Загадка в космосе: есть ли нечто похожее на Солнечную систему

Начиная со знаменательного открытия в 1992 году двух планет, вращающихся вокруг звезды за пределами Солнечной системы, тысячи новых миров были добавлены к быстро растущему списку «экзопланет» в галактике Млечный Путь. Учёные и человечество многое узнали из этого обширного каталога инопланетных миров, вращающихся вокруг инопланетных звёзд. Однако единственная маленькая деталь бросается в глаза. Это то, что не было найдено ничего, кроме нашей собственной Солнечной системы.

В более широком смысле это может означать, что сама жизнь является исключением; что условия, которые сформировали Землю и её самовоспроизводящуюся химию, трудно воспроизвести.

Если просто смотреть на цифры, то перспективы мрачные. Наиболее многочисленные экзопланеты, которые удалось идентифицировать на сегодняшний день, относятся к типу, который, как известно, не подходит для жизни: гиганты и субгиганты, газовые и, возможно, ледяные разновидности. Большинство экзопланет, которые до сих пор наблюдались, очень близко вращаются вокруг своих звёзд, практически обнимая их; настолько близко, что испепеляющие температуры были бы намного выше известного диапазона обитаемости.

Вполне возможно, что по мере продолжения поиска статистика сбалансируется, и будет возможность увидеть больше мест, которые напоминают планету Земля. Но проблема гораздо сложнее, чем просто наблюдение за цифрами. Экзопланетная наука ограничена возможностями человеческих технологий. Более того, представление об истинном разнообразии инопланетных миров рискует быть ограниченным собственным воображением людей. То, что на самом деле находится в галактике Млечный Путь и за её пределами, может сильно отличаться от того, что видимо на самом деле.

Сложная наука экзопланет имеет историю разочарований с самого начала. «В том мире, в котором я рос, когда был ребёнком, было известно только об одной планетной системе», — говорит планетолог Джонти Хорнер из Университета Южного Квинсленда. «Так что это было своего рода неявное предположение, а иногда и явное предположение, что все планетарные системы будут такими. Были бы каменистые планеты рядом со звездой, которые были бы очень маленькими, газовые гиганты далеко от звезды, которые были бы довольно большими. Вот такими были бы планетарные системы». По этой причине учёным потребовалось некоторое время, чтобы идентифицировать экзопланету, вращающуюся вокруг звезды главной последовательности, такой как наше Солнце.

Если предположить, что другие солнечные системы похожи на нашу, то для наблюдения контрольных признаков планет-тяжеловесов, притягивающих свои звёзды, потребуются годы, точно так же, как нашим собственным газовым гигантам требуются годы, чтобы совершить полный оборот по орбите. Основываясь на таких длительных периодах одного измерения, казалось, не стоит учитывать относительно короткую историю наблюдений за многими звёздами, чтобы окончательно отсеять аналогичную солнечную систему главной последовательности. Однако, учёным, наконец, удалось рассмотреть. Экзопланета, которую они нашли, оказалась совсем не такой, как ожидалось: газовый гигант вдвое меньше Юпитера по массе вращается так близко к своей родительской звезде, его год равен 4,2 дня, а его атмосфера обжигает температурой около 1000 градусов по Цельсию.

После этого учёные ещё узнали, что эти планеты типа «Горячий Юпитер» вовсе не аномальные. Во всяком случае, они кажутся относительно обычными. Теперь известно, что в галактике гораздо больше разнообразия, чем то, что наблюдается в нашей домашней системе. Однако важно не предполагать, что в настоящее время можно что-то обнаружить, единственное, что дано — это всё, что может предложить Млечный Путь.

«Нам очень трудно найти такие вещи, как Солнечная система, они немного превосходят нас технологически в данный момент», — говорит Хорнер. «Очень маловероятно, что планеты земной группы будут обнаружены в ходе каких-либо исследований, которые мы проводили до сих пор. Очень маловероятно, что вы сможете найти Меркурий, Венеру, Землю и Марс вокруг такой звезды, как Солнце».

Необходимы пояснения: методы, которые используются для обнаружения экзопланет, невероятно умны. В настоящее время есть два рабочих набора инструментов для обнаружения экзопланет: метод транзита и метод лучевой скорости. В обоих случаях необходим телескоп, чувствительный к мельчайшим изменениям в свете звезды. Однако сигналы, которые ищет каждый, не могут быть разными. Для транзитного метода понадобится телескоп, который может удерживать звезду в поле зрения в течение длительного периода времени. Вот почему такие инструменты, как космический спутник НАСА для исследования транзитных экзопланет (TESS), являются такой мощной станцией, способной фиксировать сегмент неба в течение более 27 дней, не прерываясь вращением Земли.

Целью таких телескопов является обнаружение сигнала транзита — когда экзопланета проходит между нами и своей звездой-хозяином, подобно крошечному облачку, заслоняющему несколько солнечных лучей. Эти провалы в свете крошечные, насколько можно себе представить. И одной вспышки недостаточно, чтобы с уверенностью сделать вывод о наличии экзопланеты. Есть много вещей, которые могут приглушить свет звезды, многие из которых являются разовыми событиями. Множественные транзиты, особенно те, которые демонстрируют регулярную периодичность, являются золотым стандартом. Следовательно, в данных предпочтение отдаётся более крупным экзопланетам, которые находятся на коротких орбитальных периодах, ближе к своим звёздам, чем Меркурий к Солнцу (некоторые намного, намного ближе, на орбитах менее одной земной недели).

Метод лучевой скорости обнаруживает колебание звезды, вызванное гравитационным притяжением экзопланеты, когда она вращается по своей орбите. Планетарная система на самом деле не вращается вокруг звезды, а скорее движется в скоординированной перетасовке. Звезда и планеты вращаются вокруг общего центра тяжести, известного как барицентр. Для Солнечной системы это точка очень-очень близко к поверхности Солнца или сразу за её пределами, в первую очередь из-за влияния Юпитера, масса которого более чем в два раза превышает массу всех остальных планет вместе взятых. В отличие от транзитного события «моргни и пропусти», смещение положения звезды — это постоянное изменение, которое не требует постоянного наблюдения, чтобы его заметить. Имеется возможность обнаружить движение далёких звёзд, вращающихся вокруг своих барицентров, потому что это движение изменяет их свет из-за того, что называется эффектом Доплера. По мере того, как звезда приближается, волны света, идущие в нашем направлении, слегка сжимаются, приближаясь к более синему концу спектра; по мере удаления волны тянутся к более красному концу. Регулярное «колебание» в свете звезды предполагает наличие орбитального компаньона. Опять же, данные склонны отдавать предпочтение более крупным планетам, оказывающим более сильное гравитационное влияние, на более коротких и близких орбитах к своей звезде.

Кроме таких двух выдающихся методов, иногда можно напрямую сфотографировать экзопланету, когда она вращается вокруг своей звезды. Хотя такое чрезвычайно сложно сделать, это может стать более распространённым в эпоху JWST. По словам астронома Дэниела Бэйлисса из Уорикского университета в Великобритании, этот подход позволит открыть класс экзопланет, почти противоположный короткоорбитальной разновидности.

Чтобы увидеть экзопланету, не затмеваемую сиянием родительской звезды, два тела должны находиться на очень большом расстоянии друг от друга. Это означает, что прямой подход к визуализации отдаёт предпочтение планетам на относительно длинных орбитах. Тем не менее, по понятным причинам более крупные экзопланеты всё же легче обнаружить с помощью этого метода. «У каждого из методов обнаружения есть свои предубеждения, — объясняет Бейлисс. Земля с её годовой петлёй вокруг Солнца находится между крайними точками орбиты, которые предпочитают различные методы обнаружения, добавляет он, поэтому «найти планеты с годовой орбитой по-прежнему очень и очень сложно».

Безусловно, самая многочисленная группа экзопланет — это класс, который даже не представлен в Солнечной системе. Это мини-Нептун — экзопланеты в газовой оболочке, которые меньше Нептуна и больше Земли по размеру. Большинство подтверждённых экзопланет находятся на гораздо более коротких орбитах, чем Земля; на самом деле, более половины из них имеют период обращения менее 20 дней. Большинство обнаруженных нами экзопланет вращаются вокруг одиночных звёзд, как и наше Солнце. Менее 10 процентов находятся в кратных звёздных системах. Тем не менее, большинство звёзд Млечного Пути являются членами кратных звёздных систем, по оценкам, до 80 процентов наблюдаются в партнёрстве, вращающемся вокруг по крайней мере ещё одной звезды.

Наличие более чем одного источника света может исказить или скрыть очень похожие (но гораздо меньшие) сигналы, которые учёные пытаются обнаружить от экзопланет, но также можно предположить, что кратные звёздные системы каким-то образом усложняют формирование планет. «Я думаю, будет достаточно справедливо сказать, что на самом деле в нашей Солнечной системе отсутствуют некоторые очень распространённые типы планет», — говорит Бейлисс. «Суперземли, которые немного похожи на Землю, но имеют вдвое больший радиус, у нас нет ничего подобного. У нас нет этих мини-Нептунов. Поэтому я думаю, будет достаточно справедливо сказать, что есть несколько очень распространенных планет, которых мы не видим в нашей собственной Солнечной системе. Теперь, независимо от того, делает ли это Солнечную систему редкой или нет, я не стал бы забегать вперёд. Потому что может быть много других звёзд, у которых есть набор планет типа Солнечной системы, которые мы просто ещё не видим».

Первые экзопланеты были обнаружены всего 30 лет назад на орбите пульсара, звезды, совершенно не похожей на Солнце. С тех пор технология усовершенствовалась незаметно. Теперь, когда учёные знают, что искать, они могут изобретать всё более и более совершенные способы находить их среди большего разнообразия звёзд.

Как указывает Хорнер, в астрономии гораздо больше маленьких вещей, чем больших. Ярким примером являются красные карлики. Это самый распространённый тип звёзд в Млечном Пути — и они крошечные, примерно до половины массы Солнца. Они такие маленькие и тусклые, что учёные не могут увидеть их невооружённым глазом, но на их долю приходится до 75 процентов всех звёзд в галактике.

Прямо сейчас, когда дело доходит до статистического понимания экзопланет, исследователи оперируют неполной информацией, потому что есть типы миров, которые просто нельзя увидеть. Это обязательно изменится.

«У меня просто непреодолимое чувство, что если вернуться через 20 лет, то можно посмотреть на эти утверждения о том, что мини-Нептуны являются наиболее распространённым типом планет, примерно с таким же скептицизмом, как и на утверждения в начале 1990-х годов, что рядом со звездой будут только твёрдые планеты», — говорит Хорнер ScienceAlert.

И, может быть, учёные обнаружат, что наша странная маленькая планетарная система, со всеми её причудами и чудесами, не так уж одинока в космосе.