Есть ли жизнь на Суперземлях

Несколько дней назад, 15 июня, в журнале Earth and Planetary Science Letters появилась статья, авторы которой доказали, что обнаруженные на метеорите Мурчисон органические молекулы имеют внеземное происхождение. Одновременно европейские астрономы доложили об обнаружении системы, состоящей из звезды и трех планет земного типа. Сложив вместе эти открытия, можно предположить, что ученые нашли доказательства возможности зарождения жизни на других планетах.

Чтобы понять, насколько правомерно это утверждение, необходимо разобраться, что же именно доказали ученые и насколько это важно. Начнем с открытия планет земного типа в далекой звездной системе. Все они относятся к классу так называемых Суперземель (super-Earth) - планет, масса которых больше массы Земли, однако меньше масс Нептуна и Урана, которые тяжелее Земли в 17 и 14,5 раза соответственно. Обнаруженные планеты тяжелее Земли в 4,2, 6,8 и 9,4 раза.

Суперземли обращаются вокруг звезды HD 40307, которая удалена от нас на расстояние в 42 световых года. HD 40307 расположена в той части неба, где находятся созвездия Золотой Рыбы и Живописца. Масса звезды составляет около 80 процентов массы Солнца.

Отражения звезд

Найденные экзопланеты – планеты, находящиеся за пределами Солнечной системы – далеко не первые. О возможности их существования говорил еще Исаак Ньютон в своей работе "Главная схолия" (General Scholium). Попытки обнаружить далекие планеты проводились с XIX века. Несколько раз астрономы заявляли, что их данные четко указывают на наличие экзопланет, однако позже все эти результаты были опровергнуты. Что не удивительно. До конца XX века обнаружение экзопланет было технически невозможно.

Дело в том, что планеты являются очень слабыми источниками света. Они не испускают его, а лишь отражают свет соседних звезд. Яркость излучения большинства планет не превышает одной миллионной яркости излучения звезды, вокруг которой они обращаются. Кроме того, своим свечением звезда "затеняет" своих "питомцев": на фоне ее ослепительного блеска тусклый свет планет теряется. Таким образом, прямо увидеть планеты чрезвычайно сложно.

В наше время астрофизики разработали несколько непрямых методов, которые позволяют определить наличие у данной звезды планет.

Метод микролинзирования, или метод гравитационных линз

Существование гравитационных линз было предсказано Альбертом Эйнштейном. Согласно созданной им теории относительности, объект большой массы вызывает вокруг себя значительное искривление пространства, что может приводить к изменению пути, по которому движется свет. В качестве такого крупного объекта может выступать, например, галактика. Гравитация галактики "притягивает" свет от звезд, и в итоге его путь искривляется: лучи как бы огибают массивный объект. На практике это выражается в более ярком, по сравнению с предсказаниями классической оптики, свечении звезды. Кроме того, так как свет может обойти галактику по различным траекториям, наблюдатель может увидеть несколько копий одной и той же звезды.

Экспериментальные доказательства существования гравитационных линз были получены в 2005 году. Астрономы исследовали свечение нескольких сотен квазаров. Они установили, что вблизи галактик распределение яркости света переставало быть равномерным.

Метод микролинзирования может быть использован для поиска экзопланет. Обращающиеся вокруг звезды-"хозяина" планеты вызывают дополнительные искривления в пути света, приводя к еще большему усилению яркости звезды. Несмотря на сложную теоретическую основу, метод гравитационных линз относительно прост в применении. Обнаружить далекие планеты с его помощью могут даже астрономы-любители. Именно они в 2005 открыли самую далекую из известных на тот момент планет – она находится на расстоянии 15 тысяч световых лет. В 2008 году гравитационные линзы помогли астрономам обнаружить самую маленькую экзопланету. "Крошка" MOA-2007-BLG-192L всего в три раза больше Земли.

Астрометрический метод

Силы гравитации, которые заставляют планеты обращаться вокруг своих звезд, действуют также и на сами звезды. Вращающиеся вокруг звезды планеты вызывают изменения в ее траектории движения: такая звезда вращается по эллиптической или круговой орбите относительно общего с планетой центра масс. Посмотреть, как это выглядит, можно здесь.

Метод Доплера или метод измерения лучевой скорости

Эффект Доплера можно увидеть при наблюдении за спектральными характеристиками света звезд. Когда звезда приближается к наблюдателю, спектр ее излучения смещается в синюю область из-за уменьшения длины волн. При удалении звезды наблюдатель видит смещение спектра в красную область, связанное с увеличением длины волн. Как уже упоминалось при описании астрометрического метода, наличие у звезды планеты или планет вызывает ее колебания вокруг общего с ней или с ними центра масс. Соответственно, при этом спектральные характеристики света звезды начиняют "гулять", сдвигаясь то в красную, то в синюю область. По амплитуде и периоду смещения линий астрономы определяют массу планеты, радиус ее орбиты и период обращения.

Транзитный метод

Этот метод позволяет обнаружить планеты при их прохождении (транзиту) по диску звезды-"хозяина". Во время транзита планета затеняет звезду, и наблюдатель видит снижение яркости ее свечения. Чем больше планета, тем сильнее эффект. Тем не менее, он все равно незначителен: планета размером с Юпитер "тушит" звезду всего на один процент.

Кроме описанных выше, существует еще большое количество способов обнаружения экзопланет. Совершенствование методов поиска привело к лавинообразному росту новых данных. С момента обнаружения первой планеты за пределами Солнечной системы в 1992 году, число новооткрытых планет возросло почти до 300.

Большинство из них – это гиганты, по размеру сравнимые с Юпитером – самой крупной планетой Солнечной системы. Вероятность зарождения жизни на таких планетах очень низка из-за сильной гравитации. Однако кроме безнадежно больших планет встречаются планеты, которые по массе могут сравниться с Землей. Самой маленькой из них является уже упоминавшаяся MOA-2007-BLG-192L. Остальные Суперземли несколько больше, однако теоретически их масса не препятствует появлению жизни.

Кроме относительно небольшой массы, планета-кандидат на возможность зарождения жизни должна соответствовать еще нескольким критериям: на ней не должно быть слишком холодно или слишком жарко, она должна иметь атмосферу, которая не была бы слишком агрессивной. Таким образом, из списка теоретически обитаемых планет исключаются те, которые обращаются по слишком большим (холодные) или, наоборот, маленьким (горячие) орбитам. Для жизни также непригодно большинство планет, вращающихся вокруг очень жарких или наоборот, потухших, звезд.

На сегодняшний день "отбор" прошла только одна планета с названием 581 c. Она в пять раз тяжелее Земли и обращается вокруг красного карлика Глизе 581 (Gliese 581), находящегося в созвездии Весов. Правда, пригодность для жизни 581 c несколько условна: ученые до сих пор не знают, есть ли у нее атмосфера. Кроме того, эта планета, вероятнее всего, не вращается вокруг своей оси. Это значит, что на одной ее стороне всегда холодная ночь, а на другой – жаркий день.

С другой стороны

Кроме поиска экзопланет существует еще один подход к обнаружению жизни вне Земли – анализ химического состава космических объектов. А точнее, поиск органических соединений, составляющих основу живой материи. Этот подход уже привел к неожиданным результатам. Оказалось, что синтез органических молекул – вполне обычный для Вселенной процесс.

Так, в 2004 году группа ученых под руководством Георгия Манагадзе из Института космических исследований РАН показала, что синтез органических молекул может происходить при столкновении мельчайших частиц материи на сверхвысоких скоростях. Исследователи показали, что таким способом могут образовываться, в частности, аминокислоты – молекулы, из которых состоят белки.

Синтез происходит в плазменном выбросе, который образуется при ударе частиц. Органические молекулы синтезируются в том случае, если в сталкивающихся частицах присутствуют атомы углерода, а также водорода, азота и кислорода. Столкновения, в результате которых может образоваться органика, постоянно происходят в космическом пространстве.

Подтверждением этой гипотезы стало обнаружение на небесных телах органических молекул довольно сложного строения. Например, в 2004 году специалисты из Университета Толедо в Огайо обнаружили в туманности Красный Прямоугольник молекулы антрацена и пирена. Антрацен состоит из 24 атомов, пирен – из 26.

Следующими небесными объектами, на которых ученые начали искать органику, стали метеориты. На многих из них действительно были обнаружены органические соединения. После проведения радиоуглеродного анализа оказалось, что часть найденной органики сформировалась во время образования Солнечной системы. Внешний слой метеорита выполняет функцию оболочки, которая защищает древнее содержимое от внешних воздействий.

Таким образом, метеориты могут выступать переносчиками органического материала во Вселенной. Фактическим подтверждением этого предположения стала уже упоминавшаяся работа американских и европейских ученых, изучавших состав метеорита Мурчисон (Murchison), который упал в Австралии в 1969 году. Ученые обнаружили на метеорите молекулы урацила и ксантина - предшественников при синтезе ДНК и РНК у земных организмов. Чтобы определить, какое происхождение имеют эти молекулы, исследователи провели их радиоуглеродный анализ. В данном случае они определяли наличие тяжелого изотопа углерода ¹³C, который образуется преимущественно вне Земли. Полученные результаты подтвердили, что урацил и ксантин с Мурчисона имеют внеземное происхождение.

До появления этой работы у ученых оставались сомнения, не является ли обнаруженная на метеоритах органика "загрязнением" с Земли. Теперь ясно, что, по крайней мере в некоторых случаях, это не так. Таким образом, теоретически, жизнь, "шаблоны" которой были занесены из космоса, могла образоваться не только на Земле, но и на какой-нибудь из планет земного типа. Возможно, с разработкой более совершенных методов поиска астрономы найдут больше кандидатов на роль обитаемых планет. Следующей задачей станет доказательство, что на этих планетах действительно присутствует органика. Пока что технически великолепно оснащенный "Феникс", который пытается отыскать органические молекулы на Марсе, не смог ответить даже на относительно простой вопрос, была ли вообще когда-нибудь жизнь на нашем ближайшем соседе.