Лекторий «Знание-сила» 28 марта 2013 г.

Стенограмма выступления.

Лекцию читал Лев Зелёный, академик РАН, директор Института космических исследований РАН (ИКИ)

Добрый вечер! Я благодарю всех, кто сюда пришёл в этот весенний вечер. Я постараюсь, чтобы вы не скучали. И, действительно, я расскажу, наверное, об одном из самых горячих предметов, которым сейчас занимаются не только астрономы, но и специалисты-биологи, и специалисты по происхождению, возникновению жизни. Это тема внесолнечных планет. В последние, пожалуй, 10–15 лет, эта тема первая в списке тем, обсуждаемых на всех форумах и конференциях.

А я постараюсь рассказать обо всей истории вопроса изучения экзопланет. И я понимаю, что самое главное, что всех всегда интересует — последняя линия — возможная обитаемость этих планет. Я сразу предупреждаю, что ответа я не дам, но я покажу, как, действительно, современная наука, отвлекаясь от всех прекраснодушных размышлений о летающих тарелках, как всё-таки она подходит к этому вопросу. Что мы можем про это сказать. И сразу, забегая вперёд, я скажу, что после открытий последнего десятилетия шансы наши встретить, так сказать, братьев по разуму или, наоборот, врагов по разуму, гораздо выше, чем мы думали ранее, чем мы думали десятилетия назад.

Эту лекцию мне помогали готовить мои коллеги из разных институтов, из ИКИ, из австрийского Института космических исследований. Я попытался обобщить все основные, имеющиеся на настоящее время, данные.

История началась очень давно. Человечество размышляло, действительно ли мы одиноки во Вселенной или есть другие миры. Еще знаменитые древнегреческие философы Аристотель и Эпикур спорили об этом. Но я, честно говоря, не знаю, спорили ли они очно или заочно, но каждый в своих трудах оставил чёткое понимание системы мира. Аристотель создал свою систему, где Земля находилась в центре мироздания, и вокруг нее вращалось Солнце. Эпикур, мы его сейчас знаем, в основном, по выражению «эпикуреец», человек, который любит хорошо пожить. Но это был очень глубокий философ и он в своих трудах описывал, так сказать, другие миры, что, в конечном счёте, было, в основном, на уровне фантазии. Но принципиальный вопрос был в том, что Земля не является центром мира. И получилось так, что этот спор продолжался все следующее тысячелетие.

Через несколько веков, когда образовалось христианство, оно взяло на вооружение систему Аристотеля, и эта система стала догмой, спорить с которой было опасно. И здесь надо сказать, что католическая церковь сыграла, как сейчас понимают, не лучшую роль в развитии астрономии, в развитии науки. Все знают о трагедии Джордано Бруно, который, собственно, был один из первых, кто возражал против системы Аристотеля. Все знают об отречении Галилея. Но это стало догмой, и спорить с ней было опасно. Я пытался найти в православной церкви такие вот идеологические гонения на различные представления о небе и звёздах. Их не было. Так что мне кажется, это был основной грех католической церкви и созданной ею инквизиции.

Но эта точка зрения существовала, фактически, до эпохи Просвещения. И только в XVII-XVIII-м веке, когда пришли энциклопедисты – Руссо, Вольтер – отношение католической церкви, которая, фактически, давила эти представления против системы Аристотеля, спор с системой Аристотеля считался ересью, постепенно начало формироваться другое понимание. Важную роль здесь сыграл известный фантаст. Он был, пожалуй, не очень глубокий философ, но его книга, он написал её совсем молодым, как видите, было около 20-ти лет, Камиль Фламмарион(французский астроном, известный популяризатор астрономии, 1842-1925 – «ЗС»). Он написал книгу, фактически, повторяющую слова Эпикура о множественности обитаемых миров.

Книга немножко наивная, но когда её читаешь, понимаешь, что это для своего времени был прорыв. Вот к этому времени относится известная гравюра, когда средневековый монах, живущий в системе, где Земля находится в центре мироздания, наконец, пробивает головой небесный свод и видит другое небо и другую Землю. Человечеству как бы открылись глаза на новое пространство.

И сразу, как это обычно бывает, человечество перешло в другую крайность. Очень скоро после этого Скиапарелли опубликовал свою работу о каналах на Марсе. Вот здесь его гравюра. Действительно, такая система каких-то линий, которые он увидел на Марсе. Её при хорошем воображении можно увидеть.

И начался новый бум. Его начал, пожалуй, Герберт Уэллс. Наверное, все читали его книгу или смотрели фильм «Война миров». Большую роль здесь сыграл Алексей Толстой своей «Аэлитой». В отличие от монстров Уэллса Аэлита была прекрасной и во многом, так сказать, мечтой большого числа земных мужчин. И пространство XX-го века, оно стало научной фантастикой, просто фантастикой, стало одной, одним из главных жанров литературы. Мне приятно как раз вспомнить и журнал «Знание-сила», который был моим любимым журналом в 60-х годах, который печатал много фантастических рассказов. Там печатался один из замечательных писателей Кирилл Булычёв, который населил целый город Великий Гусляр очень симпатичными инопланетянами. Они туда всё время являлись.

В общем, человечество как бы ушло в другую крайность: встретить инопланетянина или летающую тарелку считалось самым обычным делом. Из такой солипсистической философии мы перешли в философию, что инопланетяне кругом, они нам угрожают или, наоборот, они хотят нас облагодетельствовать. И целый жанр литературы, он сейчас, кстати, как-то, мне кажется, вымирает, фантастика превращается в фэнтези, которая уже не претендует ни на что реальное. Но это, конечно, сыграло свою роль в формировании космического мышления, по крайней мере, у людей моего поколения. И, наверное, я тоже стал заниматься космосом на волне научной фантастики Ефремова, Стругацких, Лема. Это очень важную роль сыграло в формировании нашей ментальности, понимания того, что, в общем, мы как бы все дети космоса.

Что же на самом деле? На самом деле, действительность, конечно, оказалась и скучнее, и наоборот. Вот как, действительно, выглядит Марс. Там нет таких каналов; их, к сожалению, не увидели. Но зато увидели живую воду. Вот видите фотографию Марса. Он сухой. Вода, если есть, она есть только под поверхностью, но иногда летом, когда температура на короткое время поднимается выше нуля градусов, ручьи марсианской воды вытекают, эта подповерхностная мерзлота тает, они текут и по дороге успевают замёрзнуть. Поэтому как бы ручейки такие клинообразные, они сужаются, сужаются книзу. То есть на Марсе есть вода. Это сейчас доказано. Есть много воды. Есть вода, кстати, на Луне. То есть не всё так безнадёжно. Там, где вода, там, по крайней мере, могла быть жизнь. Но это, так сказать, отдельная история про Солнечную систему.

Когда об этом размышляешь, хочется не размахивать руками, а написать какую-то формулу, как теоретики любят делать. И вот такую формулу написал знаменитый английский астроном Дрейк. Я не буду тут вас мучить формулами, но одну формулу я всё-таки покажу.

Он пытался оценить число цивилизаций. Ну, такую формулу написать легко. Сначала число звезд. Давайте будем говорить не вообще про всю Вселенную, на окраины которой мы вряд ли когда-нибудь доберёмся, а про нашу Галактику. Число звёзд в Галактике примерно известно. Вероятность того, что звёзды имеют планеты, вероятность того, что эти планеты одиночные или неодиночные, и это такая астрономическая часть. Здесь идут дальше множители, я про них не буду подробно рассказывать. Они связаны с тем, какова вероятность, что на планете зародится жизнь. И последний множитель, он самый пессимистичный. Tg– это время существования данной звёздной системы, а L– время существования цивилизации. И вот по оценкам Дрейка Lнамного меньше Tg. То есть цивилизации, по его представлениям, живут конечное время или потом самоуничтожаются. Когда он писал, это было как раз время «холодной войны», и как-то считалось, что третья мировая война неизбежна и земной цивилизации отведено не такое большое время.

Такую формулу написать легко, но как оценить входящие в неё коэффициенты? Это, так сказать, от желания автора — можно получить любой результат. Но есть здесь какие-то вещи, о которых, как раз, я буду говорить, которые сейчас стали понимать гораздо лучше. Это вероятность того, что звёзды нашей галактики, будем конкретней говорить, в ближней области нашей галактики, ближние к Земле, имеют планеты. Это вопрос сейчас, в отличие от времён Дрейка, очень сильно продвинулся. Об этом я как раз буду рассказывать. Астрономические методы позволили дать очень интересные ответы на эти вопросы. Найдено несколько сотен экзопланет. Экзопланеты — это планеты вне Солнечной системы. Я их буду так называть. Они разные. Это большие планеты, которые очень близко находятся к звёздам. Есть планеты типа Земли. Но мы их очень плохо видим. Наверное, это самые интересные объекты. И вот эти астрономические методы очень развиваются.

Вторая часть формулы связана с тем, насколько вероятно зарождение жизни. В этом нам большая поддержка от тех исследований, которые сейчас ведутся. Вот, в частности, исследования Марса. Там сейчас работают марсоходы. Марсоход «Curiosity» — очень интересный аппарат, задача у него — поиски следов жизни. То есть мы можем увидеть, что там, на ближней к нам планете, есть ли там, действительно, следы жизни. Какие условия нужны для её зарождения. Готовится такая программа и в России совместно с Европейским космическим агентством «ЭкзоМарс». Если будут вопросы, я на это отвечу.

Интересно развитие осмысления формулы Дрейка. Известнейший астроном Иосиф Самуилович Шкловский, автор очень многих популярных книг по астрономии, сделавший много научных открытий, он в какой-то момент посмотрел на эту формулу, оценил по-своему эти все члены и получил, что, в общем-то, других цивилизаций нет. Потому число Nу него получилось меньше или равно единице. Но одна цивилизация, наша, существует, ну, а поскольку здесь даже двойки он не смог натянуть, то, значит, других цивилизаций нет.

Почему эта работа имела в 1976-м году такой большое философское политическое значение? Это время «холодной войны». Я вижу, что те, кто здесь сидят, этого не помнят. Когда, опять-таки, угроза третьей мировой войны была, в общем, вполне реальной, он как раз хотел подчеркнуть, что жизнь на Земле — космическое чудо. И надеяться, что где-то на других звёздных системах есть жизнь, нельзя. Вот Бог, так сказать, или кто-то, кто создал Вселенную, населил Землю, дал Земле возможность на развитие жизни, это надо беречь и не ставить существование земной цивилизации на грань риска.

Ну, вот видите, оценки колебались от аристотелевской до Камиля Фламмариона и Кирилла Булычёва и вот до оценки Шкловского, что цивилизаций других нет. Поэтому такой очень большой разнобой был в научных оценках по этому вопросу.

Это понятная тема, которая всех интересует. Я сегодня не дам вам ответ на этот вопрос, но покажу, по крайней мере, как часть проблемы решается. Она начала решаться с развитием методов наблюдательной астрономии. Уже где-то с конца 80-х годов начали открывать самые разные планеты около других звёзд. Всё началось с совсем простой задачи. Массивная планета, очень тяжёлая, где-то больше 60-ти масс Юпитера, была открыта у одной из довольно близких звёзд. Это было довольно удивительное наблюдение. Но такую очень тяжёлую планету, в общем, довольно легко было обнаружить. После этого были открыты планеты у пульсара (нейтронной звезды с магнитным полем — «ЗС»). Даже у пульсара могут быть планетные системы. И после этого, видите, как взрывообразным образом начало нарастать число открытых планет у других звёзд. Я подчёркиваю, они все разные. Здесь-то они все «свалены в одну кучу». Здесь последние, совсем свежие данные, на март 2013-го года. То есть на позавчерашний день. Ну, 2013-й год ещё только в разгаре, ещё только, фактически, первый квартал прошёл. Здесь этот пик маленький, но я думаю, он вырастет и станет не ниже пика 12-го года. То есть эта наука развивается очень быстро.

Что это за планеты? Я буду рассказывать, как мы их видим, как мы их меряем. Мы не можем, конечно, увидеть планеты где-то в других галактиках, об этом нечего говорить даже на краю нашей Галактики. Мы всё-таки ограничены неким пространством, ближним к Земле. Астрономические методы, которыми мы пользуемся, они тоже уникальны, но они имеют свои ограничения. И здесь показано число планет, в зависимости от расстояния. Расстояние это выражается в парсеках. Парсеки, я напомню, это примерно 3,26 светового года. Поэтому, если вы посмотрите на этот график, в основном все планеты, которые мы видим, они, в общем-то, не очень далеко от нас. Это расстояние 100–150 световых лет. Напомню, если для кого-то это кажется абстрактной цифрой, что Солнце от нас находится всего в 9-ти световых минутах. А тут уже речь идёт о годах. Представьте, какие это всё-таки громадные расстояния. Но всё равно это мало по сравнению с размером нашей Галактики — 100 тысяч световых лет. То есть мы где-то так в самой ближней окрестности пока «копаемся», и то, видите, как много мы нашли планет. На больших расстояниях пока мы не можем видеть эти планеты. Но нам пока хватит занятий с сотнями, а скоро будет тысячи экзопланет, которые мы нашли вот в этой области.

Как ищутся экзопланеты? Наверное, это самое интересное. Потому что трудно представить, но вы напрягите воображение. Мы ищем, так сказать, не просто иголку в стоге сена, а булавочную головку, если сравнить размеры, брошенную на гору Эверест, и там надо ее найти. Но, тем не менее, многое удаётся сделать.

Есть пока 4 основных метода поиска экзопланет. Я не обо всех расскажу. Транзитный метод. Метод измерения скоростей. Вы видите, один из них дал почти 300 планет, другой — 500 планет. Есть более-менее развитые методы: метод тайминга, метод микролинзирования. Для экономии времени я о них рассказывать не буду.

Самое простое — это просто смотреть на звезду и увидеть около неё планету. Так тоже иногда удаётся, но это должна быть не очень яркая звезда и очень большая планета. Это трудно сделать. Поэтому немного планет таким образом обнаружено. Ну, что такое метод транзита, наверное, все присутствующие знают. Я думаю, что те, кто пришли, интересуются астрономией. Вот совсем недавно, прошлым летом наблюдали такое замечательное явление: прохождение Венеры по диску Солнца. Кто этим интересовался, поднимите руку, кто за этим наблюдал. Вот, я вижу, таких достаточно много. Ну, это вы правильно сделали. Предыдущее прохождение было не так давно, в 2004-м году. А следующее будет в декабре 2117-го года. Не знаю, кто из нас до этого времени доживёт. Это явление красивое. Кстати, я его еще очень люблю вот почему. Потому что при одном из таких прохождений наш замечательный учёный Михаил Васильевич Ломоносов открыл атмосферу Венеры. В его книгах это очень хорошо описано. Вот когда этот чёрный шарик проходил по лимбу Солнца, то видел такой пузырь светящийся, так что первое открытие плотной тяжёлой атмосферы Венеры принадлежит Ломоносову. Это один из немногих приоритетов, которые в астрономии в России есть и никто их не оспаривает. Так вот это просто пример транзита. Что при этом происходит, вы понимаете. Когда это происходит, Венера проходит по Солнцу, вы этот шарик можете видеть глазами. Но в телескоп это легко увидеть. При этом часть солнечного потока затеняется этим препятствием, и чуть-чуть уменьшается светимость звезды. И это называется методом транзита. Если у нас есть звезда, и мимо неё проходит планета, причем проходит так, что её плоскость вращения не перпендикулярна линии зрения, соединяющей нас и эту звезду, вы видите небольшое падение светимости. Ну, доля его зависит от размера планеты, но это доля процента. То есть звезда становится чуть-чуть тусклее на сотые доли, ну, на десятые доли процента.

Масштаб вам лучше виден на этом рисунке. Он примерно одна тысячная. То есть 2–3 десятых процента ещё различимы. Ну, разные звёзды здесь показаны. Я потом расскажу, что такое телескоп «Кеплер». Вот при прохождении планеты по лимбу звезды, то есть по диску звезды, вы видите небольшие проседания светимости. Их можно зарегистрировать. Это называется методом транзита, он требует высочайшей чувствительности телескопа. Этот метод надёжный, но он работает не для всех звёзд. Сейчас будет понятно, почему. Яркость звезды уменьшается, но не очень сильно. К примеру, Венера на диске Солнца при наблюдении с Земли дает всего одну десятую процента уменьшения. Но Венера маленькая просто. Юпитер на диске Солнца при наблюдении даёт 1% затемнения. Венера или Земля на диске Солнца при наблюдении из окрестностей другой звезды не будут замечены. Предположим, что мы, не зная, есть ли планеты в Солнечной системе, наблюдаем, скажем, с Альфы Центавра за изменениями светимости Солнца. Мы бы увидели прохождение Юпитера, но не увидели бы ни прохождения Венеры, ни прохождения Земли. Поэтому, конечно, первые планеты, которые были обнаружены — это большие крупные планеты, которые, действительно, затеняют звезду. Кроме того, планета, которая вертится вокруг звезды, имеет свой период обращения. Скажем, чтобы увидеть затенение Солнца от прохождения Земли, опять-таки, с другой звёздной системы, то надо ждать год, пока Земля сделает весь круг вокруг Солнца.

То есть, в основном, этот метод отбирает такие планеты, которые вращаются близко к звёздам. Просто, чтобы за время наблюдения мы успели увидеть такие транзиты. И, кроме того, совсем не очевидно, что плоскость вращения планеты обязательно лежат в той же плоскости, что наш луч зрения — она может вращаться в перпендикулярной к нам плоскости, и мы просто не увидим никакого затенения.

Поэтому, конечно, мы видим очень малую часть того, что есть на самом деле. И удивительно, что при этом мы видим очень много. Мы видим, если планета расположена на расстоянии одной астрономической единицы. Ну, это расстояние от Земли до Солнца — 150 миллионов километров. Всего 0,5%, полпроцента вероятности, что мы увидим такую планету. Если планета находится гораздо ближе, чем Меркурий, то это уже 2,5%. И поэтому высока вероятность увидеть только близкие планеты. Когда я вам буду дальше говорить, что мы видим что-то странное и экзотическое, то следует учитывать, что существует наблюдательная селекция. Мы видим только часть истины. Пусть достаточно большую, но не всё. Всё мы просто пока не можем увидеть.

Второй метод, он дополняет первый. Он называется «Измерение лучевых скоростей звёзд». Это тоже тонкий современный метод, и он оказался основным на середину марта: благодаря ему на конец марта 2013-го года открыто 520 планет. В чём заключается этот метод? Когда мы говорим, что Земля вращается вокруг Солнца или Юпитер вращается вокруг Солнца, на самом деле это не так. Когда имеется у нас тяжёлое тело и менее тяжёлое тело, они всегда вращаются не одно вокруг другого, а вокруг общего центра масс. Если, конечно, одно тело в миллиарды раз более массивно, чем другое, то центр масс, практически, точно совпадает с центром более тяжёлого тела, и можно этим влиянием пренебречь.

Но всегда этот эффект существует. Даже для парочки «Земля-Солнце» небольшие такие колебания Солнца вокруг общего центра масс существуют. Что это даёт? Если есть такие движения, то есть моменты, когда звезда движется на нас и когда звезда движется от нас, и такие её колебания вызваны какой-то планетой. То есть планета как бы дёргает звезду туда-сюда. Оценив размеры этих колебаний, мы сможем оценить массу планеты. Это простая механическая задача. Дальше вступает в силу эффект Доплера, который, если кто-то не знает его по оптическим изменениям, то наверняка знает по звуку. Когда поезд уезжает от вас и когда поезд быстро несётся на вас, вы слышите разный звук. Когда он несётся на нас, вы гораздо более высокий звук слышите. Когда он уезжает от вас, частота звука уменьшается. То же самое происходит со спектром излучения звезды — спектр излучения будет немножко сдвинут за счёт эффекта Доплера.

Давайте исходить из того, что атом и вещество едины во Вселенной. Таблица Менделеева одна, по крайней мере, для нашей Галактики. И спектры всех веществ, которые входят в таблицу Менделеева, очень хорошо известны с очень высокой точностью. Поэтому мы, увидев, например, линию излучения железа, сравним её с тем, что мы видим в земной лаборатории и оценим величину этого сдвига. Точность измерения очень велика в этом случае. Мы сможем скорость колебания оценить даже с точностью до одного метра в секунду. Вы представляете? Такая маленькая скорость колебания звезды с помощью точной спектроскопической привязки может быть определена. Это, конечно, большое достижение не только астрономов, а физиков. Потому что имеются таблицы, в которых просто с громадной точностью спектральные линии всех излучений всех веществ рассчитаны, многие теоретически с помощью квантовой механики, и есть еще экспериментальные проверки. Они для нас очень полезны: мы выбираем реперные элементы, смотрим, насколько их линии сдвинуты, и оцениваем скорость. А оценив скорость, мы оцениваем массу планеты, которая заставляет звезду колебаться.

Есть метод, о котором я говорил вначале: прямое наблюдение. Несколько планет так открыто, но это должны быть очень крупные планеты. На фоне яркой звезды трудно увидеть её свечение, даже если она имеет высокую температуру. Данный метод, возможно, будет использован в будущем.

Если собрать воедино все, что открыто на данный момент, и построить такой график, как здесь я нарисовал, вот что получится. Здесь масса планеты, отнесенная к массе Юпитера, здесь полуось орбиты, но некоторые орбиты эллиптические, давайте просто будем считать, что это радиус орбиты в астрономических единицах. Мы видим несколько групп точек. Синие точки — это планеты, которые имеют большую массу, находятся близко к родительской звезде. Они быстро вращаются, поэтому мы имеем возможность их увидеть методом транзита. Зелёные точки — это планеты, открытые методом лучевых скоростей. Здесь ограничение немножко меньше. Здесь можно обнаружить планеты более маленькой массы, вращающиеся на разных расстояниях. Этот метод более тяжёлый, но он в каком-то смысле более универсальный.

Если собрать воедино статистику, то есть планеты, которые открыты, то видна такая зависимость числа планет от размера их орбиты. Транзитным методом открыты планеты на орбитах, близких к родительских звёздах. Методом лучевых измерений открыты планеты, находящиеся подальше от родительских звёзд. Здесь расстояние в астрономических единицах показано. Вот как бы ноль – это расстояние от Земли до Солнца. Видите, что очень много планет находится гораздо-гораздо ближе к своим родительским звёздам, чем Земля, не говоря уже о Юпитере, а некоторые даже ближе, чем Меркурий. Обратите внимание, что здесь логарифмический масштаб. Вот та картина, которую мы имеем. Открытых планет много, но звёзд ещё больше. И если сравнить число планет с числом звёзд, возле которых мы ожидали увидеть планеты, то только всего где-то 1–2% звёзд, напоминающих Солнце, пока имеют такие планетные спутники. Других мы или не разглядели, поскольку это слишком маленькие планеты, или они находятся слишком далеко от нас.

Ещё один слайд, очень характерный. Это тоже статистика. Здесь так много планет открыто, что про каждую не расскажешь, поэтому уже строятся такие статистические графики. Здесь показано количество планет в зависимости от их массы. Здесь в обычном масштабе. Здесь в логарифмическом. Сейчас понятно будет, почему. Видно, что громадный пик здесь существует. Это всё относится к массе Юпитера. Вот масса Юпитера, здесь — эта вертикальная полоска, единица. Видите, большинство планет имеет массу или чуть-чуть больше, в несколько раз больше массы Юпитера, или меньше, чем масса Юпитера. Поэтому эти планеты получили такие названия: более тяжёлые, чем Юпитер, называются «супер-Юпитеры», «горячие Юпитеры». Потому что они находятся близко к своим звёздам. «Нептуны» — это планеты средних размеров. Нептун — промежуточная планета. «Суперземли» — это планеты больше Земли в несколько раз, и «Земли» — это планеты, очень близко напоминающие Землю, по крайней мере, по массе и размерам.

Но куда более интересно, если мы влезем «внутрь» этого пика. Здесь собраны все планеты, которые массой меньше Юпитера. Вот здесь единица, а вот то, что находится внутри пика. Видно, что есть достаточно большое планет с малыми массами. Где-то здесь вот масса Земли. Пока мы планет таких совсем маленьких не нашли, ну, просто их трудно найти, но уже начинаем находить планеты вот на этом хвосте, которые могут относиться к такой зоне обитаемости. Их пока немного, гораздо больше планет тяжёлых и слишком близких к родительским звёздам, но с совершенствованием методов надежда уже появляется.

Я ещё раз я подчеркиваю, что очень много планет, которые называются «горячие Юпитеры», которые вращаются очень близко к своей звезде. Вот если вспомните предыдущий слайд, гораздо ближе, чем орбита Меркурия к Солнцу. А Юпитер у нас находится на расстоянии 5 астрономических единиц, то есть в 5 раз дальше, чем Земля. Это была сенсация, когда такие планеты увидели, потому что существовала проверенная веками теория образования Солнечной системы, которой занималось много уважаемых людей. Начал её ещё великий Лаплас. В Советском Союзе ею занимался Отто Юльевич Шмидт, астроном-революционер в одном лице (член РКП(б) с 1918 г., после революции 1917 г. был членом коллегий нескольких наркоматов —«ЗС»). И была устоявшаяся теория, она объясняла, как наша Солнечная система образовалась. Я не успею, конечно, подробно всё это пересказать, но общее представление такое. Когда-то из остатков взрывов других звёзд, которые существовали в первые миллиарды лет жизни Вселенной, еще до нашей Солнечной системы, образовалась пыль, газ. Этот газ стал постепенно закручиваться и сформировал газопылевой диск. В этом газопылевом диске начались неустойчивости, конденсация, и начала образовываться родительская звезда. Когда её масса превысила некоторый размер, и произошел достаточный разогрев за счет сжатия, началась термоядерная реакция. Она вспыхнула, и её излучение вытеснило весь лёгкий газ, лёгкие вещества, лёгкую пыль на окраины этой системы, и большие планеты-гиганты, газовые гиганты сформировались достаточно далеко от звезды. А тяжёлые планеты вот с тяжёлым металлическим ядром, как Земля, Венера, сформировались ближе к звезде, это такие каменистые планеты. То есть по этой теории газовые планеты, большие планеты всегда должны быть на окраинах.

А в других системах получилось не так. Откуда-то они берутся — газовые гиганты, близкие к звезде. И тут тем, кто этим занимался, за последние годы пришлось очень сильно пересмотреть свои взгляды. Предположим, что планета размера Юпитера сформировалась где-то далеко от звезды. Но сформировалась не в пустом пространстве, а тогда, когда ещё существует пылевое облако, и планета начала тереться об эту пыль. То есть не вакуум вокруг планеты, а какое-то вещество. В итоге планета начала тормозиться, начала терять импульс, начала сталкиваться с другими телами, и постепенно она как бы стала падать и всё более приближаться к Солнцу. Конечно, такое путешествие, такая миграция столь крупной планеты типа Юпитера, не пройдёт даром для тех каменистых планет, которые вращаются ближе к звезде. Она просто снесёт их этаким цунами. Поэтому около звезды, у которой есть такие большие горячие спутники на близких расстояниях, по-видимому, трудно ожидать наличие планет типа Земли.

Если сделать моделирование такой миграции крупной планеты, оно показывает, что всё зависит от предыстории этого процесса. Тут показано, как мигрирует планета с массой, равной массе Земли, равной массе Юпитера и равной 10 масс Юпитера. Повторюсь: всё зависит от предыстории. То есть если эта планета быстро сформировалась и сумела собрать на себя всё вещество, окружающее её, то есть она как бы сделает сама себе большой тор, она начнёт вращаться уже, фактически, в пустом пространстве. То есть её ничего не будет тормозить. Она всё вещество, которое могло ей помешать остаться на орбите, собрала на себя. В этом случае она остаётся на этой орбите.

В другом случае, если какое-то вещество ещё остаётся, то есть планета образовалась, но не успела собрать всё вещество вокруг, она начинает тормозиться и постепенно приближается к родительской звезде. То есть всё зависит порой от разных случайных факторов, от какой-то предыстории, которую трудно предугадать. Поэтому такое разнообразие понятных систем. И Солнечная система в данном случае — нечто уникальное. Вот здесь, как раз, показано, что планеты-гиганты мигрируют на более низкие орбиты, а зоны зародышей планет, которые находятся около звезды, могут испытывать столкновения с такими гигантскими планетами. Планеты типа «горячий Юпитер», если они сформировались далеко, мигрируя к звезде, оставляют очень мало шансов формироваться планетам типа Земли. По-видимому, такая миграция планет является универсальным механизмом, когда звёздная система образуется. Но Солнечная система как-то рано остановилась. То есть нам повезло. Поскольку на месте Земли сейчас мог бы находиться Юпитер, и где бы тогда мы с вами были? Нам повезло, что Юпитер сформировался так, что остался на своём месте и к Солнцу не стал мигрировать. Это догадка, конечно. Эволюция Солнечной системы первых миллиардов лет не очень известна, но вариантов здесь много.

Я хотел ещё о нескольких вещах рассказать. Я уже упоминал о данных, полученных с помощью телескопа «Кеплер». Это, действительно, великий эксперимент — можно только позавидовать нашим американским коллегам (космический телескоп «Кеплер» был подготовлен Национальным управлением по аэронавтике и исследованию космического пространства США — «ЗС»). Он специально был нацелен на поиск планет земного типа в обитаемой зоне. Гигантские планеты не очень интересовали в данном случае исследователей. В той области, которую «Кеплер» исследует, около 190 тысяч звёзд. И он постепенно их осматривает. Он работает автоматически, используя метод транзитов. Он наблюдает за звездой, и если он видит какие-то колебания её яркости, он её заносит в каталог как планетный кандидат. И таких уже несколько тысяч найдено. Дальше, конечно, это всё еще исследуется, и потом часть планетных кандидатов становятся настоящими открытиями. Это в тех случаях, когда удается доказать, что у звезды есть планетная система. То есть такой систематический обзор неба идёт. И что интересно оказалось, этот метод позволяет определить системы, где есть не только одна планета, а много планет: две, три, четыре, пять. Как в нашей Солнечной системе. По получаемым данным те, кто работает с «Кеплером», могут приблизиться к планетам, напоминающим Землю. Которые нас с вами больше всего интересуют.

Вот здесь показаны результаты исследования, проведенного спутником «Кеплер». Немножко сложный слайд. Здесь показаны отношения радиуса планеты к радиусу Земли. Вот этот уровень — планеты размером с Юпитер. Это планеты размером с Нептун. А это планеты размером с Землю. А здесь показан период. Как я говорил, метод транзитов не позволяет с очень длинными периодами далёкие планеты увидеть. Просто не хватает времени, наблюдатель не может столько ждать. Вот здесь период ограничен ста днями, то есть это планеты, достаточно близкие к звезде. Видите, как много уже обнаружил «Кеплер». И цветом здесь показаны системы, чёрным — это где одна планета. Зелёным – где две планеты. Ну, и т.д. И красненькие точки — там даже шесть планет обнаружено. Вот такой очень интересный обзор неба.

Вот система, где есть шесть планет. Она называется Kepler-11, это порядковый номер открытия. Такие системы тесные. Для сравнения наша Солнечная система показана. Видите, пять из этих шести планет вращаются внутри орбиты Венеры. Очень близко к звезде. Может быть, есть ещё одна планета, которая вращается дальше от звезды, но она еще не дала затенения своей звезды так, чтобы мы могли увидеть. Шесть планет, это уже серьёзно. А это ещё более интересная картинка. Из этой всей группы были выбраны планеты, которые могут быть кандидатами на существование в обитаемой зоне. То есть на них потенциально может быть жизнь. Здесь тоже показаны отношения радиуса планеты к радиусу Земли. Вот это планета землеподобная. А здесь температура на поверхности, которую удаётся оценить по тонким эффектам того, как устроен профиль затенения звезды.

Здесь условия показаны пунктирной линией. Это примерно 250 градусов Кельвина. То есть минус 20 градусов Цельсия — эффективная температура Земли. И вокруг неё располагаются планеты, которые не слишком близко к звезде, то есть они не слишком раскалённые и не слишком холодные. Зона обитаемости здесь оказывается достаточно узкой. Не так много планет существует среди этого громадного многообразия. Всего здесь можно насчитать десятки таких планет, в отношении которых мы можем думать о землеподобных условиях.

Если мы обратимся, к примеру, к нашей Солнечной системе, где в ней зоны обитаемости? До недавнего времени мы думали, что Земля в хороших условиях. Тут есть вода, которая не испарилась, и вода не всё время замёрзшая, планета на слишком хорошем расстоянии от Солнца, достаточно много солнечного излучения. С другой стороны, звезда не сжигает нас, и от солнечной радиации мы защищены. Но оказалось, что это не единственная зона. В последние годы очень много говорят о зоне обитаемости даже вдали от Солнца, у спутников планет-гигантов. У Юпитера такие спутники Европа и Ганимед. У Сатурна – спутник Титан. Там, в общем-то, тоже возможны условия для существования жизни, вероятно, в каких-то других формах. Поэтому в последние годы мы шире стали смотреть на понятие обитаемости. Это не обязательно что-то похожее на Землю или, в крайнем случае, на Марс. Жизнь может приспособиться к большему диапазону условий.

Какие, все-таки, могут быть ограничения? Прежде всего, уровень гравитации должен быть достаточно умеренным. Период вращения тоже должен быть ограничен. Но, главное, должна быть защита от радиации Солнца, и при этом планета или спутник планеты должны получать достаточное тепловое излучение. То есть атмосфера должна обладать способностью задерживать жёсткую радиацию, в том числе и гамма-диапазона, ультрафиолетовое излучение отсеивать. Но если объект будет очень далеко от звезды, мы опять попадаем в узкие «ворота». Мы избавляемся от опасностей близкого соседства со звездой, но теряем лучистую энергию звезды, тогда не на чем основывать жизнь, тем более, цивилизацию. Земля оказалась в достаточно хороших условия. Биологи утверждают, что планета должна обладать вулканизмом, тектоникой плит. Потому что при землетрясениях, при выбросах вулканов образуется питательный «бульон», выбрасываются многие химические вещества, которые могут стать источником жизни. Но это довольно спорная, конечно, вещь.

Несомненно, что планета должна иметь, если мы говорим о цивилизации земного типа, защиту от ультрафиолетового излучения звезды. Слава Богу, мы от него защищены, хотя многие, наверное, слышали о проблемах, которые возникают при образовании озоновой дыры над Арктикой, над Антарктикой. Это реальная проблема. Но над средними широтами озоновый слой пока достаточно толстый. Так вот, если мы говорим об обитаемости, то, во-первых, в атмосфере быть кислород, а главное, должен быть озон. Потому что озон является основным поглотителем ультрафиолетового излучения. Есть у озона при взаимодействии с электромагнитным излучением полосы поглощения. Они называются полосы поглощения Гартли и Хюггинса. Это очень сильные области поглощения. Озона может быть сотая доля процента, а поглощать он будет больше, чем весь остальной кислород. То есть это очень хорошая такая озонная подушка. Мы должны нашу озоновую, так сказать, крышу беречь. И она должна быть, конечно, у той планеты, которую мы рассматриваем в качестве кандидата на обитаемость. Нам надо быть уверенными, что у неё есть такая озоновая оболочка, озоновая крыша. Ее трудно увидеть, мы пока что не умеем это делать. Но в России готовится большой космический проект «Спектр-Ультрафиолет», одна из задач которого как раз возможная регистрация полос поглощения озона в атмосферах экзопланет.

То есть это будет ещё один фактор, ещё один дополнительный аргумент, что та или иная планета может быть обитаемой. Число кандидатов на обитаемость, конечно, может сильно уменьшиться. Если посмотреть на то, что имеется сейчас, вот совсем свежая картинка. Вот что сейчас представляется потенциально обитаемым. Такой список из 10-ти планет. Названия под ними — это их астрономические названия в разных каталогах и дата, когда они были открыты. Видите, совсем недавние данные — это декабрь 2010-го года, а это апрель 2012-го года. А это коэффициент близости к Земле. Если считать, что Земля – идеальная планета, и мы ей даём единицу, то Марс в этой категории пригодности для обитания получает коэффициент 0,66. И вот как эти планеты выстраиваются. Вы видите, что многие из них лучше, чем Марс, оказываются. Коэффициент у самой последней из них 0,7–0,8. То есть, они, действительно, похожи на Землю и по температуре, и по всем другим условиям. Но мы, опять-таки, не знаем ничего об озоне. Вот, например, одна из этих планет Kepler-22. Она где-то в три раза больше Земли. Температура на её поверхности 262 градуса Кельвина, то есть минус 11 градусов Цельсия. Примерно, как вчера было в Москве. И она находится на расстоянии, если сравнить с Солнечной системой, между Землёй и Венерой. То есть это такая очень пригодная, наверное, для жизни планета.

Но тут есть одно «если». Мы про это часто забываем. У Земли имеется одно чудесное свойство, про которое знали древние китайцы, а вот большинство людей вспоминают о нем, только когда заблудятся в лесу, и думают, что надо было взять с собой компас. Это магнитное поле. Магнитное поле Земли довольно сильное, и оно защищает нас от многих неприятностей. Оно защищает нас от потока частиц, которые приходят от Солнца. Эти частицы магнитным полем просто отклоняются. Кроме того, жёсткое космическое излучение тоже отклоняется. Если бы у Земли не было магнитного поля, мы бы с вами где-то, думаю, часа через четыре уже должны были дружно отправиться на кладбище. Магнитное поле защищает от радиации. И, конечно, планета, которую мы хотим видеть обитаемой, должна иметь магнитное поле.

Пока непонятно, как можно его увидеть. Потому что магнитные поля, даже сильные, какими-то астрономическими или спектральными методами увидеть достаточно сложно. Но в нашем Институте космических исследований разрабатывается метод, который, мне кажется, сможет помочь этому. Потому что одним из важных факторов обитаемости, помимо озонового слоя, является наличие магнитного поля.

Оказывается, что у Земли наличие магнитного поля приводит к такому очень  интересному эффекту, который называется «циклотронное мазерное излучение». Частицы, которые идут от Солнца к Земле, перед тем, как попасть на Землю, закручиваются магнитным полем, и закручиваются не как отдельные частицы, а как коллектив частиц. Потому что частицы плазмы взаимодействуют друг с другом. В результате Земля оказывается очень мощным источником радиоизлучения с длиной волны в один километр.

Если кто-то с другой звезды посмотрит на Землю, то первое, что он увидит, это не огни земных городов, не шум радиостанций, он увидит вот это километровое излучение, потому что оно намного мощнее всего того, что делает человек. То есть Земля излучает как мощная антенна. Это известный эффект. Он есть и на других планетах — на Юпитере, на Сатурне. Но поскольку там другое магнитное поле, там в другом диапазоне такое излучение идёт. Всякая планета, обладающая магнитным полем, является мощным источником радиоизлучения с характерной длиной волны, которая показывает, как раз, интенсивность этого поля. На Земле это излучение увидеть трудно, потому что оно отражается от ионосферы. То есть ионосфера действует как зеркало. Но это излучение можно увидеть в космосе.

И мы в нашем институте рассматриваем один из новых лунных проектов — а мы сейчас много занимаемся исследованиями Луны — так вот, мы предлагаем развернуть на Луне такую радиоантенную систему, которая будет ловить это излучение других планет в радиодиапазоне и тем самым доказывать, что у этих планет есть магнитное поле, и они могут быть обитаемы, могут быть пригодны для жизни. Идея такая: садится посадочная станция, выезжает из неё такой ровер, на котором стоит катушка проволоки, и он ездит зигзагами, вытягивает антенну и создаёт антенную решетку примерно в сотню метров размером. Это вполне реальная вещь. И такая мощная антенная решётка на Луне позволит слабое излучение, создаваемое магнитным полем планеты, ловить. Слабое, потому что оно сильное только вблизи планеты, а на большом расстоянии оно, конечно, сильно слабеет.

В заключение несколько интересных примеров. Вот есть звезда, есть около нее планета, и на ней может быть жизнь. Вот я говорил, что есть, возможно, области обитаемости у спутников Юпитера и Сатурна. Среди очень крупных планет есть такая планета-гигант, она называется Gliese 876 c. Это громадная планета. Ее масса соизмерима с массой Юпитера. Она и находится не очень далеко, примерно 12 световых лет от Земли. И у неё уже удалось увидеть спутник. И вот на этом спутнике, так же, как на спутниках Юпитера, может быть жизнь. Потому что там условия вполне комфортабельные: нет громадной гравитации, ну и вообще на газовом шаре было бы жить трудно.

И вот как художник представил себе жизнь на таком спутнике планеты-гиганта. Вот она сама. Вот где-то светит её звезда. А на спутнике, как он себе представил, есть жидкая вода. Но вот ромашки, это уже остаётся на его совести. В любом случае, жизнь может быть богаче, чем мы себе представляем. Даже если взять планеты-гиганты, газовые гигантские планеты, большие Юпитеры, которые мы не рассматриваем в качестве кандидатов на обитаемость, мы должны учитывать, что около них могут быть спутники, где что-то интересное для нас может найтись с точки зрения возможности жизни.

Ну, и совсем красивые миры возможны — хочется немного пофантазировать. Есть звёздные системы, где есть, как вы видите, три звезды. И у них тоже сейчас найдена планета. Она примерно в 4–6 раз по массе больше Земли. Про неё пока что не так много известно. Но представим, что на ней есть жизнь. Те, кто любит наблюдать закаты и рассветы, может умножить это число на три. Картина будет, конечно, не очень яркая, потому что эти звёзды довольно тусклые. Это красные карлики. Но все равно красиво. И вот ещё одна такая экзотическая система. Здесь двойная звёздная система. Ее тоже открыл аппарат «Кеплер». Две звезды вращаются друг относительно друга за 21 день, и у них нашлось две общие планеты, которые вращаются вокруг этих двух звёзд с периодами 130 и 260 дней. С точки зрения обитаемости про них пока ничего нельзя сказать, но это интересный пример, подтверждающий, сколь разнообразна может быть Вселенная. Могут быть системы, где много солнц и много планет.

Хочу закончить свою лекцию песней нашего замечательного поэта Владимира Семёновича Высоцкого, который, похоже, думал об этой проблеме. Наверное, многие знают эту песню. (Звучит песня «В далёком созвездии Тау Кита…»).

Информация в дополнение к лекции

Астрофизики, обрабатывающие данные телескопа «Кеплер», обнаружили в двух звездных системах три суперземли, находящихся в зоне потенциальной обитаемости.

В системе Кеплер-62 , центром которой является тусклый карлик типа K2, обнаружено пять экзопланет. Три их них — Кеплер-62b, Кеплер-62c, и Кеплер-62d — находятся на очень близких к своей звезде орбитах, поэтому на их поверхности невозможно существование жидкой воды. Две оставшиеся — Кеплер-62e и Кеплер-62f расположены в потенциально обитаемой зоне и, по предположению авторов открытия, покрыты океанами.

Обе планеты относятся к классу суперземель, причем Кеплер-62f является самой маленькой из тех, на поверхности которой возможно существование воды – ее радиус на 40 процентов больше земного. Кеплер-62e чуть больше, она находится на внутренней границе потенциально обитаемой зоны. Планеты делают полный оборот вокруг звезды за 267 и 122 земных дня соответственно.

Третья обнаруженная астрофизиками водная суперземля расположена в системе Кеплер-69. Система состоит из звезды – «двойника» Солнца и двух экзопланет: горячей Кеплер-69b и находящаяся в зоне потенциальной обитаемости Кеплер-69с. Последняя делает полный оборот вокруг своей звезды за 242 дня, а ее радиус на 70 процентов больше земного.

Статья с описанием экзопланет опубликована в журнале Science.