С 2009 года космический телескоп Кеплер постоянно наблюдал за примерно 200 000 звезд в нашем уголке Млечного Пути. Он искал места, где может существовать жизнь — путем определения небольших каменистых планет в умеренных теплых зонах желтых солнц и выясняя, насколько особенной является Земля в «великой схеме вещей». И хотя эта миссия произвела революцию в изучении экзопланет, ее основные цели остались в основном невыполненными. Механическая неисправность прервала первоначальное исследование Кеплера в 2013 году. Позже астрономы обнаружат только одну похожую на Землю планету в собранных телескопом данных.
«[Действительно похожие на Землю планеты] сами по себе не прячутся, просто чувствительность наших телескопов еще недостаточно высока, [чтобы найти их]», — говорит Дирк Шульце-Макух, астробиолог из Технического университета в Берлине, который не был связан с новым исследованием. Если астрономы захотят найти Землю 2.0, исследования, вычисляющие частоту встречаемости таких миров, дадут будущим телескопам лучшие шансы на успех.
В современном контексте экзопланет выражение «похожая на Землю» не обязательно подразумевает бледно-голубую точку. С точки зрения телескопа, нет никакой точки вообще — просто случайное затемнение звезды, когда планета проходит по ее диску, блокируя крошечную часть света от нее. И все же из этих мерцаний исследователям удается извлечь несколько ключевых фактов. Например, мерцания с большой амплитудой указывают на гигантские планеты. А частые затемнения — это признак планеты на быстрой орбите недалеко от звезды. Экзопланета считается похожей на Землю, если эти характеристики помещают ее в так называемую обитаемую зону звезды — «райскую» полосу орбит, где быстрые расчеты предполагают, что тепло звезды позволит воде оставаться жидкой.
Художественное изображение телескопа Кеплер.
Мишель Кунимото, ученый-планетолог, руководившая недавним анализом, вывела характеристики экзопланеты, которые должны выполняться, чтобы она была похожа на Землю. Итак, этот инопланетный мир должен иметь размеры от 3/4 до 1.5 от земного и вращаться вокруг звезды G-типа (желтый карлик) на расстоянии от 0.99 до 1.7 от нашего орбитального расстояния. В нашей Солнечной системе только Земля удовлетворяет всем этим критериям: Марс слишком мал, а Венера вращается слишком близко к Солнцу.
Миры, удовлетворяющие всем трем условиям, почти наверняка существуют, как предполагает работа Кунимото, которая принесла ей докторскую степень в Университете Британской Колумбии. Но их трудно заметить. Затемнение диска звезды от маленьких планет трудно увидеть. Кроме того, они могут проходить перед своим солнцем только один раз в несколько сотен дней — а астрономам нужно по крайней мере три прохода, чтобы уверенно заявить об обнаружении. Что еще хуже, желтые карлики вообще редки и составляют всего 7% от 400 миллиардов звезд Млечного Пути. Подавляющее большинство светил нашей галактики — это тусклые красные карлики, которые могут стерилизовать близлежащие планеты смертоносными вспышками излучения.
Увы, планировщики миссии «Кеплер» не знали об этом при запуске телескопа, однако в любом случае у него практически не было шансов удачно завершить свой поиск. Чтобы обнаружить три транзита медленных планет, вращающихся вокруг внешнего края обитаемых зон их солнц, телескоп должен постоянно смотреть на один и тот же участок неба в течение более семи лет. Но его позиционирующий механизм сломался после четырех лет работы — этого едва хватает, чтобы найти планеты во внутренней части обитаемых зон похожих на Солнце звезд.
Более того, Кеплер был спроектирован с учетом нашего Солнца. Но наша звезда оказалась особенной во многих отношениях. «Солнце имеет тенденцию быть довольно спокойным», — говорит Кунимото, в то время как звезды, обнаруженные Кеплером, были в основном куда более бурными. «По сути, найти планеты, похожие на Землю, намного сложнее, чем ожидали разработчики миссии».
Участок небесной сферы, отслеживаемый Кеплером, и сектор обзора телескопа по отношению к нашей Галактике.
Космический телескоп оставил после себя огромный научный талмуд, в котором описываются тысячи экзопланет — в основном это горячие гиганты, сравнимые по размеру с Юпитером, обнимающие своих звезд-хозяев. Такие планеты, очевидно, проще всего обнаружить — они ощутимо снижают яркость своих светил и совершают оборот вокруг них временами за считанные дни. Но изредка попадались и менее экзотические миры — например, планета Kepler 452b всего на 10% больше Земли и имеет год, который всего на три недели длиннее нашего.
Новая работа основана на методе, разработанном Дэнли Хсу, астрономом из Пенсильванского университета, в 2018 году. Ранее многие исследователи предполагали, что в космосе будет равномерное распределение размеров планет и их орбит, но по мере роста количества обнаруженных экзопланет некоторые виды миров кажутся более распространенными, чем другие. Например, среди планет с годами короче 100 земных дней многие из них на 50% больше Земли, некоторые больше на 150%, но лишь немногие вдвое больше нашей планеты.
Чтобы учесть эти необъяснимые странности, Хсу и Кунимото разбили данные Кеплера на множество различных категорий размеров и орбит, и проанализировали их все более независимым образом. Кунимото пошла еще дальше и составила свой собственный список кандидатов на экзопланеты, не полагаясь на официальный каталог.
В конце концов, Кунимото рассчитала, что планета, похожая на Землю, может вращаться примерно вокруг каждой пятой звезды, похожей на Солнце. Однако она подчеркивает, что эта цифра представляет собой верхнюю границу, и что землеподобные миры вполне могут встречаться несколько реже. Кунимото признает, что эта цифра немного грубовата, но она ощутимо снижает ранее опубликованные широкие диапазоны, которые предполагают от одной земли на пятьдесят солнц до двух земель, вращающихся вокруг каждого солнца.
Художественное изображение планеты Kepler 452b, очень похожей на Землю.
Шульце-Макух называет эту оценку «разумной» и говорит, что такого рода исследования дают нам ценный взгляд, способствующий появлению ответов на другие фундаментальные вопросы, такие как «является ли наша Солнечная система типичной для Млечного пути, или же это своего рода космическая причуда». Однако он предостерегает от того, чтобы дать волю своему воображению, когда галактики заполняются миллиарды зеленых планет с пушистыми облаками. Критерии, накладывающие ограничения на орбиту, размер планеты и тип звезды, мало говорят о том, имеют ли эти миры плотную атмосферу и магнитное поле, а также воду и материалы, необходимые для возникновения жизни.
Оценка, полученная Кунимото, также может повлиять на формирование будущих космических миссий и дать им больше шансов в нахождении экзопланет, похожих на Землю. Чем чаще встречаются такие миры, тем больше планировщиков миссий будут сосредотачиваться на разработке инструментов, которые изучают конкретно экзопланеты земного типа.
Шульце-Макух также надеется, что космические телескопы будущего будут нести «звездные тени» — фильтры, которые блокируют свет звезды, позволяя захватывать экзопланеты в виде отдельных пикселей на фото, изменения в цветах которых могут рассказать о сезонности или наличии ледяных шапок. Такие нововведения могут сузить представления исследователей о том, что значит быть планетой, похожей на Землю, но он предсказывает, что однозначное открытие истинной Земли 2.0, наделенной жизнью — дело далекого будущего. «Если мы просто воспользуемся технологиями, которые у нас есть сейчас», — говорит он, «окажется, что мы в световых годах от открытия».