Космическая Скандинавия

Считается, что землеподобные планеты наиболее благоприятны для возникновения жизни. И пока Илон Маск готовится к колонизации Марса, ученые Высшей школы экономики и Института космических исследований РАН заглянули за пределы Солнечной системы. Они изучили ближайшую к Земле экзопланету, на которой возможна жизнь.

Бледно-красная точка

В 2013 году экзопланету Проксима Центавра b обнаружил британский астроном Микко Туоми. Спустя три года Европейская южная обсерватория запустила кампанию «Бледно-красная точка», чтобы подтвердить существование планеты, и объявила о ее открытии.

©ESO/M. Kornmesser

Экзопланета находится в зоне обитаемости красного карлика Проксима Центавра. Это область на оптимальном расстоянии от звезды, достаточном для существования воды в жидком состоянии. Если планета расположится ближе зоны обитаемости, она чрезмерно нагреется, и вода испарится. А если дальше — планета не получит достаточно тепла от родительской звезды, и ее температура опустится ниже точки замерзания воды. Но чтобы определить, подходит ли планета для жизни, недостаточно знать температуру на ее поверхности.

Если на Земле погода зависит от температуры, атмосферных осадков и прочих метеорологических характеристик, то в Солнечной системе и на экзопланетах вроде Проксимы b метеоусловия во многом определяют солнечный ветер и космические лучи. Воздействие космических лучей на экзопланеты рассмотрели ученые из Брауншвейгского технического университета (Германия), но они не учли важную деталь — влияние звездного ветра. Эту задачу поставили перед собой российские исследователи.

Космические лучи — потоки заряженных частиц, движущиеся с высокими энергиями в космосе.
Звездный ветер — процесс истечения вещества из звёзд в межзвёздное пространство с высокими скоростями.
Солнечный ветер — это поток ионизированных частиц, в основном горячей плазмы, который распространяется от короны Солнца с высокими скоростями. Температура солнечной короны настолько высока, что сила гравитации не удерживает ее вещество вблизи поверхности, и часть этого вещества непрерывно убегает в межпланетное пространство. Солнечный ветер частично выдувает космические лучи, как ветер сдувает листья с земли.

Проксима b так привлекательна для ученых, потому что считается ближайшей к нам экзопланетой. Ее отделяют от Земли 4,25 световых лет, в то время как другие экзопланеты земного типа находятся на расстоянии как минимум в 11 световых лет.

Световой год — это расстояние, которое проходит солнечный луч за год — около 10 триллионов километров.

 

Миссии по поиску экзопланет

Пока неизвестно, пригодна ли Проксима b для жизни. Несмотря на благоприятные условия на поверхности экзопланеты, во время вспышек родительской звезды она подвергается интенсивному ультрафиолетовому и рентгеновскому облучению. В пиковые моменты оно в 4000 раз сильнее, чем то, которое получает Земля от Солнца.

Вспыхивающие звезды — переменные звёзды (в основном тусклые красные карлики с небольшой массой), резко и непериодически увеличивающие свою светимость в несколько раз во всём диапазоне от радиоволн до рентгеновского излучения.

В 2017 году астрономы Института Карнеги зарегистрировали мощную вспышку на родительской звезде. Проксима b должна была получить огромную дозу радиации. Исследовательница Мередит МакГрегор предполагает, что за миллиарды лет с образования экзопланеты подобные вспышки могли лишить планету атмосферы или воды, сделать ее поверхность абсолютно безжизненной. Но если атмосфера на экзопланете достаточна плотная, чтобы защищать от излучения родительской звезды, жизнь на ней возможна. Другой вопрос, существует ли внеземная жизнь в принципе. 

Dwarf Star in Motion from NRAO Outreach on Vimeo

Формула Дрейка

Ночью 1 ноября 1961 года в городе Грин-Бэнк (США) несколько ученых, участвовавших в конференции, посвященной поискам жизни на других планетах, засиделись допоздна в баре. Они спорили, могут ли астрономы уловить радиосигналы, посылаемые внеземными цивилизациями. На следующий день их спор разрешил американский радиоастроном Фрэнк Дрейк. Он предложил формулу для определения числа внеземных цивилизаций в Галактике, которые могут выйти на контакт с людьми.

Согласно формуле Дрейка , число внеземных цивилизаций N составляет:

N = RPN_eLCT,

где R — число ежегодно образующихся звезд во Вселенной; Р — вероятность наличия у звезды планетной системы; N_e— вероятность того, что среди планет имеется планета земного типа, на которой возможно зарождение жизни; L — вероятность реального зарождения жизни на планете; С — вероятность того, что разумная жизнь пошла по техногенному пути развития, разработала средства связи и желает вступить в контакт; T — усредненное время, на протяжении которого желающая вступить в контакт цивилизация посылает радиосигналы в космос, чтобы связаться с нами.

С 1961 года ученые поумерили свой оптимизм относительно существования жизни в далеком космосе. Последние расчеты по формуле Дрейка показали, что человечество одиноко в своей галактике с вероятностью 53-99,6% или даже во всей Вселенной — с вероятностью 39-85%.

Астрономы открыли не одну планету, но все они оказались мало похожи на Землю. Теперь надежда ученых — экзопланеты земного типа.

Как коронограф ищет экзопланеты

Путь до Альфы Центавра

Допустим, даже если Проксима b окажется пригодной для жизни, то как до нее добираться? Межпланетная станция Вояджер-1, самый быстрый космический аппарат, покидающий Солнечную систему, движется со скоростью около 17 км/с. Если бы мы перемещались со скоростью Вояджера-1, нам бы потребовалось более 70000 лет на миссию по достижению звездной системы Альфы Центавра, в которой находится Проксима b. Однако есть вероятность, что с помощью технологий солнечного паруса или ядерного ракетного двигателя мы сможем достичь 10% от скорости света и преодолеть расстояние до ближайшей звезды за 40 лет.

Солнечный парус — приспособление, использующее давление солнечного света или лазера на зеркальную поверхность для приведения в движение космического аппарата. 

Вояджер-1 покоряет межзвездное пространство

Ядерный ракетный двигатель — реактивный двигатель, в котором энергия, возникающая при ядерной реакции распада или синтеза, нагревает рабочее тело (чаще всего, водород или аммиак).

Первые попытки добраться Альфы Центавра предприняты в научно-исследовательском проекте Breakthrough Starshot. В 2015 году Юрий и Юлия Мильнер запустили программу Breakthrough Initiatives по изучению Вселенной и поиску научных доказательств того, что внеземная жизнь существует. Одно из направлений программы — проект Breakthrough Starshot по разработке концепции флота межзвездных космических кораблей. Они, по оценкам авторов, смогут добраться до Альфы Центавра со скоростью, составляющей 20% от скорости света. Это займет порядка 20 лет, и еще около 4 лет потребуется на то, чтобы уведомить Землю об успешном прибытии. Остается выяснить, какие метеоусловия на Проксиме b.

 

Breakthrough Starshot

Космическая погода на Проксиме b

Тем временем ученые Высшей школы экономики и Института космических исследований РАН рассчитали основные факторы, определяющие космическую погоду около Проксимы b: параметры звездного ветра, галактических и звездных космических лучей.

Авторы исследования в своих расчетах использовали простые модели, разработанные для Солнца, и впервые определили радиационные условия около Проксимы b. Для этого они взяли магнитное поле звезды, температуру короны и стандартные звездные характеристики. На основе паркеровской модели исследователи получили оценки параметров звездного ветра: скорость составила 600–1200 км/с, плотность — примерно 1000–4000 частиц в кубическом сантиметре. Ученые также использовали данные об активности и магнитном поле Проксимы Центавра и рассчитали возможные потоки и флюенсы (количество протонов, летящих в определенном направлении) галактических и звездных космических лучей.

«Такие простые модели были использованы по одной причине: наши знания о других звездах соответствуют нашим знаниям о Солнце в 50-60-х гг. Преимущество же этих моделей в том, что они не требуют большого числа входных параметров» — объясняет один из авторов исследования, доцент факультета физики ВШЭ Андрей Садовский.

Результаты исследования показывают, что галактические космические лучи должны отсутствовать у Проксимы b вплоть до энергий в 1 ТэВ, так как их «выметает» звездный ветер.

«Космические лучи, которые достигают Земли, обладают энергией от 10 ГэВ, а Проксимы Центавра — от 1000 ГэВ. Соответственно, их количество на экзопланете должно быть в тысячу раз меньше, что может влиять на состояние атмосферы, климат и другие характеристики», — уточняет автор исследования.

Также ученые предположили, что звездные космические лучи могут ускоряться до высоких энергий (3150 αβ ГэВ) в звездных вспышках. При этом вспышки на Проксиме Центавра способны ускорять протоны и поддерживать постоянную интенсивность звездных космических лучей в астросфере за счет большой частоты, написано в исследовании.

«То есть планета все равно может получать большое количество космических лучей, но ее климат будет сильнее зависеть от активности звезды», — резюмирует Андрей Садовский.

IQ

Авторы исследования:

Андрей Садовский, доцент факультета физики НИУ ВШЭ

Алексей Струминский, Институт космических исследований РАН

Анатолий Белов, Институт Земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН

Автор текста: Свинобоева Мария Александровна, 4 сентября, 2018 г.