Семь планет у холодной звезды

На пресс-конференции вечером 22 февраля представители НАСА рассказали об открытии у звезды из созвездия Водолея семи экзопланет размером сходных с Землей. Пресс-релиз об этом опубликовала и Европейская южная обсерватория (ESO), ученые и телескопы которой принимали участие в исследовании. Научная статья об открытии опубликована журналом Nature.

Система TRAPPIST-1

Следует отметить, что НАСА искусно подстегивало интерес публики к событию, способствуя появлению сенсации. О пресс-конференции было объявлено за двое суток, никаких подробностей не сообщалось, известно было лишь, что открытие, о котором пойдет речь, касается объектов, лежащих за пределами Солнечной системы. Возникало впечатление, что представители внеземной цивилизации лично примут участие во встрече или, по крайней мере, выступят по видеосвязи. Этого, конечно не произошло. Не стоит винить НАСА в излишней тяге к саморекламе, научная организация, работающая в основном за счет государственных средств, вынуждена постоянно привлекать внимание к результатам своего труда. Будем надеяться, что, если в Конгрессе США у кого-то возникала мысль сократить финансирование научных исследований, теперь он от этой идее откажется.

Должно ли содержание новости разочаровать нас? Может показаться, что да. Обнаружение экзопланет, даже земного типа, уже никого не удивляет. Тем более, что об открытии трех из семи найденных экзопланет было широко объявлено еще весной 2016 года. Но, нет. Дело в том, что все, кто питает надежду на существование жизни и разума за пределами Солнечной системы, должны пристально следить именно за той узкой областью изучения экзопланет, о которой шла речь в этот раз, за исследованиями планетных систем ультрахолодных карликов, находящихся сравнительно недалеко от Солнца. Потому что, если нам суждено в обозримом будущем найти доказательство внеземной жизни, то это произойдет именно в таких системах. Не потому, что жизнь невозможна в других мира, а потому, что существующий уровень развития земной науки делает наши шансы отличными от нуля именно там. Поэтому каждый новый шаг в исследовании этих планетных систем крайне интересен. И в этот раз шаг был сделан достаточно большой.

Что же произошло? Звезда, возле которой были обнаружены планеты, весьма невелика. Ее масса составляет лишь около 8 % массы Солнца, температура поверхности у нее около 2550 кельвинов (у Солнца – 5778 кельвинов), а светимость составляет примерно 0,05% солнечной – то есть это очень холодный красный карлик. Находится звезда в созвездии Водолея на расстоянии всего 40 световых лет от нас.

Первоначально эта звезда обозначалась как 2MASS J23062928-0502285, а потом получила название TRAPPIST-1. Оно дано в честь телескопа TRAPPIST–South. Он создан бельгийскими астрономами из Института астрофизики и геофизики Льежского университета, находится в Ла Силье в Чили и входит в состав Европейской Южной обсерватории (ESO). Как и его напарник в северном полушарии (TRAPPIST–North), он большую часть времени занят наблюдениями за шестьюдесятью ближайшими ультрахолодными карликовыми звездами и коричневыми карликами, чтобы обнаружить их планетные системы. Планеты выявляются по транзитам – изменениям в светимости звезды в момент прохождения планеты между звездой и земным наблюдателем (название телескопов расшифровывается как TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope).

Как уже говорилось, весной 2016 года астрономы под руководством Михаэля Гийона (Михаэль Гийон (Michaël Gillon) обнаружили у звезды TRAPPIST-1 три планеты. Две из них лежали в потенциальной обитаемой зоне этой звезды (то есть, исходя из данных о светимости TRAPPIST-1, можно было предположить существование на них жидкой воды). По размеру планеты напоминали Землю или Венеру, но находились значительно ближе к своей звезде и периоды обращения у них были значительно меньше. Теперь мы знаем, что астрономы не остановились на этом открытии и продолжили изучение «холодной звезды».

В исследовании были задействованы космический телескоп Спитцера NASA, телескопы TRAPPIST–South и TRAPPIST–North, а также приемник HAWK-I на Очень Большом Телескопе ESO в Чили, 3,8-метровый телескоп UKIRT на Гавайях, 2-метровый телескоп «Ливерпуль» (Liverpool) и 4-метровый телескоп Вильяма Гершеля на Ла Пальма (Канарские острова) и 1-метровый телескоп SAAO в Южной Африке. Ведущим автором работы стал все тот же Михаэль Гийон. Наблюдения, проведенные на разных концах Земли, позволили установить, что у звезды существует не менее семи небольших планет. Планеты получили названия TRAPPIST-1b, c, d, e, f, g и h. Планеты b, c и d были открыты в 2016 году.

Планеты системы TRAPPIST-1 и каменные планеты Солнечной системы

Как минимум шесть планет, по мнению астрономов, являются каменными. Планеты d, e и h чуть меньше Земли (их радиусы составляют 0,77; 0,92 и 0,76 радиуса Земли), остальные планеты превосходят Землю но ненамного. Самая большая – планета g – имеет радиус 1,13 земного. Массу больше земной имеют планеты с (1,06) и g (1,34), масса планеты h пока не определена. В целом они производят впечатление группы планет, весьма похожих на Землю, Венеру и Марс.

Следует помнить, что для всех этих планет расстояние до звезды TRAPPIST-1 меньше, чем от Меркурия до Солнца. Но, так как светимость их звезды значительно ниже, они получают примерно столько же энергии, сколько планеты земной группы. Теоретически существование жидкой воды возможно на всех планетах, но все-таки оптимальными для потенциального возникновения жизни ученые считают три (e, f и g), орбиты которых лежат не слишком близко к звезде, но и не слишком далеко. Они получают от звезды TRAPPIST-1 соответственно 0,66, 0,38 и 0,26 количества энергии, которое получает Земля от Солнца.

Сравнение системы TRAPPIST-1 с внутренней Солнечной системой и с «галилеевыми лунами» Юпитера

Впрочем, у дальней планеты h тоже есть шансы на достаточную температуру, если учитывать не только получаемую от звезды энергию, но и тепло, выделяющееся в результате приливного нагревания. Силы трения, возникающие при периодических деформациях планеты под действием притяжения звезды, могут приводить выделению значительного количества тепла. Подобное явление, например, объясняет разогрев недр и вулканическую активность на спутнике Юпитера Ио.

Поверхность планеты TRAPPIST-1f в представлении художника

Интерес представляет и тот факт, что орбиты шести внутренних планет этой системы находятся вблизи резонанса друг к другу. То есть период обращения одной планеты относится к периоду обращения следующей по удаленности примерно как 5:3 или 3:2. Значит, что эти шесть планет, скорее всего, образовались совместно на больших расстояниях от звезды, а затем переместились ближе к ней на свои нынешние орбиты. Образование планет на более далеком расстоянии от звезды вероятнее и с точки зрения существующих моделей возникновения планетных систем. В тесноте и на мало расстоянии появление большого числа планет маловероятно, так как для них бы просто не хватило «строительного материала» в протопланетном диске. Даже спутники Юпитера образовались на большем расстоянии от него, а потом заняли свои нынешние орбиты.

Но можем ли мы узнать что-нибудь о воде и жизни на таких планетах. Надежда на это есть. Например, сейчас ученые планируют изучить, как атмосферы этих планет действуют на отраженное от их поверхности излучение. Обычно такие незначительные эффекты незаметны из-за слишком сильного излучения звезды, но такие слабые и холодные звезды, как TRAPPIST-1, делают это возможным. А значит, появляется шанс получить прямое подтверждение, что на этих планетах есть вода. Еще сильнее возрастут возможности ученых с вводом в строй новых телескопов: Европейского Чрезвычайно Большого Телескопа ESO (начало эксплуатации ожидается в 2024 году) и инфракрасного космического телескопа Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA (запуск запланирован на 2019 год).

Возможно, шансы на то, что жизнь есть именно на планетах системы TRAPPIST-1, невелики, так как она очень молода. Ее возраст оценивают всего в 500 миллионов лет (формирование Солнечной системы началось 4,6 миллиарда лет назад, а возраст Земли не менее 4,54 миллиардов лет). Так что биологические организмы могли просто не успеть возникнуть там. Но изучение слабых и близких к Земле звезд все равно остается самым перспективным направлением поисков жизни во Вселенной.