Історія пошуків двійника Землі

Фото: Popular Mechanics

Крістофер Вотсон, Аннеліз Мортьє

Джерело: BBC Україна

6 жовтня 1995 року на науковій конференції у Флоренції в Італії двоє швейцарських астрономів зробили заяву, яка змінила наше розуміння Всесвіту за межами Сонячної системи. Мішель Майор і його аспірант Дідьє Кело, які працювали в Женевському університеті, оголосили, що виявили планету, яка обертається навколо зорі, відмінної від Сонця.

Зоря, про яку йшлося, 51 Пегаса, розташована приблизно за 50 світлових років від нас у сузір’ї Пегаса. Її супутник – названий 51 Пегаса b, або Димидій – був зовсім не схожим на те, що описували підручники.

Це був газовий гігант масою щонайменше з половину Юпітера, який обертався навколо своєї зорі всього за трохи більше ніж чотири дні. Планета перебувала так близько до неї (на відстані однієї двадцятої відстані Землі від Сонця, тобто всередині орбіти Меркурія), що її атмосфера мала б температуру понад 1000°C (1830°F) – справжня піч.

Інструмент, який дозволив зробити це відкриття, називався “Елоді” – спектрограф, встановлений за два роки до того в обсерваторії Верхнього Провансу на півдні Франції. “Елоді”, розроблений франко-швейцарською командою, розділяв зоряне світло на спектр різних кольорів, утворюючи райдужну смугу, пронизану тонкими темними лініями. Ці лінії можна уявити як “зоряний штрихкод”, що містить відомості про хімічний склад зорі.

Майор і Кело помітили, що “штрихкод” зорі 51 Пегаса ритмічно зміщується вперед і назад у спектрі кожні 4,23 дні – це було характерним свідченням того, що зоря коливається під гравітаційним впливом невидимого супутника, схованого в її сяйві.

Це відкриття стало просвітом у дверях, які, щойно прочинившись, випустили справжній потік. За 30 років відтоді каталогізували понад 6000 екзопланет (планет за межами Сонячної системи) і кандидатів на цей статус.

Їхнє різноманіття вражає: не лише гарячі, а й ультрагарячі юпітери, що здійснюють обертання менш ніж за добу; світи, що обертаються не навколо однієї, а двох зір – як Татуїн із “Зоряних воєн”; дивні “суперпухирчасті” газові гіганти, більші за Юпітер, але з набагато меншою масою; ланцюжки малих кам’янистих планет, стиснених у тісні орбіти.

Відкриття Димидія стало революцією, і в 2019 році Майор і Кело отримали за нього Нобелівську премію. Тепер ми можемо припустити, що більшість зір мають планетні системи – і все ж, серед тисяч знайдених екзопланет ми ще не виявили жодної системи, схожої на нашу.

Пошуки двійника Землі – планети, подібної за розміром, масою й температурою – продовжують надихати сучасних дослідників, таких як ми.

Наші експедиції не потребують ризикованих подорожей, як у легендарних земних першовідкривачів минулого, але ми часто відвідуємо чудові гірські обсерваторії, розташовані у віддалених куточках світу.

Ми є членами міжнародного консорціуму мисливців на планети, який побудував, експлуатує та обслуговує спектрограф Harps-N, встановлений на телескопі Telescopio Nazionale Galileo на Канарському острові Ла-Пальма.

Цей високотехнологічний інструмент дозволяє нам переривати подорож зоряного світла, яке могло пролітати у просторі безперешкодно зі швидкістю 1,08 мільярда км/год впродовж десятиліть або навіть тисячоліть.

Кожен новий сигнал може наблизити нас до розуміння того, наскільки типовими (або унікальними) можуть бути такі планетні системи, як наша. І десь на горизонті залишається можливість, що одного дня ми нарешті виявимо ще одну планету, подібну до Землі.

Походження досліджень екзопланет

До середини 1990-х років Сонячна система була єдиною відомою людству системою планет.

Усі теорії про те, як формуються та розвиваються планети, ґрунтувалися на цих дев’яти надзвичайно близько розташованих джерелах даних (які зменшилися до восьми, коли у 2006 році Плутон позбавили статусу планети).

Усі ці планети обертаються навколо лише однієї зорі з приблизно 100 мільярдів зір, які є у нашій галактиці Чумацький Шлях. Той факт, що у Всесвіті, ймовірно, існує щонайменше 100 мільярдів галактик, ще раз підкреслює, наскільки мало ми знаємо.

Це приблизно те саме, якби прибульці намагалися з’ясувати природу та поведінку людства, спостерігаючи лише за студентами, які живуть разом в одному будинку.

Але це не завадило найвидатнішим мислителям в історії розмірковувати над тим, що лежить за межами нашого світу. Великий філософ Епікур (341–270 рр. до н.е.) писав у листі до Геродота: “Існує нескінченна кількість світів, деякі подібні до нашого світу, інші не подібні”.

Це твердження не ґрунтувалося на жодних астрономічних спостереженнях, а походило з його атомістичної філософії. Якщо Всесвіт складається з нескінченної кількості атомів, міркував він, то неможливо, щоб не існували інші планети.

Він також добре розумів, що це може означати для потенційного зародження життя деінде: ми не повинні вважати, що світи обов’язково мають одну й ту саму форму. В одному світі може бути насіння, з якого виникають тварини, рослини та всі інші речі, які ми бачимо, тоді як в іншому світі вони можуть бути зовсім відсутні.

Натомість приблизно в той самий час інший грецький філософ, Арістотель (384–322 рр. до н.е.), запропонував свою геоцентричну модель Всесвіту, у якій Земля є нерухомою в центрі, а Місяць, Сонце та відомі на той час планети обертаються навколо неї.

По суті, Сонячна система, як її уявляв Арістотель, і була всім Всесвітом. У праці “Про небо” (350 р. до н.е.) він стверджував: “Звідси випливає, що не може бути більше ніж один світ”.

Такі уявлення про те, що планети є рідкістю у Всесвіті, зберігалися впродовж 2000 років. Сер Джеймс Джинс, один із найвидатніших математиків світу, впливовий фізик і астроном початку ХХ століття, у 1916 році висунув свою припливну гіпотезу формування планет.

Відповідно до цієї теорії, планети утворюються тоді, коли дві зорі проходять настільки близько одна до одної, що гравітаційна взаємодія вириває потоки газу з їхніх поверхонь у космос, де вони згодом конденсуються в планети.

Такі близькі космічні зіткнення у безмежних просторах Всесвіту змусила Джинса вважати, що планети є надзвичайно рідкісним явищем – або навіть, як було зазначено в його некролозі, “що Сонячна система може бути єдиною у Всесвіті”.

Але на той час розуміння масштабів Всесвіту поступово змінювалося.

Під час Великих дебатів 1920 року, що відбулися у Смітсонівському національному музеї природної історії у Вашингтоні, американські астрономи Гарлоу Шеплі та Гебер Кертіс сперечалися про те, чи є Чумацький Шлях усім Всесвітом, чи лише однією з багатьох галактик.

Докази почали схилятися до другого варіанта, як і стверджував Кертіс. Це усвідомлення того, що Всесвіт містить не лише мільярди зір, а й мільярди галактик, кожна з яких налічує мільярди зір, – почало впливати навіть на найпесимістичніших прихильників рідкісності планет.

У 1940-х роках дві події кардинально змінили науковий консенсус. По-перше, припливна гіпотеза Джинса не витримала наукової перевірки – провідні теорії тепер розглядали формування планет як природний побічний продукт утворення зір, що відкрило можливість для існування планет майже навколо кожної зорі.

Потім, у 1943 році, з’явилися повідомлення про відкриття планет, що обертаються навколо зір 70 Змієносця та 61 Лебедя C – двох відносно близьких зоряних систем, видимих неозброєним оком.

Обидва випадки згодом виявилися хибними – найімовірніше через неточності телескопічних спостережень, можливих на той час, – але, попри це, вони суттєво вплинули на уявлення про планети. Раптом ідея про існування мільярдів планет у Чумацькому Шляху почала сприйматися як реальна наукова можливість.

Для нас ніщо не ілюструє цю зміну мислення краще, ніж стаття, написана для журналу Scientific American у липні 1943 року впливовим американським астрономом Генрі Норрісом Расселом. Якщо два десятиліття тому Рассел передбачав, що планети “мають бути рідкісними серед зір”, то тепер заголовок його статті лунав як “Кінець антропоцентризму”. Підзаголовок проголошував: “Нові відкриття свідчать про ймовірність існування тисяч населених планет у нашій галактиці”.

Вражає, що Рассел говорив не просто про якісь планети, а саме про населені. Питання, що палко цікавило вчених, було очевидним: де вони? І лише через пів століття людство почало знаходити відповіді.

Як виявити екзопланету

Коли ми спостерігаємо безліч зір через італійський телескоп “Галілео” на Ла-Пальмі, використовуючи наш спектрограф Harps-N, важко не замислитися, як далеко ми просунулися відтоді, як Майор і Кело оголосили про відкриття Димидія у 1995 році.

Сьогодні ми здатні ефективно вимірювати маси не лише планет, подібних до Юпітера, а й навіть малих планет, розташованих за тисячі світлових років. У межах співпраці Harps-N ми з 2012 року маємо змогу спостерігати розвиток науки про малі екзопланети буквально з перших рядів.

Ще однієї важливої віхи в цій історії досягли через чотири роки після відкриття Димидія, коли канадський аспірант Гарвардського університету Девід Шарбонно виявив транзит відомої екзопланети – ще одного гарячого Юпітера, відомого як HD209458b, що також розташований у сузір’ї Пегаса приблизно за 150 світлових років від Землі.

Транзит – це явище, коли планета проходить перед своєю зорею з точки зору спостерігача, тимчасово зменшуючи її яскравість. Окрім самого факту виявлення екзопланети, метод транзиту дозволяє виміряти її радіус – для цього необхідно зробити багато вимірювань яскравості зорі та дочекатися, коли вона стане тьмянішою під час проходження планети.

Ступінь затемнення зоряного світла залежить від радіуса планети: наприклад, Юпітер зробив би Сонце лише на 1% менш яскравим для гіпотетичних інопланетних спостерігачів, тоді як Земля спричинила б ефект у сто разів слабший.

Загалом, на сьогодні у чотири рази більше екзопланет відкрили за допомогою методу транзиту, ніж за допомогою “штрих-кодового” методу, відомого як метод променевих швидкостей, яким швейцарські астрономи виявили першу екзопланету 30 років тому. Цей метод і досі широко використовують, зокрема й ми, адже він дозволяє не лише знайти планету, а й визначити її масу.

Планета, що обертається навколо зорі, чинить на неї гравітаційний вплив, який змушує зорю періодично коливатися вперед і назад – тобто періодично змінювати свою швидкість відносно спостерігачів на Землі. Використовуючи метод променевих швидкостей, ми робимо багаторазові вимірювання швидкості зорі, щоб знайти стабільне періодичне коливання, яке вказує на присутність планети.

Однак ці зміни швидкості надзвичайно малі. Для порівняння: Земля змушує Сонце змінювати свою швидкість лише на 9 сантиметрів за секунду – повільніше, ніж черепаха. Тож щоб виявити планети за допомогою методу променевих швидкостей, нам потрібно вимірювати такі незначні зміни швидкості у зір, що перебувають на відстані багатьох трильйонів кілометрів від нас.

Сучасні інструменти, які ми використовуємо, – це справжнє досягнення інженерної майстерності. Найновіші спектрографи, такі як Harps-N та Espresso, здатні з високою точністю вимірювати зсуви швидкості порядку десятих часток сантиметра за секунду – хоча й досі недостатньо чутливі, щоб виявити справжню “близнючку Землі”.

А втім, якщо метод променевих швидкостей наразі обмежений наземними обсерваторіями й може спостерігати лише одну зорю одночасно, то метод транзиту можна застосовувати на космічних телескопах, таких як французький Corot (2006–2014) та місії NASA Kepler (2009–2018) і TESS (2018–дотепер).

Завдяки їм у космосі виявили тисячі екзопланет усіх можливих типів, оскільки вимірювати яскравість зір із орбіти набагато простіше – і можна спостерігати одразу багато зір.

Попри різницю в успішності виявлення, обидва методи й далі вдосконалюють. Їхнє поєднання дозволяє визначити як радіус, так і масу планети, відкриваючи безліч нових шляхів для дослідження її складу.

Щоб оцінити можливий склад відкритих екзопланет, ми виходимо з простої гіпотези: невеликі планети, як-от Земля, складаються з важкого залізного ядра, легшої кам’янистої мантії, певної кількості поверхневої води та тонкої атмосфери.

Використовуючи наші вимірювання маси й радіуса, ми можемо моделювати різні можливі структурні шари планети та їхню товщину. Це все ще дослідження “в процесі”, але Всесвіт щедро тішить нас розмаїттям планет.

Ми вже бачимо ознаки кам’янистих світів, що руйнуються, та дивних планетарних систем, які свідчать про минулі зіткнення.

Планети виявили по всій нашій галактиці – від Sweeps-11b у центральних регіонах (майже 28 тисяч світлових років звідси, одна з найдальших відомих) до тих, що обертаються навколо нашого найближчого зоряного сусіда, Проксими Центавра, яка розташована “всього” за 4,2 світлові роки.

Пошуки “іншої Землі”

На початку липня 2013 року я (Крістофер Вотсон) летів на Ла-Пальму для своєї першої “зміни” з нашим нещодавно введеним у дію спектрографом Harps-N.

Я прагнув нічого не зіпсувати, тому мій ноутбук був переповнений електронними таблицями, графіками, посібниками, слайдами та іншими нотатками. Серед них був тристорінковий документ, який я щойно отримав, під назвою “Спеціальні інструкції для ToO” (Target of Opportunity – “Ціль можливості”).

Перший абзац звучав так: “Виконавча рада вирішила, що ми маємо надати найвищий пріоритет цьому об’єкту”. Йшлося про кандидата у планети, який, як вважали, обертається навколо зорі Kepler-78 – зорі, трохи холоднішої й меншої за наше Сонце, розташованої приблизно за 125 світлових років у напрямку сузір’я Лебедя.

Кількома рядками нижче я прочитав: “Спостереження 4–8 липня … Кріс Вотсон” із переліком із десяти часових проміжків для спостереження за Kepler-78 – двічі на ніч, кожного разу з точним інтервалом у чотири години й п’ятнадцять хвилин.

Повертаючись до цих нотаток, коли писав цю статтю, я раптом помітив, що ім’я, зазначене над моїм, було Дідьє Кело. Свою Нобелівську премію він тоді ще не отримав.

Кандидата у планети виявив космічний телескоп Kepler, завданням якого було досліджувати певну ділянку Чумацького Шляху в пошуках екзопланет, розміром не більших за Землю.

У цьому випадку телескоп зафіксував кандидата в транзитну планету з оцінним радіусом 1,16 (± 0,19) радіуса Землі. Тобто потенційно виявили екзопланету, не набагато більшу за нашу.

Я перебував на Ла-Пальмі, щоб застосувати метод променевих швидкостей для вимірювання маси цієї планети, що, у поєднанні з радіусом, отриманим від Kepler, дозволило б обмежити діапазон можливих значень її густини та складу.

Переглядаючи свої нотатки того часу, я знайшов такий запис: “Потрібна похибка 10% у вимірюванні маси, щоб отримати достатньо точну середню густину для розрізнення між землеподібною, залізонасиченою (як Меркурій) або водною планетою”.

Загалом я зробив 10 із 81 експозицій Kepler-78, отриманих нашою командою протягом кампанії спостережень, яка тривала 97 днів. Ми дізналися, що над тією ж потенційною планетою працює й американська група дослідників.

У найкращих наукових традиціях ми домовилися подати наші незалежні результати одночасно та синхронно обмінятися висновками. У призначений день, немов під час “обміну полоненими”, дві незалежні команди обмінялися результатами – і вони збіглися. З урахуванням похибок даних ми дійшли однакових висновків щодо маси планети.

Найімовірніша маса планети становила 1,86 маси Землі. На той час це зробило Kepler-78b найменшою позасонячною планетою, масу якої виміряли з високою точністю. Її густина була майже ідентичною до земної.

Але на цьому подібність до нашої планети завершувалася. “Рік” на Kepler-78b триває лише 8,5 години. Саме тому в моїх інструкціях було зазначено спостерігати її кожні 4 години й 15 хвилин – у моменти, коли планета перебуває на протилежних сторонах своєї орбіти, і різниця у викликаному коливанні зорі є найбільшою.

Ми зафіксували, що зоря коливається вперед-назад зі швидкістю близько 2 метрів за секунду – не більше, ніж повільний біг підтюпцем.

Коротка орбіта Kepler-78b означала, що її екстремальна температура спричиняє плавлення всієї породи на поверхні. Вона могла бути найбільш схожою на Землю планетою з усіх виявлених на той час за розмірами та густиною, але в іншому цей пекельний світ лави був на крайній межі всього відомого різноманіття планет.

У 2016 році космічний телескоп Kepler здійснив ще одне знакове відкриття: це система щонайменше з п’яти транзитних планет навколо зорі, схожої на Сонце, HIP41378, у сузір’ї Рака.

Особливо цікавою цю знахідку робило розташування планет: якщо більшість транзитних планет, які ми спостерігали, перебувають ближче до своїх зір, ніж Меркурій до Сонця (через особливості наших методів виявлення), то в цій системі принаймні три планети розташовані далі за орбіту Венери.

Ми вирішили використати наш спектрограф Harps-N, щоб виміряти маси всіх п’яти транзитних планет, але після понад року спостережень стало зрозуміло, що одного інструмента недостатньо для аналізу такого складного поєднання сигналів.

Інші міжнародні команди дійшли того ж висновку, і замість змагання ми вирішили об’єднати зусилля у глобальній співпраці, що триває й досі – ми зібрали сотні вимірювань променевих швидкостей протягом багатьох років.

Ми вже маємо достовірні дані про масу та радіус більшості планет у цій системі. Але їхнє вивчення вимагає терпіння: оскільки ці планети значно віддаленіші від своєї зорі, потрібно набагато більше часу, щоб спостерігати нову подію транзиту або повний цикл періодичного коливання. Тож нам доводиться чекати роками й збирати величезну кількість даних, щоб отримати глибше розуміння цієї системи.

Але винагорода очевидна. Це перша система, яка починає нагадувати нашу Сонячну. Хоча планети там трохи більші та масивніші за наші кам’янисті, їхні відстані до зорі дуже подібні, що допомагає нам зрозуміти, як формуються планетні системи у Всесвіті.

Святий Грааль дослідників екзопланет

Після трьох десятиліть спостережень ми виявили безліч різноманітних планет. Ми почали з гарячих юпітерів – великих газових гігантів, розташованих близько до своєї зорі, які найпростіше знайти через глибші транзити та сильніші сигнали променевих швидкостей. Але хоча перші десятки відкритих екзопланет належали саме до цієї категорії, тепер ми знаємо, що гарячі юпітери насправді є дуже рідкісними.

Із вдосконаленням приладів і накопиченням спостережень ми відкрили цілий новий клас планет – із розмірами та масами між Землею та Нептуном.

Проте попри знання про тисячі планет за межами Сонячної системи, ми все ще не знайшли систем, які справді нагадують нашу, а також планет, які були б справжніми двійниками Землі.

Може виникнути спокуса зробити висновок, що ми – унікальна планета в унікальній системі. Хоча це й не можна цілком відкинути, та все ж це малоймовірно. Розумніше припустити, що попри всі досягнення нашої зоряної технології, наші можливості виявлення таких землеподібних планет досі досить обмежені – у Всесвіті, який є неймовірно величезним.

Святий Грааль для багатьох дослідників екзопланет, включно з нами, – це пошук справжнього двійника Землі: планети з масою та радіусом, подібними до земних, що обертається навколо зорі, схожої на Сонце, на відстані, подібній до тієї, на якій перебуває наша планета.

Хоча Всесвіт сповнений різноманітності й має безліч планет, не схожих на нашу, відкриття справжньої землеподібної планети було б найкращою відправною точкою для пошуку життя, подібного до нашого. Наразі метод променевих швидкостей – той самий, який використали для відкриття першої екзопланети – залишається найефективнішим способом для цього.

Через тридцять років після того нобелівського відкриття піонер досліджень екзопланет Дідьє Кело очолює першу спеціалізовану кампанію з пошуку землеподібної планети за допомогою методу променевих швидкостей.

У рамках великої міжнародної співпраці створюють спеціальний інструмент Harps3, який встановлять пізніше цього року на телескопі Ісаака Ньютона на Ла-Пальмі. Враховуючи його можливості, ми віримо, що десятиліття спостережень буде достатньо, аби нарешті відкрити нашого першого справжнього двійника Землі.

Якщо, звісно, ми не є унікальними.