На сегодня самый перспективный способ обнаружить газовые биосигнатуры — спектроскопия пропускания (иногда ее называют транзитной спектроскопией или трансмиссионной спектроскопией). Первыми этот метод предложили астрофизики Сара Сигер из Массачусетского технологического института и Димитр Сасселов из Гарварда, как только с помощью транзитной фотометрии была открыта первая экзопланета. Очень скоро после публикации этой теоретической идеи группа астрономов во главе с Дэвидом Шарбоно из Гарварда успешно применила спектроскопию пропускания, чтобы впервые выявить присутствие конкретного газа в атмосфере экзопланеты. Это была юпитероподобная экзопланета HD 209458b, а выявленным газом был атомарный натрий, не имеющий отношения к живой материи.
Идея спектроскопии пропускания гениальна в своей простоте. Когда экзопланета проходит перед диском своей звезды, часть света звезды на пути к Земле пронизывает верхние слои планетной атмосферы. Некоторая доля этого света поглощается в атмосфере, и состав атмосферы определяет, какие длины волн поглощаются, а какие нет. Следовательно, если сравнить спектры звезды при транзите планеты и без него, можно получить спектр пропускания. Затем эти данные в сочетании с известными длинами волн, на которых молекулы различных газов поглощают свет, дают возможность определить, каких молекул в атмосфере достаточно много. Расчеты ожидаемой силы сигнала оказывают, что эта техника позволит охарактеризовать атмосферы планет размером с Землю, вращающихся вокруг маленьких карликов класса М, однако с атмосферами похожих экзопланет при более ярких звездах наподобие Солнца это не получится. В частности, астрономы надеются найти водяной пар (если он есть) в атмосферах (если они есть) экзопланет, вращающихся вокруг карликов класса М TRAPPIST-1 и Проксима Центавра (это ближайшая соседка Солнечной системы).
У Проксимы Центавра астрономы обнаружили две планеты (возможно, даже три), одна из которых находится в обитаемой зоне. Как мы уже упоминали, особенно привлекательной с точки зрения обитаемости видится планета TRAPPIST-1e, поскольку она не просто вращается в обитаемой зоне (в системе TRAPPIST-1 таких планет три), но еще и больше всех похожа на Землю массой, размерами и положением орбиты относительно центральной звезды. Если там и в самом деле обнаружится водяной пар, это укажет, что на планете TRAPPIST-1e есть жидкая вода. Наблюдения уже подтвердили, что на TRAPPIST-1e нет безоблачной атмосферы с преобладанием водорода, а это означает, что если у него и есть атмосфера, то компактная, как у планет земной группы в Солнечной системе. Внимание ученых привлекает и так называемая экзопланета LP 890-9c, она же SPECULOOS-2c. Это суперземля – вероятно, каменная, примерно на треть больше Земли. Она вращается в обитаемой зоне красного карлика, находящегося от нас приблизительно в сотне световых лет.
Уже начали поступать первые результаты. В декабре 2022 года астрономы опубликовали предварительные данные наблюдений планетной системы TRAPPIST-1 с телескопа им. Уэбба. В частности, Бьорн Беннеке из Монреальского университета рассказал о первых исследованиях планеты TRAPPIST-1g (второй по расстоянию от центральной звезды). TRAPPIST-1g – самая большая планета в этой системе, ее радиус в 1,154 раза больше земного. Пока что телескоп сумел установить, что у этой планеты, скорее всего, нет первичной атмосферы, богатой водородом, что уже показали Николь Льюис из Корнеллского университета и ее коллеги на основании данных Космического телескопа имени Хаббла. Такая атмосфера физически раздулась бы, поскольку ее плотность очень низка, и поэтому обнаружить ее было бы относительно просто. Поскольку у планеты TRAPPIST-1g нет такой обширной атмосферы, это может означать, что ее атмосфера более плотная, компактная и похожая на земную и состоит, вероятно, из более тяжелых молекул – углекислого газа, молекулярного азота и воды. А может быть, у нее вовсе нет атмосферы.
Оливия Лим из Монреальского университета рассказала о предварительных данных наблюдений TRAPPIST-1b – планеты, расположенной ближе всего к центральной звезде. Наблюдения Лим говорят о том, что эта планета, как и TRAPPIST-1g, лишена толстой водородной атмосферы. Дальнейшие результаты, полученные Томасом Грином из Исследовательского центра Эймса при НАСА и его коллегами, показали, что планета TRAPPIST-1b, скорее всего, представляет собой голый камень без углекислого газа в атмосфере. Ни TRAPPIST-1b, ни TRAPPIST-1g не попадают в обитаемую зону TRAPPIST-1.
В июне 2023 года другая международная исследовательская группа во главе с Себастьяном Зибой из Астрономического института имени Макса Планка в Германии при помощи телескопа им. Уэбба определила количество теплового излучения, испускаемого каменистой планетой TRAPPIST-1c. Результаты показали (опять же с поправкой на несовершенства модели), что атмосфера этой планеты тоже крайне тонка, а может быть, ее и вовсе нет. Эти находки были очень интересными, поскольку, как указала соавтор Зибы из Института имени Макса Планка Лаура Крейдберг, TRAPPIST-1c в каком-то смысле двойник Венеры: она примерно того же размера и получает от центральной звезды столько же излучения, сколько Венера от Солнца. Поэтому, как заметила Крейдберг, «мы предполагали, что у нее толстая атмосфера из углекислого газа, как у Венеры». Дальнейшее моделирование атмосферы, проведенное другой рабочей группой, натолкнуло на мысль, что либо история формирования планеты TRAPPIST-1c обделила ее летучими веществами по сравнению с Землей и Венерой, либо она потеряла существенное количество углекислого газа на ранней стадии гидродинамической диссипации. Однако после этого более точные модели атмосферы заставили задуматься о том, что атмосфера этой планеты содержит достаточно много кислорода или водяного пара.
Надо отметить, что и TRAPPIST-1b, и TRAPPIST-1c находятся ближе так называемого предела взрывного парникового эффекта, и их атмосфера могла бы полностью разрушиться под воздействием излучения. Напротив, TRAPPIST-1e и TRAPPIST-1f попадают в обитаемую зону и, скорее всего, пережили сравнительно короткую фазу паровой атмосферы в начале жизни TRAPPIST-1. Поэтому полной эрозии атмосферы ожидать, вероятно, не стоит. Более того, исследование, опубликованное в августе 2023 года астрономом Франком Селсисом из Университета Бордо и его коллегами, показывает, что в случае, если на некоторые планетах системы TRAPPIST-1 тепло передается наружу хотя бы отчасти через излучение, а не только через конвекцию (движение газа), их поверхность останется достаточно прохладной для того, чтобы на ней сохранялась жидкая вода. Разумеется, есть вероятность, что все планеты системы TRAPPIST-1 сформировались вообще без атмосфер. Более того, исследование, опубликованное в феврале 2024 года, показало, что быстрое орбитальное движение планеты TRAPPIST-1e способно разогревать ее атмосферу (посредством электрических токов) вплоть до полного рассеивания. Здесь следует отметить, что результаты наблюдений теплового излучения двух других экзопланет, LHS 3844b и GJ 1252b, также не противоречат отсутствию атмосферы.
Помимо спектроскопии пропускания астрономы могут применять так называемую затменную спектроскопию, опираясь на разницу между спектром, получаемым, когда «дневная» сторона экзопланеты полностью видна и когда она полностью затемнена своей звездой. Однако, поскольку в этом случае снижение наблюдаемого потока зависит не только от размера, но и от температуры планеты (которая определяет ее тепловое излучение), оказывается, что затменная спектроскопия лучше всего получается (если вообще получается) в инфракрасном диапазоне от 8 до 30 микрон. Увы, для таких наблюдений требуется настолько высокая чувствительность, что ее не дает даже телескоп им. Уэбба. В настоящее время астрономы располагают еще несколькими методами, но шансы обнаружить настоящие биосигнатуры с их помощью, вероятно, меньше, чем позволяет спектроскопия пропускания.
А значит, возникает вопрос, как лучше всего двигаться вперед. Выводы, сформулированные в «десятилетнем обзоре» Национальной академии наук США, вышедшем в январе 2021 года, достаточно однозначны. Как следует из названия, такой обзор публикуется раз в десять лет и задает «Подходы к совершению открытий в астрономии и астрофизике» на ближайшее десятилетие. Комитет, координировавший подготовку этого обзора, всячески рекомендовал астрономам и астрофизикам поставить на первое место поиски внеземной жизни. Этот комитет призвал НАСА начать разрабатывать космическую миссию, которая сможет определить, насколько часто встречается жизнь в галактике Млечный Путь – повсеместно, редко или никогда. С этой целью комитет предполагает как получать изображения планет земного размера в обитаемых зонах звезд, так и проводить спектроскопические исследования этих экзопланет для описания состава их атмосферы. План состоит в том, чтобы сначала изучить более ста звезд с их экзопланетами, а затем отобрать около двух-трех десятков систем и исследовать их более досконально. В атмосферах отобранных экзопланет обсуждаемая миссия, как ожидается, должна измерять количества молекул воды, углекислого газа, кислорода и метана, то есть именно те типы биосигнатур, которые мы только что перечислили как наиболее достоверные. Предлагаемый космический телескоп около шести метров в диаметре будет настроен на широкий диапазон длин волн – от ультрафиолетового до инфракрасного света. Поэтому этот проект получил название «Большой ультрафиолетовый, оптический и инфракрасный Исследователь»[45]. Этот прибор будет оснащен коронографом – устройством, хорошо блокирующим свет центральной звезды и тем самым дающим возможность получать изображения маленьких каменистых экзопланет. Комитет десятилетнего обзора полагает, что такой телескоп может быть запущен к середине сороковых годов нашего века. Кроме того, Комитет рекомендует построить в ближайшие десять лет по крайней мере один очень большой (около 30 метров в диаметре) наземный телескоп. В аспекте поисков внеземной жизни такой телескоп должен открывать и изучать планеты небольшой массы, как у Земли, в обитаемой зоне, получать прямые изображения более крупных планет и характеризовать атмосферы транзитных планет при помощи спектроскопии высокого разрешения. Набор инструментов на таком телескопе даст астрономам возможность исследовать первые стадии формирования планетных систем и протопланетные диски вокруг звезд.
Должно быть, вы заметили, что большинство описанных биосигнатур пока что относились к живой материи в привычной нам форме. Это заставляет задать естественный вопрос, в какой степени мы можем быть уверены, что все живые организмы во вселенной обладают теми же свойствами, что и жизнь на Земле.