно поступається земному року: 12,9 доби для планети c і 83,6 доби для планети d; це повинно згладжувати варіації, тим більше якщо там присутні по-справжньому щільні атмосфери. У будь-якому випадку, умови на планеті d повинні дуже сильно відрізнятися від того, з чим ми стикаємося на Землі, але життя там з’явитися може.

Підвищений інтерес до питання про можливість існування життя у Gliese 581, крім усього іншого, пов’язаний з тим, що ця зірка є червоним карликом — тобто належить до найчисленнішої когорти зірок в нашій Галактиці. «Дрібні» червоні карлики спектрального класу M становлять приблизно 75% всіх зірок. Вони надзвичайно довговічні (можуть прожити десятки мільярдів років — набагато довше нашого Сонця), досить стабільні і «працюють» на звичному воднево-гелієвому циклі (витрачаючи своє ядерне «пальне» найбільш економно). Знаходити екзопланети у червоних карликів, відстежуючи коливання цих зірок при гравітаційній взаємодії з планетами з доплерівського зміщення характерних спектральних ліній, значно простіше (через їх невелику масу). І якщо ще буквально пару років тому М-зірки розглядалися в якості вельми сумнівних кандидатів на роль колиски для позаземного життя, то тепер все змінюється.

Звичайно, те, що планети, що знаходяться в населеній зоні таких червоних карликів, звернені до зірки завжди однією і тією ж стороною, позначається на їх кліматі далеко не кращим чином. Близьким планетам до того ж загрожують магнітні бурі, потоки рентгенівського та ультрафіолетового випромінювання, особливо в часи тривалої зоряної юності, коли планети розміром з Землю запросто можуть позбутися своєї атмосфери в момент спалаху. Однак недавні теоретичні дослідження показали, що насправді все не так вже й погано і навколишнє середовище біля М-зірок все-таки не є нездоланною перешкодою для виникнення життя.

Третя стаття про Gliese 581, також прийнята для публікації в журналі «Астрономія і астрофізика», присвячена проблемі динамічної стабільності даної планетної системи. Такі дослідження також дуже важливі для правильної відповіді на питання про можливість існування життя на планетах біля червоного карлика, оскільки надміру швидка еволюція планетних орбіт невідворотно позначиться на тамтешньому кліматі. Зрозуміло, взаємні гравітаційні обурення мають місце в будь-якій планетній системі, де є більше однієї планети. Так, у нашій Сонячній системі під впливом інших планет земна орбіта періодично змінюється від практично ідеально кругової до дещо ексцентричної. Цього, в принципі, достатньо для того, щоб породжувати чергування льодовикових періодів і потеплінь (потрібно відзначити, що в даний час є й інші, не менш авторитетні теорії, які намагаються пояснити чергування таких періодів). Не виключено, що більш «розмашисті» орбітальні еволюції можуть стати непереборною перешкодою для розвитку життя.

Ерве Бьо (Hervé Beust) і його колеги з Франції, Португалії та Швейцарії змоделювали зміни орбіт планет системи Gliese 581 на більш ніж 100 мільйонів років вперед і переконалися в тому, що ця система динамічно цілком стійка, демонструючи лише періодичні орбітальні варіації, порівнянні з тими, що відчуває наша Земля. Таким чином, клімат на цих планетах істотним чином змінюватися не буде. З цього боку, принаймні, очікувати перешкод для розвитку примітивного життя не доводиться. Хоча, звичайно, все вищесказане ще не є доказом того, що життя в цій системі дійсно існує.

Швидше за все, Gliese 581c і Gliese 581d будуть включені в число первинних цілей для майбутніх космічних місій ESA і NASA з пошуку планет, на кшталт «Дарвіна» (Darwin) і TPF (Terrestrial Planet Finder — Шукач планет, подібних Землі)). Ці космічні обсерваторії дозволять уточнити властивості їх атмосфер.

Джерела:

1) Gliese 581: one planet might indeed be habitable — пресс-релиз журнала Astronomy & Astrophysics, 13.12.2007.

2) F. Selsis, J. F. Kasting, B. Levrard, J. Paillet, I. Ribas, X. Delfosse. Habitable planets around the star Gl 581? // A&A. 2007. V. 476. P. 1373-1387 (стаття доступна також як astro-ph: arXiv:0710.5294v3).

3) W. von Bloh, C. Bounama, M. Cuntz, S. Franck. The habitability of super-Earths in Gliese 581 // A&A. 2007. V. 476. P. 1365-1371 (стаття доступна також як astro-ph: arXiv:0705.3758v3).

4) Hervé Beust, Xavier Bonfils, Xavier Delfosse, Stephane Udry. Dynamical evolution of the Gliese 581 planetary system // astro-ph: arXiv:0712.1907v1.

Див. також:

1) S. Udry, X. Bonfils, X. Delfosse, T. Forveille, M. Mayor, C. Perrier, F. Bouchy, C. Lovis, F. Pepe, D. Queloz, J.-L. Bertaux. The HARPS search for southern extra-solar planets. XI. Super-Earths (5 and 8 M_Earth) in a 3-planet system // A&A. 2007. V. 469. P. L43-L47 (стаття доступна також як astro-ph: arXiv:0704.3841v1).

2) X. Bonfils, T. Forveille, X. Delfosse, S. Udry, M. Mayor, C. Perrier, F. Bouchy, F. Pepe, D. Queloz, J.-L. Bertaux. The HARPS search for southern extra-solar planets. VI. A Neptune-mass planet around the nearby M dwarf Gl 581 (стаття доступна також як astro-ph: arXiv:astro-ph/0509211v1)

.3) Екзопланети — огляди електронних препринтів astro-ph.

Максим Борисов