Немногие вопросы в науке имеют большую привлекательность, чем вопрос о том, одни ли мы в бесконечной Вселенной. Поиск инопланетной жизни захватывал человеческое воображение на протяжении тысячелетий. И даже сейчас, почти через 25 лет после открытия первой планеты, вращающейся вокруг звезды, отличной от Солнца, астрономы не могут дать точного ответа на него.

«Большинство людей, если не все, в какой-то момент своей жизни задаются вопросом, а есть ли жизнь на других планетах», — говорит астроном Гарвардского университета Дэвид Шарбонно. «Мы могли бы на самом деле ответить на него ... мы знаем, какой телескоп нам нужно пойти и построить, чтобы ответить на него».

Это, скорее, оптимистичная точка зрения: жаркие дискуссии о том, как определить планеты, на которых с наибольшей вероятностью будет возможна жизнь, не утихают последние два десятилетия. Дебаты с новой силой разгорелись 11 сентября этого года, когда астрономы объявили об открытии водяного пара в атмосфере близлежащей экзопланеты K2-18b.

Привлекательность планеты исходит из ее положения в «обитаемой зоне» своей звезды — области, где температура как раз подходит для существования жидкой воды, которая считается решающим фактором для жизни. K2-18b может даже иметь дождевые облака, сообщили астрономы.

Это не значит, что вы можете взять зонтик и пойти ее исследовать. «То, что планета находится в обитаемой зоне, не означает, что она пригодна для жизни», — говорит Джесси Кристиансен, астрофизик из Калифорнийского технологического института. «Если бы вы обратились к 100 астрономам, 99 из них сказали бы, что эта планета непригодна для жизни».

На самом деле, из 192 открытых на данный момент экзопланет, про которых известно, что большая часть их орбит расположена в обитаемых зонах своих звезд, все, кроме 24, являются, вероятно, негостеприимными газовыми гигантами, такими как Юпитер. И даже если скалистая планета находится в обитаемой зоне, как тот же Марс, это не гарантирует того, что там можно жить. Достаточное количество ученых считают, что у Красной планеты очень спорные шансы на обитаемость: малое количество воды на поверхности, отсутствие магнитного поля и дубак везде, кроме экватора — не самое лучшее место для жизни, не правда ли? 


Лишь 24 из 4118 экзопланет потенциально являются каменистыми и находятся в обитаемой зоне.

Итак, как же мы можем искать обитаемые планеты, удобно устроившись на Земле? Стоит начать с переосмысления определения этого термина. Некоторые астрономы утверждают, что термин «обитаемая зона» является слишком неуклюжим и включает планеты без шансов на обитаемость, исключая при этом другие, на которых жизнь как раз вполне возможна. Астрономы обращаются к физике минералов, химии и экологии, чтобы усовершенствовать концепцию обитаемости.

Новые космические обсерватории, предназначенные для поиска жизни, могут быть одобрены НАСА в следующем году. Как говорит Шарбонно, не только слова, используемые для определения обитаемости, нуждаются в обновлении, но и оборудование, используемое для ее поиска. «У нас просто нет подходящих телескопов».

Сужаем круг

С 1950-х годов, когда астрономы начали всерьез говорить о поиске других обитаемых миров, они полностью сосредоточились на планетах, подобных Земле. В статье, опубликованной в 1993 году в журнале Icarus, геолог Джеймс Кастинг из Государственного университета Пенсильвании заложил основу для наиболее популярного сегодня определения «обитаемой зоны»: это область Златовласки, где температура не будет слишком высокой или слишком низкой для существования жидкой воды (здесь идет отсылка к английской сказке «Три медведя», где Златовласка, заблудившись в лесу, находит медвежий дом с тремя наборами предметов — больших для нее, маленьких и подходящих как раз — прим. перев.). Но этот критерий не распространяется на все планеты в обитаемой зоне: модель Кастинга работает только для каменистой планеты с земной атмосферой, состоящей из углекислого газа, кислорода, воды и азота.

«Любой тип планет может вращаться в обитаемой зоне», — говорит астрофизик Элизабет Таскер из Японского агентства аэрокосмических исследований, но только планеты, подобные Земле, могут иметь жидкую воду на своих поверхностях. «Мы все это отлично знаем, так как Луна и Марс движутся по орбитам в обитаемой зоне, но ни на одном из этих миров вы не помочите ноги в воде озер».

Еще в 1993 году не было известно ни о каких экзопланетах вокруг обычных звезд, хотя был намек на существование одной из них на орбите рядом с пульсаром, быстро вращающимся излучающим звездным останком. «Я рассуждал тогда чисто теоретически», — говорит Кастинг.

Однако два года спустя исследователи впервые обнаружили планету, вращающуюся вокруг солнцеподобной звезды. Эта планета, 51 Пегас b, оказалась горячим Юпитером и была слишком близка к своей звезде, чтобы находиться в обитаемой зоне. Но это ознаменовало официальное рождение астрономии экзопланет. С тех пор было найдено более 4000 других экзопланет, и еще тысячи кандидатов ожидают подтверждения.

«Так все и началось», — говорит Кастинг. «Теперь это реальные наблюдения, а не теоретические рассуждения».

Размеры и поверхности


Поверхность Венеры — ад, вид сверху. Хотя по характеристикам она достаточно близка к Земле и обитаемой зоне Солнца.

Эти два ключевых фактора — каменистая поверхность и правильная смесь газов в атмосфере — часто забываются на фоне волнения от нахождения нового мира в обитаемой зоне звезды. Но, очевидно, они крайне важны для фактической обитаемости планеты.

«Если планета слишком газообразна, атмосферное давление и температура будут слишком высокими, чтобы сложные молекулы, такие как ДНК, были стабильными», — говорит астроном Лаура Крейдберг из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики в Кембридже, штат Массачусетс. Например, на границе между плотной, богатой водородом атмосферой и скалистым ядром температура может достигать более 2500 °C.

К тому же сложная химия может быть заблокирована феноменом, называемым «арифметическим демоном». В разреженной атмосфере атомам может потребоваться слишком много времени, чтобы встретиться, прореагировать и образовать молекулы.

«Оба из них — арифметический демон и отсутствие поверхности — действительно плохие факторы для формирования нужных для жизни условий на планете», — говорит Крейдберг.

Это часть проблемы с K2-18b: не ясно, имеет ли она каменистую поверхность. Возможный способ определить, из чего состоит экзопланета — это измерить ее радиус по количеству звездного света, который она блокирует, пролетая перед своим солнцем, и определить ее массу по гравитационному воздействию на свою звезду. Масса и радиус дают ученым возможность узнать плотность планеты, которая является ключом к ее составу. Но астрономам не всегда удается измерить обе величины.

К счастью, с K2-18b нам повезло — мы знаем, что ее масса в восемь раз превышает земную, а радиус — в два раз. Это означает, что этот мир имеет плотность, подобную плотности Марса. Команда, обнаружившая на этой экзопланете водяной пар, утверждает, что это скалистый мир, схожий с Землей — однако не все астрономы в этом уверены.

Малые планеты имеют тенденцию делиться на две группы: каменистые суперземли и газовые мини-Нептуны. Их разделяют по радиусам: планеты, у которых он в полтора раза больше, чем у Земли, скорее всего будут газовыми. Если меньше — велик шанс, что это тезка Земли. K2-18b, видимо, все же первый тип.


Каменистая суперземля или газовый мини-Нептун — вот в чем вопрос.

«Она определенно рыхлая», — говорит Венди Панеро, физик-минералог из Университета штата Огайо в Колумбусе. Ученые мало знают о том, как скальное ядро будет вести себя при высоких температурах и давлениях, находящихся глубоко в атмосфере газовой планеты. Это может быть расплавленная лава или размытая граница, с которой неясно, где кончается атмосфера и начинается порода. «Мы недостаточно знаем о свойствах материалов при таких условиях», — говорит она.

Знания плотности планеты также недостаточно, чтобы определить, имеет ли она поверхность, подобную земной. В конце концов, Венера почти такого же размера и массы, что и Земля, и находится достаточно близко к обитаемой зоне Солнца с внутренней стороны. Но вот атмосферная химия этой планеты способна растворять металлы, а на поверхности свинец будет плавиться прямо у вас в руках.

«Венера является предупреждением для нас, что размер — это еще не все», — говорит Стивен Кейн, планетарный астрофизик из Калифорнийского университета в Риверсайде. «Эта планета кричит нам, что обитаемость — штука сложная».

Взгляд за пределы обитаемой зоны

Эксперименты в геофизических лабораториях, проверяющие, как различные минералы ведут себя под высоким давлением и температурой, могут помочь уточнить, какие миры пригодны для жизни. Эти исследования в области физики минералов вместе с теориями о том, как формируются различные типы планет, «могут помочь нам выяснить, что эта планета, скорее всего, будет Венерой, а не Землей», — говорит планетарный геолог Кайман Унтерборн из Университета штата Аризона в Темпе.

А некоторые обитаемые миры могут находиться даже за пределами обитаемой зоны своей звезды. Луна Сатурна Титан, с его озерами и реками из этана и метана, является одним из наиболее привлекательных мест в Солнечной системе для астробиологов. Другие ледяные луны Сатурна и Юпитера могут иметь биосферы под замерзшими оболочками, где условия иногда допускают наличие жидкой воды. При этом никто из них и близко не находится в обитаемой зоне Солнца.

«Обитаемая зона — не исключительное место, где может быть жизнь», — говорит планетарный геолог Пол Бирн из Университета штата Северная Каролина в Роли. «Этот нюанс почти никто никогда не учитывает, когда ищет обитаемые миры».


K2-18b близка к обитаемой зоне своей звезды — но, увы, этого мало для ее обитаемости.

Обитаемую зону пора переименовывать

Расстроенные недостатками обитаемой зоны, астрономы предложили альтернативные названия: умеренная зона, зона жидкой воды, зона охоты (потому что именно там астрономы охотятся за признаками жизни) и экосфера, и это лишь некоторые из них. Крейдберг предлагает возродить название «зона Златовласки», которое в последнее время вышло из моды, как менее двусмысленный вариант. Кристиансен в шутку предложил зону ECHaLWOTS — Earth Could Have Liquid Water On The Surface (Земли может иметь жидкую воду на поверхности).

«Вы можете сразу понять, почему мы изо всех сил пытаемся найти альтернативу, которая сможет завоевать популярность», — говорит Таскер. Большая часть новых терминов имеет такую же проблему, что и оригинал: под них подходят те планеты, которые вряд ли будут обитаемыми, при этом зачастую также исключаются миры, шанс существования жизни на которых отнюдь не нулевой.

Поэтому некоторые астробиологи пытаются разработать что-то вроде индекса обитаемости, который может учитывать больше данных и характеристик. К примеру, астробиолог Абель Мендес из Университета Пуэрто-Рико в Аресибо черпал вдохновение в экологии.

«Астробиологи считают, что сложно измерить обитаемость», — говорит Мендес. «Но экологи сталкивались с такой же проблемой в 70-х годах, когда Служба охраны рыбных ресурсов и диких животных США придумала способ оценить, как изменения суши и воды может повлиять на близлежащие растения и животных. Индекс пригодности среды обитания дает оценку того, сколько биомассы может поддерживаться конкретной средой, учитывая, сколько энергии доступно».

Мендес и его коллеги изменили этот индекс и представили его в 2018 году на конференции по Лунной и планетарной науке в Вудлендсе, штат Техас. Уравнение исследователей включает в себя пять переменных для оценки обитаемости планеты: количество звездного света, которое она получает, ее радиус, отражательная способность, доля поверхности, покрытой океанами, и плотность атмосферы.

Однако определение трех последних переменных недоступно для современных телескопов. Но «это уравнение четко показывает вам, что именно вы должны измерить», — говорит Мендес. И он считает, что технологии через пару десятилетий достигнут нужного уровня развития, чтобы определить все пять переменных.

Другие астрономы подвергают сомнению полезность такого индекса, учитывая другие факторы, которые могут влиять на обитаемость, включая активный геологический цикл, расплавленное ядро, тектонику плит, вулканы, выделяющие газы в атмосферу, и магнитное поле для защиты от звездных вспышек. Эти факторы также не всегда могут быть обнаружены с Земли. А некоторые из них требуют непосредственного нахождения на экзопланете.

«Вы можете составить длинный список», — говорит гарвардский астроном Шарбонно. «Неважно, есть ли микробы на горячей стороне приливно заблокированной планеты, если я не могу обнаружить их с помощью своего телескопа».

Забудьте про обитаемость — просто ищите жизнь


Признаки обитаемости просто не нужны, когда вы видите такое в своем телескопе.

Но все же надежда на обнаружение жизни есть: пара будущих телескопов может вскоре предоставить возможность перейти к непосредственному поиску признаков жизни.

«Если вы хотите точно знать, куда переезжать, вам нужны биосигнатуры» — признаки того, что жизнь изменила химический состав атмосферы планеты, говорит Кейн. «Если мы обнаруживаем однозначные биосигнатуры, это означает, что по определению планета пригодна для жизни, потому что там кто-то живет».

НАСА планирует построить два телескопа, которые смогут сканировать небо в поисках экзопланет, похожих на Землю. Обсерватория HabEx (Обитаемая экзопланета) будет изучать около дюжины похожих на Землю экзопланет, вращающихся вокруг солнцеподобных звезд. Large UV/Optical/IR Surveyor, сокращенно LUVOIR, будет делать тоже самое, но для сотни других экзопланет. Оба телескопа будут искать химические отпечатки жизни в атмосферах далеких миров.

«То, для чего разрабатываются эти телескопы — это понять, что находится в атмосферах этих действительно похожих на Землю планет», — говорит Кристиансен.

Тем не менее, концепция обитаемой зоны полезна для разработки таких проектов, как HabEx и LUVOIR, говорит Кастинг. Фокусировка на определенном расстоянии от звезды говорит инженерам, насколько велик должен быть телескоп. «Мы стараемся быть консервативными и пытаемся спроектировать телескопы так, чтобы увидеть что-то, что мы могли бы узнать», — говорит Кастинг. «Довольно сложно распознать жизнь, если она не похожа на нас».

Если признаки жизни будут наконец найдены, споры по поводу термина «обитаемая зона» могут просто исчезнуть за ненадобностью. Изучение реальных инопланетных форм жизни даст ученым гораздо более важные темы для обсуждения.