Большинство астрономов согласятся, что простейшее определение пригодной для обитания экзопланеты – способность долго и надежно поддерживать на каменистой поверхности запасы жидкой воды. Иначе говоря, если мы прямо пронаблюдаем водоем на поверхности планеты, эта планета автоматически будет считаться пригодной для обитания. Такие наблюдения, вероятно, станут возможными благодаря космическим телескопам следующего поколения.
Наблюдательные методы, предлагаемые с этой целью, опираются на то, что под непрямым углом океаны и озера отражают свет не так, как суша, и дают отблески – так называемые блики. Возможно, вы помните, что такой блик уже был замечен на озере на Титане, спутнике Сатурна (хотя в этом озере содержится не вода, а жидкий метан). Кроме того, когда экзопланета вращается вокруг своей оси и одновременно вокруг звезды, мы видим разные части поверхности планеты, и звезда освещает их под разными углами (это похоже на фазы Луны). Поскольку океаны и озера отражают свет лучше, чем суша, ученые создали компьютерные модели планет и тщательно проанализировали, какой свет можно на них наблюдать, а затем показали, что могут составлять карты отражающей способности поверхности (это свойство называется альбедо), а следовательно, выяснять, есть ли на планете океаны. Сравнив данные моделирования с наблюдениями Земли с дальнего расстояния, которые выполнила миссия НАСА «Эпокси», ученые из Вашингтонского университета заключили, что запланированные на будущее космические телескопы с зеркалами в шесть метров и больше будут способны зарегистрировать блики от нескольких экзопланет в обитаемых зонах вокруг ближайших звезд размерами не крупнее Солнца. Кроме того, исследователи разработали методы анализа данных, которые позволят различить и гетерогенность океана и суши, и изменения в облачности при картировании поверхности планет при помощи прямых изображений (опять же, речь идет о телескопах будущего).
Поскольку пока что мы не можем напрямую наблюдать океаны, астрономы полагаются на другие методы, когда нужно определить, можно ли считать конкретную экзопланету пригодной для обитания. В идеале эти методы предполагают наблюдение атмосферы – измерение давления и температуры и проверку на наличие водяного пара. По более грубым оценкам, каменная экзопланета может считаться пригодной для обитания, если она, по расчетам, находится в обитаемой зоне своей звезды. Надо отметить, что астробиологи даже попытались выявить «суперобитаемые» планеты – то есть системы из звезд и экзопланет, где планеты, вероятно, еще лучше пригодны для жизни, чем Земля. В этой главе мы не будем рассматривать вероятность жизни на спутниках гигантских экзопланет, поскольку подробное наблюдение таких спутников вне Солнечной системы (экзоспутников) выходят за рамки возможностей существующих телескопов. Более того, до сих пор не удалось подтвердить существование ни одного такого экзоспутника, хотя есть несколько кандидатов (например, в ноябре 2022 года сообщалось, что экзоспутник имеется у планеты Кеплер-1513b). Кроме того, мы не станем говорить о возможности жизни в подповерхностных океанах экзопланет, покрытых льдом, поскольку в ближайшем будущем нам едва ли удастся выявить такую жизнь.
Потенциальную обитаемость экзопланеты определяют еще два фактора. Один – теоретическая ожидаемая продолжительность жизни центральной звезды. Если жизнь на Земле может служить примерным ориентиром, тогда центральная звезда, главный источник энергии для живой материи, должна прожить по меньшей мере два миллиарда лет, чтобы на ее планете успели развиться наблюдаемые биосигнатуры. Например, хорошей, хотя и не бесспорной биосигнатурой считается высокая концентрация кислорода в атмосфере экзопланеты. Однако, чтобы обнаружить биогенный кислород, нам нужно два условия: кислородный фотосинтез и время, чтобы концентрация кислорода в атмосфере начала расти, для чего вырабатываемый кислород должен успеть окислить все поверхностное железо. Кроме того, для накопления высокой концентрации кислорода в ходе фотосинтеза могут понадобиться залежи восстановленного (органического) углерода. Массивные звезды сжигают свое ядерное топливо в бешеном темпе. Следовательно, чем массивнее звезда, тем короче срок ее жизни. Продолжительность жизни нашего Солнца в его стабильной фазе сжигания водорода – около 10 миллиардов лет, а продолжительность жизни звезды с массой в 10 раз больше Солнца – всего 20 миллионов лет. Поэтому можно ожидать, что мы обнаружим активную биосферу только на планетах с массой меньше 1,5 солнечных.
Второй фактор, вероятно, определяющий, пригодна ли планета для обитания – даже если это каменная планета в обитаемой зоне, – связан с вопросом о том, существует ли нижний предел массы звезды, при которой еще может существовать обитаемая планета. Этот вопрос особенно важен, так как 70 % звезд в галактике Млечный Путь составляют так называемые карлики класса М с массой 0,08–0,5 солнечной (хотя они так тусклы, что с Земли их невооруженным глазом не различить). Эти звезды с низкой массой – еще и главные долгожители. Ожидаемая продолжительность жизни звезды в половину массы Солнца – почти 60 миллиардов лет, а в одну десятую солнечной – триллионы лет. А следовательно, такие звезды хотя бы в принципе предоставляют больше всего времени для возникновения и эволюции жизни. Более того, астрономы полагают, что планеты в обитаемых зонах есть у целых 80 % карликов класса М.
Итак, складывается впечатление, что карлики класса М как нельзя более подходят на роль звезд, вокруг которых есть обитаемые планеты, однако и здесь есть достаточно много оговорок. Приведем некоторые из них. Во-первых, на карликах класса М чаще бывают мощные вспышки – всплески излучения, приводящие к выбросам вещества. Чем меньше масса звезды, тем чаще и мощнее вспышки. Более того, вспышки и эпизоды усиленного ультрафиолетового и рентгеновского излучения бывают и у относительно неактивных карликов класса М. Планеты, подвергнувшиеся такому воздействию, рискуют потерять и атмосферу, и океаны, и не исключено, что к тому времени, когда звезда войдет в продолжительную фазу сжигания водорода (в так называемую главную последовательность), ее планеты будут полностью стерилизованы. Во-вторых, поскольку обитаемая зона вокруг карликов класса М расположена значительно ближе к центральной звезде (из-за низкой светимости), планеты, вероятно, находятся в состоянии гравитационного приливного захвата и обращены к своей звезде только одной стороной (как наша Луна находится в состоянии приливного захвата с Землей, а Энцелад – с Сатурном). Это может создать большую разницу температур между дневным и ночным полушарием экзопланеты: на ночной стороне будет так холодно, что все газы замерзнут, а на дневной – абсолютно сухо от жара звезды. Именно поэтому ученые скептически относились к возможности существования биосферы на таких планетах. Если там и существует жизнь, утверждали они, она заключена в узкой полосе вечных сумерек вдоль линии раздела полушарий.
В последние годы общее мнение о пригодности для обитания планет при карликах класса М несколько изменилось. Сначала многие исследователи предположили, что магнитное поле способно защитить экзопланеты от смертоносных вспышек и смягчить воздействие звездного ветра, тем самым предотвратив существенную эрозию атмосферы и океанов. Затем теоретическое моделирование выявило атмосферные механизмы, которые, при условии, что атмосфера достаточно плотна, могут при помощи циркуляции распределять тепло с дневной стороны на ночную. Например, можно ожидать, что на такой планете очень ветрено и на большой высоте горячий газ стремительно перемещается на холодную сторону, а у поверхности холодный ветер дует в сторону освещенной стороны. Кроме того, модель, созданная группой исследователей из Эксетерского университета в Великобритании, показала, что минеральная пыль в атмосфере может охлаждать дневную сторону и нагревать ночную у планеты, находящейся в приливном захвате, тем самым расширяя обитаемую зону. Вдобавок эти исследователи выявили вполне правдоподобный механизм обратной связи, способный повысить содержание пыли в атмосфере и предотвратить высыхание воды на дневной стороне (на планетах у внутренней границы обитаемой зоны), тем самым поддерживая ее пригодность для обитания в течение более долгого времени. К этим и подобным теоретическим выкладкам присовокупился и эффект «под фонарем искать проще»: дело в том, что многие открытые экзопланеты в обитаемых зонах – это планеты при карликах класса М, и именно они были изучены первыми. В итоге такие планеты стали главным объектом поисков жизни вне Солнечной системы. В частности, есть надежда, что ответ на насущный вопрос, есть ли на планетах при карликах класса М стабильная атмосфера, даст телескоп им. Уэбба. Но, поскольку потенциальные биосигнатуры от таких планет, как ожидается, будут очень слабы, даже этот космический аппарат, возможно, не снабдит нас новой информацией. Как сказал астроном из Чикагского университета Джейкоб Бин: «Этих наблюдений хватит, чтобы зарегистрировать наличие атмосферы как таковой, но вероятность, что они что-то скажут нам о биосигнатурах на этих каменных экзопланетах… Нет, это вряд ли».
Однако сюрпризы всегда возможны, и многие астрономы настроены более оптимистично. Например, астрофизик Сара Сигер из Массачусетского технологического института надеется, что телескоп им. Уэбба сможет найти водяной пар в атмосферах некоторых планет из обитаемых зон вокруг карликов класса М, а это, в свою очередь, укажет, что на их поверхности есть жидкая вода. Однако, что бы ни обнаружил телескоп им. Уэбба, нет сомнений, что этот мощный аппарат не просто прольет более яркий свет на необычайное разнообразие экзопланет, но и позволит заглянуть в атмосферу потенциально обитаемых планет или по крайней мере скажет нам, есть ли у них атмосфера.