В поиске новых миров. Интервью с сотрудником Института космических исследований РАН Александром Тавровым об исследованиях экзопланет

В начале 2023 г. в СМИ появились публикации о том, что российские ученые открыли восемь новых экзопланет. Исследованиями занималась и продолжает заниматься Специальная астрофизическая обсерватория РАН в Архызе. Впервые новые экзопланеты открыла группа исключительно российских ученых, до этого момента они участвовали в поисках только в составе международных коллективов.

Что ученые узнают, исследуя экзопланеты? О каких характеристиках возможной жизни на них могут сообщить? Почему самый эффективный метод поиска планет вне Солнечной системы способен показать не больше 1% от всех миров во Вселенной? Об экзопланетах корреспондент портала «Научная Россия» поговорил с сотрудником Института космических исследований РАН, доктором технических наук Александром Викторовичем Тавровым.

― Вначале напомним, что такое экзопланеты. Это любые планеты вне Солнечной системы?  

― Да, все верно, экзопланеты иногда называют внесолнечными планетами, они находятся на орбитах других звезд. Приставка «экзо» происходит от английского extrasolar, то есть «вне Солнца». Как Солнце ― родительская звезда для Земли, так и другие звезды считаются родительскими для других планет. С большой вероятностью планеты есть у всех звезд, но мы еще не способны видеть и изучать многие из них. 

― Первые экзопланеты были открыты в 1990-х гг. Тогда это были единичные открытия, но сейчас в базу заносят сотни таких планет в год. Это связано с техническим развитием и совершенствованием наземных и орбитальных телескопов?

― Да, астрономические приборы сегодня достигли такой точности, что способны опосредованно или напрямую определить наличие экзопланет. С развитием приборной базы удается открывать более далекие и экзотичные планеты и даже начать их изучать.

Первое поколение астрономических инструментов показывало наличие планет вне Солнечной системы и помогало собрать приблизительные характеристики. Сегодня выпускаются приборы для поиска экзопланет второго поколения, приближающие нас к стадии характеризации, то есть углубленного исследования уже открытых экзопланет. С их помощью ученые пытаются определить конкретные свойства небесных тел, например наличие и особенности атмосферы.

При этом сегодня хорошо изучены только единицы экзопланет из всех известных. Мы получили их основные параметры: массу, размер, период обращения вокруг родительской звезды и количество получаемого от нее тепла. Это исследуется в первую очередь. Но ученых интересует, что это за планеты: похожи ли они на Землю, или это, например, газовые гиганты, как Нептун. Получить такую информацию пока удается только для отдельных небесных тел. Но мы уже знаем, что в космосе много планет, называющихся мини-нептунами: в Солнечной системе нет ничего похожего. У таких экзопланет есть первичная гелий-водородная атмосфера, характерная для планет-гигантов, и твердое железо-каменное ядро.

С помощью современных инструментов, например телескопа «Джеймс Уэбб», ученые анализируют характеристики и пытаются увидеть спектр планет. На научном языке это называется «спектроскопия транзита экзопланет»: таким образом ученые пытаются понять, относятся ли планеты к земному типу или к гигантам.

― Какие данные могут показать возможную жизнь на планете? Разумеется, не разумную, а ее минимальные проявления…

― Поиск жизни вне Земли ― это потаенная мечта всех ученых. Пока доказательного ответа нет. Есть только теории, оценивающие возможный процент исключительности Земли. Но пока ответить на вопрос о внеземной жизни ученые не могут, несмотря на то что нам известно более 5,5 тыс. экзопланет, и еще более 9,5 тыс. планет находятся в качестве кандидатов в экзопланеты. К кандидатам относят тела, если их планетная природа не доказана. Например, это может быть двойная или кратная звезда.

Конечно, открытие жизни на другой планете было бы серьезным прорывом, но пока ученые только в лабораториях пытаются воссоздать условия зарождения жизни, чтобы понять необходимые обстоятельства. Среди наблюдаемых экзопланет ничего похожего пока заметить не удалось.

Первый критерий возможной жизни на экзопланете ― это наличие атмосферы и то, насколько она похожа на земную. Второй этап оценки ― поиск биомаркеров. Если на планете есть жизнь и она похожа на земную, то бактерии будут продуцировать в атмосферу определенные вещества. Прекрасные биомаркеры ― это хлорофилл и хлорметанол, метан и кислород. Поиском таких биомаркеров занимаются ученые во всем мире, но до решения задачи пока далеко.

― Стивен Хокинг писал: «Для моего математического мозга достаточно только чисел, чтобы сделать размышления об инопланетянах абсолютно рациональными». К.Э. Циолковский также считал, что жизнь, в том числе разумная, вполне возможна на других планетах, учитывая их колоссальное количество во Вселенной. А что вы думаете?

― Действительно, звезд много, и сегодня считается, что у каждой звезды есть планеты. Это в том числе статистически показали исследования на телескопе «Кеплер», который зафиксировал более 3 тыс. подтвержденных экзопланет.

Планет много, но много и разнообразных условий на них. Мы узнали, что есть экзопланеты, которых нет в Солнечной системе, например горячие юпитеры. Это газовые гиганты, которые обращаются на очень близкой орбите родительской звезды и буквально чиркают по ее фотосфере. Такие планеты встречаются достаточно часто, и эволюционные модели показывают, что когда горячий юпитер мигрирует к родительской звезде от того места, где планета была зарождена, он поглощает и сметает все внутренние планеты типа Марса, Земли и Венеры. Получается, что вероятность обнаружения удобных для жизни планет не так велика.

Важна и «зона обитаемости» ― расстояние от Солнца, на котором возникают комфортные для жизни условия. Но эти факторы не до конца исследованы и в Солнечной системе. Например, раньше казалось, что Земля, Марс и Венера находятся в комфортных условиях для зарождения жизни. Но Венера и Марс показывают, что жизни на них нет и неизвестно, была ли она там раньше. Кроме того, у планет-гигантов есть спутники, как, например, Европа и Ганимеда. На них могут быть подледные океаны, в которых, возможно, есть примитивная жизнь в виде бактерий. Это еще не исследовано.

Наблюдая за Солнечной системой, мы замечаем, что жизнь могла бы возникнуть не только на нашей планете. Но она есть только на Земле, и пока мы не знаем, с чем связан этот феномен.

Сейчас наша цивилизация находится на достаточно хорошем технологическом уровне. Да, мы не можем полететь к звездам, но мы уже можем их рассматривать настолько подробно, чтобы видеть экзопланеты. Возможно, через десять лет инструменты позволят идентифицировать наличие или отсутствие биомаркеров на экзопланетах. И здесь важно понимать: открытие жизни на экзопланете будет сенсационным открытием, но в равной степени сенсационным будет и знание о том, что жизни там нет. Вероятно, эта загадка разрешится в течение ближайших десятков лет.

― Какие фундаментальные знания о Вселенной нам дает изучение экзопланет?

― Сказать, что изучение экзопланет ― это интересно, мало. Такие исследования открывают несколько положительных и необходимых звеньев развития науки. Во-первых, это развитие технологической базы: появляются новые, более точные инструменты, которые собирают больше света и могут разрешить спектр с более подробными деталями, чтобы получить информацию о небесных телах.

Кроме технологического драйвера, изучение экзопланет приводит к исследованию сравнительной планетологии. Мы жили в рамках достаточно неплохих знаний о Солнечной системе. Например, было известно, что ближе к Солнцу находятся твердые планеты, которые называют землеподобными, дальше располагаются газообразные и затем ледяные гиганты. Была соответствующая иерархия. Сегодня мы понимаем, что статистически эта иерархия сохраняется, но могут быть и большие исключения.

Изучая и открывая новые экзопланеты, мы открыли их новые типы: мини-нептуны, горячие юпитеры, суперземли, последние больше нашей планеты в несколько раз, но имеют схожую структуру. Есть планеты-океаны, есть расплавленные планеты с океанами магмы и т.д. До изучения экзопланет мы ничего этого не знали, а сейчас информация подтверждена с помощью астрономических наблюдений.

Так мы расширяем знания о возможных для исследования и обитания мирах в виде планет. Уверен, что скоро будет открыт и такой тип планет, который мы не можем даже представить себе.

― Самый популярный метод поиска экзопланет ― метод транзита. Расскажите, что это такое.

― По числу открытых планет метод фотометрического транзита ― самый эффективный. Он основан на редком явлении, когда для нас как для наблюдателей, находящихся на Земле или на орбите, событие транзита происходит «в одной плоскости»: в одну линию выстраиваются звезда и планета, проходящая по диску этой звезды, а направление на наблюдателя достаточно точно находится в орбитальной плоскости планеты. В такой ситуации планета затеняет в направлении нас свет на долю процента и регистрируется периодическое снижение светимости. Это и есть фотометрический транзит.

Интересно, что это очень маловероятное событие приносит больше всего открытий, и нам серьезно везет, если планета находится в транзитной конфигурации. Но наблюдать с Земли транзитным методом можно только экзопланеты, находящиеся на тесных орбитах родительской звезды. Те же горячие юпитеры, о которых я говорил. А землеподобные планеты можно увидеть таким способом только из космоса: наземным телескопам мешает атмосфера. В космосе задачи по поиску экзопланет транзитным методом выполняли телескопы «Кеплер», KOROT, «Спитцер», сейчас выполняет TESS.

Надо понимать, что вероятность транзитной конфигурации составляет меньше 1% для землеподобных (долгопериодических) планет. А значит, для поиска и изучения оставшихся 99% экзопланет требуются другие методы. Сегодня развивается метод прямого наблюдения. Эти задачи выполнит телескоп Nancy Roman. На нем установлены специальные звездные коронографы, затеняющие свет родительской звезды, чтобы проявить дифракционный фон и увидеть фотоны от других планет.

― В начале 2023 г. появились публикации о том, что российские ученые открыли восемь потенциальных экзопланет. Расскажите подробнее об этой работе.

― Поиском и валидацией этих экзопланет занимается Специальная астрофизическая обсерватория РАН в Архызе. Там установлены роботизированные телескопы, которые полгода смотрят в одну область неба, накапливают колоссальное количество данных и методом дифференциальной фотометрии определяют сигналы, которые могут свидетельствовать о наличии экзопланет. Затем эти сигналы требуют валидации их планетной природы.

― Обнаруженные тела уже подтверждены как экзопланеты или пока находятся в стадии кандидатов?

― Пока это кандидаты, но шесть из них уже наблюдают для подтверждения их статуса экзопланет. Эти планеты тоже были открыты методом фотометрического транзита, при котором возможны так называемые ложные позитивы: то есть виден такой же периодический сигнал, как от планеты, но виновник заслонения родительской звезды ― другой звездный компонент. Чтобы определить, что именно мы видим ― планету или звезду, используют спектроскопический метод лучевых скоростей. Он позволяет измерить относительную скорость объекта, вызывающего событие. Если скорость измеряется метрами в секунду ― это планета, а если километрами в секунду ― то звезда. И именно эта работа идет в отношении шести из восьми кандидатов, обнаруженных нами. Думаю, что для валидации потребуется еще около года. Не так просто провести эти точные измерения, а кроме того, на продуктивность исследований влияет и погода. 

― Можно ли предполагать, к какому классу относятся эти планеты, до окончательного подтверждения?

― Скорее всего, это гиганты на тесных орбитах: горячие юпитеры или, в крайнем случае, горячие нептуны. Эта именно та область, которую мы можем увидеть с Земли. Планеты земного типа с Земли мы бы не увидели.

― Восемь потенциальных экзопланет и их валидация ― это вся информация, которую стоит ждать от обсерватории в Архызе?

― Конечно, стоит ждать новых открытий. Сейчас обрабатывается следующий цикл полугодичных наблюдений, и постепенно работа будет приносить все больше кандидатов и новые экзопланеты.

Интересно, что на восемь открытых кандидатов в экзопланеты пришлось около 100 транзитных явлений, которые абсолютно точно были свидетельствами кратных звезд. То есть в процессе поиска экзопланет пополняется и каталог кратных звезд, о кратности которых раньше не было информации.

― Какие экзопланеты интереснее всего изучать лично вам?

― Конечно, интереснее всего было бы добраться до планет землеразмерного типа. Это самая корректная формулировка обозначения таких планет, так как методом транзитов удается увидеть их размер, приблизительно оценить, сколько тепла они получают от родительской звезды, но определить их плотность пока невозможно. Это ― в будущем. 

Чтобы измерить массу тела, требуется длительное наблюдение методом лучевых скоростей. Нужно накопить достаточно много точек на орбитальных периодах, и только тогда получится собрать информацию. Ученые тянутся к этим открытиям. Самый точный спектрограф сегодня ― это ESPRESSO. Его точность ― порядка 30 см в секунду, но для наблюдений экзоземли нам нужна точность около 10 см/с. При этом еще год назад точность ESPRESSO составляла 1 м/с: это показывает, что точности постепенно увеличиваются, и скоро станет возможным измерять массу планет и, соответственно, их плотность. Это поможет ответить на вопрос, относится ли планета размером с Землю к категории землеподобных. После этого большие телескопы смогут изучать их детально.