Загадки космоса. Планеты и экзопланеты

В астробиологических исследованиях наиболее часто упоминается молекулярный кислород и его фотохимический продукт озон как один из лучших биомаркеров. Кислород – второй по массе газ в современной атмосфере Земли, он должен быть хорошо заметен в спектре планеты и, самое главное, практически весь производится фотосинтезирующими организмами. Но этот, казалось бы, идеальный биомаркер присутствует в атмосфере Земли в каких-либо заметных количествах лишь малую часть времени ее существования. После «кислородной катастрофы» на протяжении около 2 миллиардов лет он оставался на относительно низком уровне (даже меньше 1 % массы¹⁵⁴), что делало его не самым легко обнаружимым газом в атмосфере. Также он может образовываться в результате некоторых не связанных с биологическими агентами реакций, например при разрушении ультрафиолетовым излучением молекул воды или углекислого газа. На Земле это происходит с очень низкой скоростью, поэтому богатая кислородом атмосфера не создается. Но на других планетах, если поверхностные условия на них и характеристики звезды способствуют фотолизу[86] углекислого газа, богатая кислородом атмосфера может появиться и без участия каких-либо живых организмов¹⁵⁵.

Другой газ, присутствие которого часто рассматривается как биомаркер, – метан. Еще Карл Саган отмечал, что метан, в силу практически полного органического происхождения в условиях Земли, служит одним из свидетельств обитаемости нашей планеты. На Земле от 90 до 95 % метана имеет биологическое происхождение¹⁵⁶, а оставшееся количество образуется в ходе различных геологических процессов (например, в срединно-океанических хребтах в результате химических реакций минералов с водой¹⁵⁷). На том же Титане, на котором вряд ли удастся найти жизнь, похожую на земную, присутствуют абиогенные источники метана, которые не позволяют этому газу исчезнуть из атмосферы вот уже миллиарды лет.

Существуют и другие биомаркеры в атмосфере, например C₂H₆, N₂O, CH₃Cl, CH₃SH, но основную идею вы, надеюсь, поняли: наличие ни одного из них по отдельности не является надежным критерием присутствия на планете жизни. Но стоит очень внимательно присмотреться к планете, в атмосфере которой обнаружится два или более биомаркера одновременно. Особенно интересны сочетания молекулярный кислород – метан и углекислый газ – метан. Одновременное присутствие таких пар означает, что атмосфера планеты обладает сильными окислительными свойствами, а значит, не способствует образованию метана как наиболее стабильной формы углерода (например, на Титане очень мало углекислого газа). В этом случае метан должен постоянно поступать в атмосферу благодаря биологическим агентам или же за счет абиотических реакций в водной среде планеты.

На настоящий момент обнаружено всего несколько экзопланетных атмосфер. Чем больше планета и чем ярче ее родительская звезда, тем легче обнаружить и исследовать атмосферу. Поэтому все планеты, наличие атмосферы у которых не вызывает сомнений, принадлежат к классам от горячих юпитеров до мини-Нептунов.

Сегодня легче всего исследовать планеты у красных карликов. Возможно, в одной такой системе мы скоро найдем признаки жизни. Наверное, самым знаменитым открытием последних лет стала система планет у звезды Trappist-1 в 39 св. годах от Солнца. Trappist-1 – это красный карлик с массой, равной всего 0,08 M_⊕, и радиусом, совсем ненамного превосходящим радиус Юпитера. Вокруг этой звезды обнаружено еще как минимум семь скалистых планет с массами, близкими к массе Земли, но располагающихся на орбитах намного меньших, чем радиус орбиты Меркурия.

Первоначальные исследования системы были выполнены с помощью наземного телескопа Trappist в 2016 году¹⁵⁸. Более поздние и тщательные – через год с помощью космического телескопа «Спитцер»¹⁵⁹. Планетная система Trappist-1 оказалась очень необычной. Несмотря на низкую температуру звезды, всего 2 500 K, все планеты имеют близкие равновесные температуры, допускающие существование воды на их поверхностях. Шесть ближайших к звезде планет находятся во взаимных орбитальных резонансах друг с другом. Это может служить признаком миграции этих планет ближе к звезде в далеком прошлом.

В 2017 году было проведено моделирование атмосфер планет в широком диапазоне химических составов и давлений¹⁶⁰, которые показали, что только планеты Trappist-1 d, Trappist-1 e, и Trappist-1 f с наибольшей вероятностью имеют на поверхности резервуары с жидкой водой, причем планета Trappist-1 e оказалась наиболее комфортной для возможной жизни из всех¹⁶¹. Когда телескоп «Джеймс Уэбб» наконец начнет проводить орбитальные исследования, одной из первых его задач, я уверен, будут исследования атмосфер планет Trappist-1.