Планеты лучше Земли: почему ученые ищут во Вселенной миры, более пригодные для жизни

Астрономы пересматривают представления об идеальной планете и допускают, что Земля далеко не лучший вариант для возникновения и развития жизни. В центре внимания исследователей — суперобитаемые миры, способные сохранять благоприятные условия на протяжении десятков миллиардов лет. Такие планеты могут оказаться больше Земли, иметь более плотную атмосферу и вращаться вокруг звезд, которые живут значительно дольше Солнца. Однако подтвердить существование этих космических оазисов предстоит новым поколениям телескопов.

Почему Земля перестала быть эталоном

На протяжении десятилетий поиск внеземной жизни во многом строился вокруг идеи найти вторую Землю. Ученые искали каменистые планеты, сопоставимые по размерам с нашей, расположенные на подходящем расстоянии от своей звезды и потенциально способные удерживать жидкую воду на поверхности.

Логика казалась очевидной: если жизнь возникла на Земле, то наиболее вероятным местом для ее обнаружения должны быть планеты с похожими характеристиками.

Но в таком подходе есть существенное ограничение. Земля — единственный известный нам мир, на котором существует жизнь. Мы знаем, что сочетание ее физических характеристик и условий окружающей среды оказалось благоприятным для появления живых организмов. Однако из этого вовсе не следует, что подобные условия представляют собой наилучший из возможных вариантов.

Возможно, наша планета не идеальна, а лишь достаточно хороша для существования жизни.

Эта мысль легла в основу концепции суперобитаемых миров — планет, условия на которых потенциально могут быть еще благоприятнее для возникновения, распространения и длительного существования живых организмов, чем на Земле.

Как рассказывается в материале The New York Times журналистки Натали Уолчовер из серии Other Worlds, в последние годы астрономы все активнее обсуждают возможность существования таких планет.

Речь идет не о мирах, где обязательно должны жить разумные существа, и не о космических аналогах земного рая. Суперобитаемость — прежде всего научная гипотеза о том, что некоторые планеты могут обладать более устойчивыми климатическими условиями, подходящими температурными режимами и более продолжительными периодами, в течение которых жизнь способна развиваться.

Иными словами, ученые предлагают изменить сам вопрос. Вместо того чтобы искать планеты, похожие на Землю, они пытаются определить, какие условия в принципе делают планету максимально благоприятной для жизни.

Суперземля: больше, стабильнее, долговечнее

Идея суперобитаемых миров получила развитие в 2010-х годах. Одними из исследователей, предложивших пересмотреть критерии обитаемости, стали астроном Рене Хеллер из Института Макса Планка и его коллега Джон Армстронг из Университета Уэбера.

В 2014 году ученые рассмотрели гипотезу, согласно которой наиболее благоприятной для жизни может оказаться не точная копия Земли, а несколько более крупная каменистая планета.

Возможный кандидат — суперземля, диаметр которой на 20–30% превышает земной, а масса примерно вдвое больше массы нашей планеты.

На первый взгляд различия не выглядят принципиальными. Но даже сравнительно небольшое увеличение размеров и массы может повлиять на физические процессы, определяющие пригодность планеты для жизни.

Более сильная гравитация потенциально помогает удерживать атмосферу, уменьшая вероятность потери ее компонентов в космос. При подходящих условиях плотная атмосфера способна эффективнее перераспределять тепло между различными регионами планеты, сглаживая температурные контрасты.

Это особенно важно для миров, которые вращаются вокруг звезд с неравномерным распределением энергии или имеют сложную климатическую систему.

Еще один фактор — география. В гипотетической модели суперобитаемой планеты ученые рассматривают мир с относительно мелкими морями, многочисленными архипелагами и обширными участками суши.

Такое устройство поверхности может оказаться благоприятным для биологического разнообразия. Мелководные области способны обеспечивать условия для разнообразных химических процессов, а острова и разделенные водными пространствами территории — создавать множество экологических ниш.

При этом подобный сценарий не следует считать универсальным законом природы. Научные представления о суперобитаемости пока остаются гипотетическими, а влияние отдельных характеристик на развитие жизни зависит от целого комплекса обстоятельств.

Планета большего размера не обязательно будет более пригодной для жизни. Увеличение массы может сопровождаться изменениями внутреннего строения, геологической активности и состава атмосферы. Плотная газовая оболочка тоже не всегда означает комфортные условия: чрезмерный парниковый эффект способен превратить поверхность в раскаленную среду.

Поэтому задача ученых заключается не в том, чтобы найти самую большую планету, а в том, чтобы определить оптимальное сочетание ее свойств.

Магнитное поле и атмосфера: природная защита жизни

Одной из важных характеристик потенциально суперобитаемого мира исследователи считают его внутреннее строение.

В предложенной модели крупное железное ядро могло бы способствовать формированию мощного магнитного поля. На Земле магнитосфера взаимодействует с потоком заряженных частиц, поступающих от Солнца, и помогает защищать атмосферу и околоземное пространство от воздействия солнечного ветра.

Магнитное поле не является абсолютным щитом от космического излучения и не гарантирует сохранения атмосферы. Тем не менее оно может играть важную роль в формировании условий, благоприятных для длительного существования жизни.

Особенно актуален этот вопрос при изучении планет у других звезд.

Многие известные экзопланеты вращаются вокруг небольших звезд, активность которых может сопровождаться мощными вспышками и потоками заряженных частиц. В подобных системах сохранение атмосферы и стабильных условий на поверхности может стать серьезной проблемой.

Если же планета обладает подходящим внутренним строением, атмосферой и достаточно устойчивым магнитным полем, она потенциально может дольше сохранять среду, пригодную для биологических процессов.

Однако наличие магнитного поля само по себе не делает мир обитаемым. Важны также химический состав атмосферы, наличие воды, температура поверхности и множество других факторов.

В случае суперземель все эти характеристики еще предстоит изучить. Астрономы пока не располагают достаточным количеством наблюдательных данных, чтобы уверенно утверждать, что такие планеты действительно чаще оказываются обитаемыми, чем миры земного типа.

Самый важный фактор — время

Даже если планета обладает подходящей температурой, жидкой водой и защитной атмосферой, этого может оказаться недостаточно для возникновения сложной жизни.

Биологическая эволюция требует времени. На Земле жизнь существует миллиарды лет, а сложные многоклеточные организмы появились значительно позже первых живых систем.

Поэтому при поиске потенциально обитаемых миров ученые обращают внимание не только на условия на поверхности планеты, но и на продолжительность существования ее звезды.

И здесь особенно интересными оказываются оранжевые карлики — звезды спектрального класса K.

Они холоднее Солнца, но, как правило, стабильнее и живут значительно дольше. В отличие от более горячих звезд, быстро расходующих запасы топлива, оранжевые карлики способны сохранять сравнительно устойчивое излучение на протяжении десятков миллиардов лет.

Для сравнения: Солнце существует около 4,6 млрд лет, а его оставшийся срок жизни до завершения основной последовательности составляет примерно 5 млрд лет.

При этом сама Земля может утратить условия, необходимые для сложной жизни, намного раньше, чем Солнце превратится в красного гиганта. По одной из распространенных оценок, существенные изменения земного климата и постепенное снижение пригодности поверхности для сложных организмов могут произойти примерно через миллиард лет или несколько раньше. В исходном материале The New York Times приводится более близкий ориентир — около 500 млн лет.

Точные сроки зависят от используемой климатической модели и от того, какие именно формы жизни считать сложными. Но общий вывод остается неизменным: пригодность Земли для жизни не будет сохраняться вечно.

У планеты, вращающейся вокруг подходящего оранжевого карлика, потенциально может быть значительно больше времени для развития биологических процессов.

Если жизнь возникнет на таком мире, она теоретически сможет развиваться в течение периода, многократно превышающего продолжительность существования земной биосферы в ее нынешних условиях.

Это, однако, не означает, что жизнь на планетах у оранжевых карликов обязательно возникает чаще. Для этого необходимо, чтобы подходящими оказались и другие характеристики звездной системы, включая историю активности звезды и условия на самой планете.

Смогут ли растения жить при свете другой звезды?

Долговечность звезды — лишь одна сторона вопроса. Не менее важно, сможет ли потенциальная биосфера использовать энергию ее излучения.

Земные растения приспособлены к свету Солнца. В процессе фотосинтеза они поглощают определенные диапазоны электромагнитного излучения, используя его энергию для синтеза органических веществ.

Но если бы растения оказались на планете у более холодной звезды, спектр поступающего света отличался бы от солнечного. Возникает закономерный вопрос: сможет ли земная растительность приспособиться к таким условиям?

Астробиолог Ива Вилович решила проверить это экспериментально.

В берлинской лаборатории исследовательница выращивала кресс-салат при освещении, имитирующем излучение звезды класса K. Согласно материалу The New York Times, растения при таком освещении росли даже быстрее и выше, чем при обычном солнечном свете.

Этот результат интересен прежде всего как свидетельство того, что особенности излучения более холодной звезды не обязательно препятствуют росту земных растений.

Если фотосинтез возможен в подобных условиях, это расширяет представления ученых о потенциальных условиях существования растительной жизни за пределами Солнечной системы.

Впрочем, лабораторный эксперимент имеет существенные ограничения.

Кресс-салат — конкретный земной вид растения, а искусственное освещение воспроизводит лишь определенные характеристики звездного излучения. Рост одного растения в контролируемой среде ничего не говорит напрямую о том, сможет ли сформироваться полноценная экосистема на далекой планете.

В реальных условиях значение будут иметь состав атмосферы, интенсивность излучения, доступность воды и питательных веществ, температура и многие другие параметры.

Тем не менее подобные исследования помогают проверять отдельные элементы гипотезы о суперобитаемости не только теоретически, но и экспериментально.

Почему мы до сих пор не нашли идеальную планету

За последние десятилетия астрономы обнаружили тысячи экзопланет — миров, вращающихся вокруг других звезд.

Часть из них находится в так называемой обитаемой зоне. Это область вокруг звезды, где при подходящих атмосферных условиях на поверхности планеты теоретически может существовать жидкая вода.

Однако нахождение в обитаемой зоне не равнозначно доказанной обитаемости.

Если планета расположена слишком близко к звезде, вода может испаряться, а атмосфера — подвергаться сильному нагреву. Если слишком далеко, вода может замерзнуть. При этом даже подходящее расстояние от звезды не гарантирует благоприятной температуры: многое зависит от состава атмосферы, отражательной способности поверхности и внутреннего теплового режима.

Есть и другая проблема. Многие экзопланеты обнаруживают косвенными методами, по небольшим изменениям яркости звезды или колебаниям ее движения под воздействием гравитации планеты.

Такие наблюдения позволяют оценить некоторые основные параметры мира, но далеко не всегда дают возможность определить состав атмосферы, наличие океанов или особенности поверхности.

Для поиска суперобитаемых планет этих данных недостаточно.

Ученым необходимо не просто обнаружить небесное тело подходящего размера, но и выяснить, как устроена его атмосфера, насколько стабильны климатические условия и какие процессы происходят в его недрах.

Еще сложнее установить, существует ли на планете жизнь.

Даже если исследователям удастся обнаружить в атмосфере далекого мира кислород, метан или другие потенциальные биомаркеры, потребуется исключить небиологические процессы, способные производить аналогичные вещества.

Поэтому поиск суперобитаемых миров представляет собой не одну задачу, а целую последовательность исследований — от обнаружения планеты до анализа ее физических свойств и поиска возможных признаков биологической активности.

Какие телескопы помогут найти суперобитаемые миры

Следующий этап исследований связан с развитием космических и наземных обсерваторий, которые позволят значительно расширить список известных планет и изучать их характеристики с большей точностью.

Один из наиболее перспективных проектов — миссия Европейского космического агентства Plato, предназначенная для поиска экзопланет и исследования звезд, вокруг которых они вращаются.

Запуск миссии, согласно планам, приведенным в исходном материале, готовится на 2027 год.

Plato будет наблюдать за изменениями яркости звезд. Если планета проходит на фоне своей звезды, часть ее света перекрывается, и телескоп фиксирует небольшое уменьшение яркости. Анализируя такие транзиты, ученые смогут обнаруживать планеты и оценивать их размеры.

Дополнительную информацию даст изучение самих звезд. В сочетании с другими измерениями это поможет уточнять характеристики обнаруженных планет и определять, какие из них заслуживают дальнейших наблюдений.

По оценке Рене Хеллера, Plato может обнаружить порядка десятка или нескольких десятков потенциально суперобитаемых миров.

Однако сам факт обнаружения еще не позволит установить, действительно ли эти планеты пригодны для жизни.

Следующий шаг — подробное изучение их атмосфер и физических характеристик.

Здесь важную роль может сыграть космический телескоп «Джеймс Уэбб». Он способен исследовать химический состав атмосфер некоторых экзопланет, анализируя спектр света, прошедшего через газовую оболочку планеты во время транзита.

По характерным особенностям спектра ученые могут определять присутствие отдельных молекул и оценивать свойства атмосферы.

Возможности «Джеймса Уэбба» при этом ограничены. Наблюдения небольших каменистых планет земного типа особенно сложны, а изучение их атмосфер зависит от расстояния до системы, активности звезды и других факторов.

Для более глубоких исследований рассматриваются и новые крупные обсерватории.

В Чили строится Чрезвычайно Большой Телескоп — Extremely Large Telescope, или ELT. Его главное зеркало диаметром около 39 м должно обеспечить беспрецедентные возможности для наблюдений за далекими космическими объектами.

Такая аппаратура позволит исследовать планетные системы и искать признаки атмосферных процессов, которые трудно обнаружить современными инструментами.

Еще один перспективный проект — космическая обсерватория NASA Habitable Worlds Observatory. Ее концепция предусматривает поиск потенциально обитаемых планет у других звезд и исследование их свойств, в том числе с использованием прямых наблюдений.

В исходном материале говорится, что запуск этой обсерватории планируется в 2040-х годах. Однако это долгосрочный проект, сроки и технические характеристики которого могут уточняться.

В совокупности новые инструменты должны приблизить ученых к ответу на один из главных вопросов современной астрономии: насколько распространены миры, в которых условия позволяют возникать и развиваться жизни?

Почему суперобитаемая планета не обязательно будет похожа на Землю

В концепции суперобитаемости есть принципиально важный момент: ученые не утверждают, что обнаружили планету, которая объективно лучше Земли.

Пока речь идет о теоретической модели, основанной на представлениях о том, какие физические и климатические характеристики могут способствовать развитию жизни.

Земля остается единственным известным примером обитаемого мира. Поэтому любые выводы о том, какие планеты способны поддерживать жизнь эффективнее нашей, неизбежно содержат элемент неопределенности.

Например, более плотная атмосфера может сглаживать температурные перепады, но при определенном составе приведет к перегреву поверхности. Большая масса может помогать удерживать атмосферу, однако чрезмерная гравитация способна осложнить существование некоторых форм жизни.

Наличие обширных мелководных морей теоретически может создавать разнообразные условия для биологических процессов. Но мы пока не знаем, какое именно сочетание океанов, суши и геологических особенностей оптимально для возникновения сложной биосферы.

Даже продолжительная стабильность климата не гарантирует появления жизни. Необходимо, чтобы на планете произошли соответствующие химические процессы, возникли самовоспроизводящиеся системы и сложились условия для дальнейшей эволюции.

Поэтому суперобитаемость правильнее рассматривать как исследовательскую концепцию, которая помогает сформулировать новые критерии поиска, а не как доказанный рейтинг планет.

Возможно, лучшие условия для жизни действительно возникают на мирах, несколько отличающихся от Земли. Но не исключено и то, что наша планета представляет собой один из наиболее удачных вариантов, а некоторые характеристики предполагаемых суперземель окажутся менее благоприятными, чем сегодня предполагают ученые.

Ответить на этот вопрос можно будет только после накопления достаточного количества наблюдений.

Есть ли жизнь за пределами Земли?

Поиск суперобитаемых миров связан с более широким вопросом — насколько вероятно существование жизни во Вселенной.

Видимая Вселенная содержит огромное количество галактик, а в каждой из них находятся миллиарды звезд. Наблюдения показывают, что планеты являются обычным явлением, а не редким исключением.

Это означает, что потенциальных мест для возникновения жизни может быть чрезвычайно много.

Однако большое количество планет само по себе не доказывает, что жизнь распространена повсеместно. Мы пока не знаем, насколько вероятно возникновение жизни из неживой материи и как часто простейшие организмы проходят путь до сложных биологических систем.

Именно здесь концепция суперобитаемости приобретает особое значение.

Если некоторые планеты способны сохранять благоприятные условия значительно дольше Земли, они могут предоставлять биологическим процессам больше времени для развития. Но это лишь одна из составляющих проблемы: длительная стабильность среды не заменяет условий, необходимых для самого возникновения жизни.

Астробиолог Ива Вилович, участвовавшая в исследованиях условий, подходящих для растительной жизни, настроена оптимистично. По ее мнению, если рассматривать Вселенную в целом, статистически существование жизни за пределами Земли представляется весьма вероятным — особенно на планетах, обладающих благоприятными для нее характеристиками.

Такой оптимизм понятен: число звездных систем огромно, а физические процессы, формирующие планеты, действуют не только в окрестностях Солнца.

Но между вероятностью и доказательством остается существенная дистанция.

На сегодняшний день астрономы не располагают общепризнанными подтверждениями существования внеземной жизни. Ни одна обнаруженная экзопланета пока не признана доказанным обитаемым миром, а признаки потенциальной биологической активности требуют особенно тщательной проверки.

Тем не менее поиск суперобитаемых планет расширяет границы исследований. Он заставляет ученых отказаться от предположения, что жизнь обязательно должна существовать в условиях, максимально похожих на земные.

Возможно, биосферы способны возникать и развиваться в гораздо более разнообразных средах, чем мы привыкли думать.

Что это означает для будущего человечества

Поиск планет, потенциально более пригодных для жизни, имеет не только фундаментальное научное значение.

Он помогает лучше понять, какие факторы определяют устойчивость земной биосферы, насколько редким может быть сочетание условий, сложившихся на нашей планете, и какие процессы способны сделать мир непригодным для жизни.

При этом обнаружение суперобитаемой планеты не означает, что человечество сможет когда-либо переселиться туда.

Даже ближайшие экзопланеты находятся на расстояниях, которые чрезвычайно трудно преодолеть с помощью существующих технологий. Современные космические аппараты не способны доставлять людей к другим звездам в разумные сроки.

Кроме того, потенциально пригодная для жизни планета может иметь атмосферу, давление, температуру и химический состав, совершенно неприемлемые для человека.

Поэтому на нынешнем этапе главная цель исследований — не поиск нового дома для человечества, а изучение разнообразия планетных систем и определение условий, в которых жизнь в принципе может существовать.

В более широком смысле эти исследования помогают ответить на вопрос о месте Земли во Вселенной.

Если суперобитаемые миры действительно существуют, наша планета может оказаться не вершиной возможных условий для жизни, а лишь одним из множества вариантов, реализованных природой.

Если же наблюдения покажут, что подходящие сочетания характеристик встречаются крайне редко, это подчеркнет исключительную ценность земной биосферы.

В обоих случаях результаты будут иметь большое значение для науки.

Главный вопрос заключается уже не только в том, существует ли где-то еще одна планета, похожая на Землю. Ученые пытаются выяснить, сколько во Вселенной миров, где жизнь может возникнуть, сохраниться и развиваться на протяжении миллиардов лет.

Пока суперобитаемые планеты остаются гипотезой. Но новые телескопы постепенно превращают ее из умозрительной идеи в проверяемую научную задачу. И если исследователям удастся обнаружить мир, который сочетает подходящие размеры, устойчивый климат, благоприятную атмосферу и долгоживущую звезду, человечество получит новый ориентир в поиске внеземной жизни.

Возможно, тогда станет ясно, что Земля — не единственный удачный эксперимент Вселенной. А возможно, мы поймем, насколько уникальны условия, благодаря которым жизнь появилась именно здесь.

В любом случае поиск суперобитаемых миров меняет саму перспективу астрономии: вместо попыток найти копию родной планеты ученые начинают исследовать все многообразие условий, при которых жизнь может быть возможна.

Ранее журналисты сайта «Пронедра» писали, что из пепла звезды: как рождается планета второго поколения