Следующие 500 лет: Как подготовить человека к жизни на других планетах - Кристофер Мэйсон

Солнечной системы существуют полноценные другие миры. Любая звезда на небосклоне может «пригреть» одну или несколько планет. Наконец, каждая из этих планет или их спутников может быть обитаемым миром.

Далее требовалось найти планету, обращающуюся вокруг звезды в середине своего жизненного цикла (как наше Солнце). В 1995 г. два астронома (Дидье Кело и Мишель Майор) обнаружили подобную экзопланету. Однако она больше походила на несостоявшуюся звезду, чем на Землю или даже на Марс. По размеру она была в два раза меньше Юпитера, а ее орбита находилась практически у поверхности звезды. Не лучшее место для поиска жизни, напоминающей земную. Такие экзопланеты теперь называют жаровнями из-за интенсивного нагрева звездой.

В 1999 г., был испытан новый метод поиска экзопланет, названный транзитным. Транзит происходит, когда планета проходит мимо диска звезды и немного затмевает ее. В 1999 г. группы под руководством Дэвида Шарбонно и Грега Генри обнаружили экзопланету, которая прошла по диску звезды HD 209458 в созвездии Пегаса. По этому транзиту астрономам удалось не только обнаружить саму планету, но и получить некоторое представление о ее атмосфере. Когда свет проходит через атмосферу, энергия поглощается и отражается тонким поверхностным слоем планеты. По оптическому спектру можно судить, какие элементы Периодической системы Менделеева присутствуют на планете, включая водород, кислород, азот и углерод.

Как увидеть атомы

Для понимания принципов спектроскопии нужно знать, как формируются спектры. Основателем спектроскопии считается Исаак Ньютон, который в своей первой работе об использовании призм (трактат «Оптика», 1704 г.) написал, что белый свет состоит из цветовых составляющих. Эти цвета образуют радугу, которую можно наблюдать, когда солнечные лучи проходят через капли дождя. Ньютон определил, что призма не создает новых цветов и не изменяет световые лучи – она разлагает на составные части считавшийся ранее неделимым «чистый белый свет». Он задался вопросом: можно ли с помощью спектра определять, что присутствует внутри света? Но простая стеклянная призма позволяла лишь разлагать свет.

Затем в 1821 г. молодой баварец Йозеф фон Фраунгофер предложил использовать в качестве рассеивателя света вместо стеклянной призмы дифракционную решетку. Это устройство представляло собой набор плотно уложенных параллельных проволочек, подобно волокнам в птичьих перьях. Решетка позволяла четко разделять на цвета свет как от солнца, так и от свечи. Рассказывают, что такая идея пришла Фраунгоферу в голову, когда он смотрел на солнце сквозь птичье перо. Это был красивый и простой эксперимент, доступный для любого желающего. При помощи дифракционной решетки Фраунгофер разработал количественную «шкалу длин волн», а затем опубликовал результаты наблюдений за солнечным светом, отмечая, какие цветовые полосы присутствовали постоянно. Он заметил, что некоторые спектры получались прерывистыми – содержали темные линии. Эти пропуски в то время были необъяснимы. Предполагалось, что это лишнее подтверждение фрагментарности и дискретности света. Такие темные полосы по сей день называют фраунгоферовыми линиями.

К середине XIX в. стало очевидно, что каждый элемент Периодической системы Менделеева и даже каждая молекула может иметь специфический спектр излучения, возникающий в ответ на поглощение света. В 1860-х гг. Уильям и Маргарет Хаггинс впервые попробовали исследовать звездный свет при помощи спектроскопических методов. По их предположению, если Вселенная состоит из тех же атомов, что и Земля, то спектры можно использовать для определения состава любой наблюдаемой планеты или звезды. Впоследствии эта гипотеза подтвердилась, и Хаггинсы первыми получили спектр планетарной туманности и нашли различия между туманностями и галактиками.

Эти наблюдения вдохновили в начале XX в. Нильса Бора и других ученых на исследования, подтвердившие, что спектр не только предсказуем, но и позволяет решить проблему квантовой механики: определить квантовые состояния атомов. Бор сосредоточился преимущественно на изучении атомов водорода, самого распространенного элемента во Вселенной, к тому же обладающего простейшим строением атома (один протон и один электрон). Ученый предположил, что свет может испускаться атомами чистого водорода потому, что атом поглощает энергию на определенной частоте, а затем излучает ее в виде волны определенной длины. Это объяснило бы появление темных фраунгоферовых линий.

Бор оказался прав. Когда атомы поглощают энергию, их электроны переходят на более высокие орбитали, а затем излучают свет, опускаясь на более низкую орбиталь. При этом высвобождается энергия (согласно уравнению E = hυ). Поскольку спектры излучения одинаковы везде, где бы их ни измеряли (на Земле), предполагается, что наблюдаемые спектры планет и звезд даже в другой галактике могут указать на их химический состав. Действительно, спектры позволяют составить дискретную карту элементов, присутствующих в любом лабораторном образце или на поверхности планет, проходящих на фоне диска далекой звезды. Транзитный метод дает возможность зафиксировать спектр излучения экзопланеты во время ее прохождения между звездой и наблюдателем. Ситуация подобна той, в которой Фраунгофер смотрел на солнце через перо. Так реализовалась через 350 лет мечта Ньютона. Теперь, наблюдая с помощью орбитального телескопа за спектрами видимого излучения других планет, мы можем определять их химический состав.

Планеты-чистилища

Когда стало ясно, что создание спектральных карт и транзитный метод работают, наука стала развиваться быстрее, пошли новые открытия. В 2001 г. с помощью спектрометра, установленного на телескопе «Хаббл», была обнаружена атмосфера у экзопланеты HD 209458 b. Это было первое свидетельство наличия атмосферы на планете за пределами Солнечной системы. В 2005 г. космический телескоп «Спитцер» позволил наблюдать в инфракрасном спектре две экзопланеты одновременно. С 2007 г. он может идентифицировать сравнительно крупные молекулы, а не только отдельные атомы. Астрономы Дэвид Шарбонно и Хезер Кнутсон при помощи телескопа «Спитцер» составили первый прогноз погоды на экзопланете, указав в числе прочего температуру облачного покрова. Трудно сказать, будет ли данный инопланетный мир подходящим местом для отпуска, но по крайней мере мы можем одеться по погоде. Нет ничего лучше, чем увидеть планету своими глазами. В 2008 г. было получено первое прямое изображение экзопланеты. С помощью телескопа «Хаббл» была обнаружена планета Фомальгаут b, расположенная в 25 световых годах от нас, что довольно близко по астрономическим меркам. Но эта планетка страдает «ожирением» – она примерно втрое больше Юпитера[27].

Несмотря на успехи, достигнутые благодаря транзитному методу, настало время более мощных приборов. В 2009 г. был запущен космический аппарат «Кеплер» для продолжения поиска новых планет, затмевающих свои родные звезды во время прохождения через их диск. Результатов пришлось ждать недолго. В 2011 г. «Кеплер» обнаружил первую скалистую экзопланету, самую маленькую из когда-либо открытых. Она представляет собой большой кусок железа в 4,5 раза тяжелее Земли. Однако, как и многие другие ранее обнаруженные экзопланеты, она расположена слишком близко к своему светилу – даже ближе, чем Меркурий к Солнцу. По сути, это еще одна раскаленная планета, на поверхности которой не может существовать ни одна известная нам форма жизни.

Экзопланеты в зоне обитаемости

Благодаря постоянному совершенствованию научных методов и аппарату «Кеплер», всматривающемуся в глубины Вселенной, нам наконец-то повезло. В 2014 г. была обнаружена экзопланета (Кеплер-186f), схожая с Землей, чья орбита находится в зоне Златовласки. Если вы никогда не слышали классическую сказку «Три медведя», напомню, что в ней говорится о маленькой девочке (в английском варианте ее зовут Златовласка), которой каша медведя показалась слишком горячей, каша медведицы – слишком холодной, а каша медвежонка пришлась в самый раз. По этой причине ее именем назвали зону, находящуюся на столь же благоприятном удалении от звезды, как и Земля от Солнца. Это зона, где вода существует в жидком состоянии и наблюдаются щадящие температуры.

Кеплер-186f немного больше Земли, скорее всего, эта планета состоит из горных пород, а главное, находится в зоне Златовласки, т. е. на ее поверхности может существовать вода в жидком состоянии. Хотя от нас до этой планеты 500 световых лет, на нее когда-нибудь наверняка отправится экспедиция. Назовем эту планету первой предполагаемой Неоземлей. Вторая Неоземля, покрупнее, была обнаружена в 2015 г. и названа Кеплер-452b. Эта планета больше Земли в 1,6