В 1959 году, 4 октября, была запущена межпланетная станция «Луна-3», во время полета которой впервые получили снимки обратной стороны нашего спутника. Спустя полвека человек научился находить в космосе звезды и планеты, удаленные от Земли на многие световые годы. Евгений Бурмистров, математик первой категории кафедры математического моделирования систем и процессов и преподаватель Политехнической школы ПНИПУ, рассказал о технологиях, с помощью которых ученые находят экзопланеты, условиях, необходимых для появления жизни на них, и направлениях исследований, позволяющих человеку путешествовать за пределами Солнечной системы.
Экзопланетами считаются все планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы. Это могут быть, как газовые гиганты, наподобие Юпитера, так и объекты, близкие по размеру к Земле. Одним из ключевых параметров, характеризующих экзопланету, является ее масса — она определяет ее гравитационное поле и способность удерживать атмосферу.
Образуются в космосе экзопланеты по тем же механизмам, что и планеты нашей системы. Частицы, которые перемещаются по орбите звезды и находятся в ее гравитационном захвате, постепенно сталкиваются, образуя уплотнения. Из такого уплотнения космической пыли и мусора формируется каменный объект, постепенно набирающий массу и, как следствие, гравитацию. Он притягивает к себе другие частицы и объекты с орбиты звезды и постепенно разрастается.
Изначально ученые находили только газовые гиганты, потому что их легче выявить из-за больших размеров. Но сейчас человек научился искать и более крохотные объекты.
«В чем же сложность обнаружения экзопланет методом оптического наблюдения — с помощью бинокля или телескопа в земных обсерваториях? Дело в том, что мы видим объекты, которые либо сами являются источником света, либо этот свет отражают. Любая планета отражает свет звезды от своей поверхности, но эта светимость слишком слабая, чтобы увидеть ее с такого большого расстояния. Свет самой звезды просто заслоняет такие отраженные лучи. Это как рядом с ярким прожектором, освещающим сцену театра, пытаться светить телефонным фонариком. Свет, конечно, есть, но актеры на сцене его не смогут разглядеть», — объясняет Евгений Бурмистров.
Долгие годы люди не могли доказать существование других планет даже при помощи специального оборудования.
«Многие мыслители в древности были уверены, что сделать такое открытие в принципе невозможно. Например, великий Аристотель считал, что Земля уникальна и других таких нет. Но некоторые все же высказывали надежду о существовании «внесолнечных» планет — вспомним Джордано Бруно — ученого-философа эпохи Возрождения, в чьих трудах были представлены идеи бесконечности Вселенной и множественности миров», — отмечает эксперт Пермского Политеха.
Лишь в 1995 году астрономы доказали, что планеты вращаются не только вокруг Солнца, но и вокруг иных звезд, за пределами Солнечной системы.
Земные обсерватории испытывают сложность со сбором информации о звездах — их свете, радиоволнах, радиационном излучением и других сигналах, так как они рассеиваются в атмосфере Земли, в том числе частично или полностью отражается. Поэтому телескопы выводят на орбиту, чтобы они не испытывали пагубное влияние атмосферы на приходящую от звёзд информацию.
В наши дни существует несколько методов обнаружения экзопланет. Например, с помощью радиальной скорости: этот метод основан на измерении незначительных колебаний в движении звезды из-за гравитационного воздействия планеты. Другой способ — метод транзита (или микролинзирование), когда планета проходит перед своей звездой и вызывает временное снижение ее яркости.
В наше время астрономы могут автоматизировано и на протяжении большого промежутка времени вести наблюдения в поисках экзопланет. Это можно сделать как с поверхности Земли, так и при помощи космических аппаратов. Так, телескоп Хаббл, астрономическая обсерватория на орбите Земли, в 2004-2012 годах смог обнаружить 31 экзопланету в 27 различных планетных системах. В мае 2023 года количество подтвержденных (то есть доказано существующих) экзопланет достигло 5 366 штук в 3962 планетных системах, при этом 856 систем имеют более одной планеты. Большинство из них были обнаружены запущенным на орбиту Земли космическим телескопом «Кеплер», который оснащен высокочувствительным фотомером, способным измерять световые величины и выявлять планеты, похожие на нашу.
На каких планетах может появиться жизнь
Особую важность для ученых представляют потенциально обитаемые экзопланеты или планеты, на которых человек смог бы поселиться. Условия для жизни формируются сразу несколькими параметрами звезды, у которой они находятся:
Температура. Звезды, вокруг которых могут находиться экзопланеты, обладают температурой, позволяющей сохранять воду в жидком состоянии на поверхности планеты. Обычно это звезды, подобные нашему Солнцу, с температурой около 5700-6500 Кельвинов. Но могут быть и более холодные звезды, при этом в теории обитаемая экзопланета должна находиться ближе к ней.
Возраст. Чем старше звезда, тем больше вероятность, что у нее есть стабильные планеты, способные поддерживать жизнь на протяжении долгого времени.
Металличность. Звезды с высоким содержанием металлов (относительно Солнца) более склонны иметь планеты, чем звезды с низким содержанием металлов.
Вращение. Вращение звезды может указывать на наличие планет-компаньонов, влияющих на ее орбиту.
Спектральный класс (цвет светового излучения). Некоторые методы обнаружения экзопланет требуют, чтобы звезда обладала определенным спектральным классом. Например, метод радиальной скорости лучше всего работает со звездами класса К (3500–5000 К, желто-оранжевый цвет) и М (2000–3500 К, оранжево-красный цвет).
«У экзопланет, движущихся по сильно вытянутым эллиптическим орбитам и состоящим из нескольких слоёв вещества (коры, мантии и ядра), приливные силы могут высвобождать тепловую энергию, которая способствует созданию и поддержанию благоприятных для жизни условий на космическом теле, а их орбита, со временем, может эволюционировать в околокруговую», — рассказывает Евгений Бурмистров.
Приливные силы образуются под воздействием гравитационных сил космических тел. Например, сторона планеты, которая находится ближе к звезде, будет сильнее к ней притягиваться, а дальняя сторона, соответственно, — слабее. Таким образом, звезда притормаживает вращение планеты из-за сильного тяготения на той ее стороне, что обращена к звезде. Со временем тело, попавшее в приливной захват, перестает вращаться, как это произошло с Луной из-за воздействия сил нашей планеты. И как это произойдет с Землей под влиянием сил Солнца.
Кроме того, приливными эти силы называются потому, что активно влияют на жидкую поверхность планеты. То есть жидкость на передней стороне планеты устремляется к объекту, который ее притягивает. Соответственно, жидкость с дальнего края оттягивается. Так возникают приливы и отливы. При этом необязательно иметь воду на поверхности, но вода является хорошим показателем таких сил.
Экзопланетой с самыми близкими к земным условиями является планета TOI-700 d, расположенная в 101,4 световых годах от Солнца. Температура на ее поверхности, по предварительным оценкам, находится в диапазоне 0-40 градусов Цельсия. Теоретически возможно, что на этой планете существуют запасы жидкой воды, а это подразумевает возможность существования жизни.
Обитаемой зоной, или зоной жизни, считается область вокруг звезды, в пределах которой условия на поверхности экзопланеты приближены к земным, а вода находится в состоянии жидкости. Для расчета размеров такой области учитывают показатель светимости звезды, вокруг которой вращается планета, то есть излучаемую ею энергию.
В зоне жизни находятся некоторые подтвержденные экзопланеты:
Keppler-22B. Эта экзопланета находится в обитаемой зоне своей звезды, и она примерно на 60 процентов больше Земли. Она находится примерно в 620 световых годах от нашей планеты, в созвездии Лебедя.
TRAPPIST-1. Это система из семи планет, вращающихся вокруг красного карлика в созвездии Водолея, в 40 световых годах от Земли.
Gliese 667Cc. Это экзопланета, которая вращается вокруг красного карлика на расстоянии около 23,6 световых лет от Земли в созвездии Скорпиона. Планета имеет массу, близкую к массе Земли.
Proxima Centauri b. Ближайшая к Земле экзопланета. Она вращается вокруг звезды Proxima Centauri, и находится на расстоянии всего около 4,25 световых года от Земли. Планета обладает массой примерно в 1,3 раза больше массы Земли.
Сколько лететь до экзопланеты? Пилотируемые космические корабли уже разгоняются до скорости 29 000 км/ч, а управляемые зонды — до 240 000 км/ч. Если человек отправится на ближайшую потенциально обитаемую экзопланету Proxima Centauri b, то сможет туда долететь (в лучшем случае) за 157 455,5 лет, а зонд — за 19 026 лет. Если же лететь до самой подходящей по условиям планеты TOI-700 d, то уйдёт ещё больше времени: 3 778 932 года для пилотируемого аппарата и 456 621 год для зонда.
Наука или фантастика: сможет ли человек добраться до ближайшей экзопланеты
«Проблем с доставкой человека на столь далекое расстояние очень много. Во-первых, это продолжительность жизни людей и огромное время, которое должно быть затрачено. Кроме того, человек ограничен в ресурсах, которые можно взять с собой в космическое путешествие», — считает Евгений Бурмистров.
Решить эти проблемы можно развитием существующих технологий и созданием новых. В качестве примеров эксперт Пермского Политеха предлагает следующие варианты:
Ионные двигатели: это наиболее часто используемые двигатели в космических кораблях, они работают на принципе ускорения ионов.
Солнечные паруса: эти паруса используют давление света солнца для движения корабля.
Генераторы антиматерии: антиматерия может использоваться в качестве топлива, так как ее аннигиляция с материей выделяет много энергии.
Термоядерные двигатели: эти двигатели используют реакцию ядерного синтеза для выработки энергии.
Ядерные ракетные двигатели: они также используют ядерный синтез для создания тяги.
Гравитационные маневры: это использование гравитационного поля планет или звезд для изменения траектории космического корабля.
Сжатие времени: это технология, которая позволяет замедлять время для пассажиров космического корабля, чтобы они могли пережить долгие путешествия. Но это скорее грубая фантастика.
Криосон: это метод, при котором пассажиры космического корабля замораживаются, чтобы замедлить все жизненные процессы.
Искусственная гравитация: это создание искусственного гравитационного поля на борту космического корабля, чтобы пассажиры могли чувствовать себя как на Земле.
Генная инженерия: это изменение генов человека, чтобы он мог лучше адаптироваться к условиям космоса.
«Люди разрабатывают все более совершенные летательные аппараты. В том числе и аппараты, которые можно использовать неоднократно. Единственное, что мы пока не можем сделать, — это продлить жизнь людям настолько, чтобы они доживали до конца такого дальнего путешествия. По криогенной заморозке человека, то есть погружении в сон на долгое время, ведутся разработки, но нам ещё далеко до того момента, чтобы считать эксперименты успешными», — заключает преподаватель Пермского Политеха.
Источник: ГН
