Proxima b - планета беспокойной звезды
Proxima b - планета беспокойной звезды
Планета Proxima b у Проксимы Центавра была открыта в августе 2016 г. в рамках проекта Pale Red Dot («Слабая красная точка»), осуществляемого Гийемом Англада-Эскудэ и его сотрудниками. Они использовали сверхточный инструмент для измерения лучевых скоростей и обнаружили колебания спектра Проксимы с периодом 11,2 суток, вызываемые объектом с массой не менее 1,27 земной. Конечно, с подобными открытиями связано немало ожиданий и надежд, но необходимо отметить, что при наблюдениях такого рода мы получаем очень мало информации об экзопланете — фактически сейчас мы знаем только ее орбитальный период (уточненная продолжительность 11,186 суток), значение вызываемого ее гравитационным воздействием доплеровского сдвига линий в спектре звезды и максимально возможный эксцентриситет орбиты. Из этого мы можем вычислить ее среднее расстояние до центральной звезды и минимальную массу. На самом деле при достаточно большом угле наклона плоскости орбиты к направлению на наблюдателя этот объект может быть в 2-3 раза тяжелее Земли. Поэтому еще раз прошу учесть, что все дальнейшие выводы касательно условий на планете сделаны из этих скупых сведений, и в дальнейшем они могут быть серьезно пересмотрены по мере уточнения имеющихся данных.
Итак, Proxima b заняла свое место в «клубе потенциально обитаемых планет», причем среди них она закономерно оказалась самой близкой к Солнечной системе: от нее нас отделяет 4,2 световых года. Вдобавок, исходя из консервативных оценок того, что мы называем «зоной обитаемости », эта планета, пожалуй, более других напоминает Землю — по размерам, температуре у поверхности и т.д. Если рассматривать принятые границы зоны обитаемости для звезд различных спектральных классов и расположить все подтвержденные экзопланеты в координатах «температура звезды — поток энергии», становится очевидным, что Proxima b находится в области почти оптимальных условий. Однако нужно учитывать, что она обращается вокруг сравнительно холодного (порядка 3000 К) красного карлика, в 8 раз менее массивного, чем Солнце.
Штатный художник ESA изобразил планету Proxima b необитаемой, без океанов, рек и почти без атмосферы, но я думаю, что эта картина не совсем соответствует действительности, и нам следует быть более оптимистичными. На самом деле мы, конечно, не имеем прямого ответа на вопрос, пригодна ли она для жизни — это сложная проблема, зависящая от множества факторов и включающая в себя много неизвестных. В своих исследованиях мы воспользовались наиболее свежими данными, чтобы постараться приблизиться к ее решению. В первую очередь нам необходимо учесть следующие факторы: сколько на планете исходно было воды, сколько летучих веществ (главным образом той же воды) было потеряно ею и теряется сейчас благодаря высокоэнергетическому излучению центрального светила, имеется ли у нее магнитное поле, и какую роль играет приливное воздействие в планетной эволюции.


Что же можно сказать по каждой из этих позиций? Исходное количество воды мы определить не можем. Исходя из оценок ее содержания во влажных планетезималях («строительных блоках», из которых шло формирование планет), при использовании существующих моделей планетообразования получается, что Proxima b должна быть более сухой, чем Земля. Но это верно лишь в том случае, если она вращается синхронно, то есть постоянно обращена к своей звезде одной стороной, во втором — оказывается в резонансе 3:2 с орбитальным вращением, совершая три оборота вокруг оси на протяжении двух орбитальных периодов. Это. в свою очередь, зависит от вытянутости планеты (отличия ее формы от сферической) и эксцентриситета ее орбиты. Чем больше значения этих параметров — тем более вероятен «резонансный» сценарий. Интересно, что при нем солнечные сутки будут вдвое дольше планетного года.
Проксима Центавра — очень активная звезда, в относительных значениях существенно более активная, чем Солнце. Она всегда была такой, причем в прошлом ее активность по многим признакам могла быть даже выше. На расстоянии, равном среднему радиусу орбиты планеты Proxima b, на квадратный метр поверхности, перпендикулярной к направлению на звезду, падает 64+3% лучистой энергии, поступающей от нашего светила на такой же квадратный метр за границей земной атмосферы (так называемая солнечная постоянная). Основная часть этого излучения приходится на красную часть видимого спектра и прилегающий к ней ближний инфракрасный диапазон. Известно, что Земля получает в 20 раз больше важных с точки зрения развития жизни низкоэнергетических ультрафиолетовых лучей. Зато опасное высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение в районе орбиты Proxima b оказывается в несколько десятков раз мощнее! Но это еще не самое неприятное.


Общая мощность излучения Проксимы Центавра может меняться в широких пределах, сильно возрастая во время вспышек, случающихся не так уж и редко. Значительные изменения связаны также с вращением звезды вокруг оси — как мы уже знаем, его период равен 86 суткам — и с циклами ее активности, основной из которых длится примерно 7 земных лет. Опять же, в общем потоке излучения эти колебания не слишком заметны (до 15% — при вспышках, порядка процента — в результате вращения и вариаций активности), но если взять отдельно дальний ультрафиолетовый диапазон, там они оказываются весьма существенными.
Имея информацию о свойствах центральной звезды, мы можем оценить, насколько интенсивно ее планеты теряют атмосферу. Правда, тут необходимо знать еще один важный параметр — напряженность планетного магнитного поля (а о нем мы пока ничего не знаем). В некоторых работах этот параметр принимается равным земному, в некоторых — немного меньше. Так или иначе, оценки плотности вещества звездного ветра на орбите Proxima b говорят о том, что она должна быть на 2-3 порядка больше, чем в окрестностях Земли, а его давление — примерно в 2 тыс. раз выше. При таких условиях, чтобы избежать больших потерь летучих веществ, небесное тело должно иметь в сотни раз более мощное магнитное поле, чем наша планета, и даже тогда потери будут очень высокими.
Вот так обстоят дела в наше время… а в прошлом они были еще хуже. Мы уже знаем, что раньше Солнце было более активным и Земля получала от него больше высокоэнергетического излучения. Но то же самое справедливо в отношении Проксимы Центавра и ее спутника (если основываться на современных эволюционных моделях звезд главной последовательности). Если бы Proxima b на ранних стадиях эволюции находилась в районе нынешней зоны обитаемости своего светила, она получала бы от него огромные количества энергии. Это общеизвестный факт для всех типов звезд. Причем планета была бы уже полностью сформированной в то время, когда центральная звезда еще продолжала сжиматься и разогреваться, то есть она провела бы некоторое время — возможно, несколько миллионов лет — внутри зоны обитаемости, где вся ее вода находилась бы в газообразном состоянии. В этих условиях потери летучих веществ оказались бы особенно велики. Как видите, историю планеты ближайшей звезды тоже нельзя назвать счастливой…
Если мы попытаемся оценить, как в прошлом менялся уровень высокоэнергетического излучения, которое получала Proxima b, то выяснится, что он, вероятнее всего, также был выше современного. Об этих аспектах эволюции красных карликов пока известно мало, но даже самые консервативные оценки говорят о превышении как минимум в 10 раз. Общее же количество жесткого ультрафиолета, полученного ближайшей экзопланетой за всю ее историю, оказывается в 8-25 раз большим, чем в случае Земли.


Подводя итоги, можно сказать, что космическое окружение Proxima b на ранних стадиях ее эволюции было намного более враждебным, чем у нашей планеты. Более того: из-за особенностей своей звезды она испытывала такие внешние воздействия, которые никогда не имели места в случае Земли. Например, она потеряла огромное количество летучих веществ (в первую очередь — воды), по суммарному объему эквивалентное от половины до двух объемов земных океанов. Однако, поскольку мы не знаем, сколько воды там было изначально, из этого нельзя сделать вывод, будто это тело в наши дни совершенно лишено влаги.
Расчеты, выполненные в рамках различных моделей с разными наборами начальных условий, показывают весьма значительные потери летучих веществ за время существования планеты — от 15 до 25 земных океанов. Однако после того, как она оказалась в пределах зоны обитаемости, ее эволюция, как ни странно, не становится более определенной (в ней по-прежнему задействовано слишком много трудноучитываемых факторов), и нельзя сказать, продолжалась ли потеря воды теми же темпами. Во всяком случае, в Солнечной системе есть примеры прогрессирующего «высыхания» уже в нашу эпоху. Когда молекулы воды покидают атмосферу под действием светового давления, часть из них расщепляется ультрафиолетовым излучением на кислород и водород. Последний преимущественно улетучивается, а первый — остается в газовой оболочке в виде так называемого «абиогенного кислорода», не связанного с деятельностью живых организмов, что существенно усложняет поиски возможной жизни на ближайшей экзопланете.
В публикации профессора Университета Вашингтона Рори Барнса (Rory Barnes, University of Washington, Seattle) исследованы пути эволюции Proxima b, исходя из различных начальных параметров, разных количеств воды, водорода и т.д. На приведенных в ней диаграммах голубая часть соответствует пригодным для жизни условиям, определяемым, в частности, эффективностью «утечки» кислорода. Главный вывод исследователей — несмотря на то, что эта планета почти постоянно находилась под жестким воздействием извне, она, тем не менее, при определенных исходных данных и эволюционных сценариях вполне может быть обитаемой в наше время, то есть считаться перспективным кандидатом с точки зрения экзобиологии. Конечно, весьма вероятно, что все водоемы на ее поверхности давно уже исчезли, но нельзя исключать и того, что изначально воды там присутствовало очень много, а излучение звезды все-таки было не столь интенсивным, чтобы всю ее испарить.
Переходя к рассмотрению вопроса о возможных современных климатических условиях на Proxima b, еще раз повторю, что существует немало моделей, допускающих наличие на ее поверхности жидкой воды. Однако они сильно зависят от атмосферного давления и концентрации углекислого газа. Компьютерная симуляция для синхронного вращения дает «классическое» стабильное распределение приповерхностных температур с максимумом в точке, где центральная звезда постоянно видна в зените. Возможно даже, что вся планета будет покрыта льдом, исключая небольшой участок в окрестностях этой точки. В случае резонанса 3:2 мы имеем длинные сутки, но все равно температурные максимумы должны смещаться вдоль экватора, а самые холодные участки окажутся на полюсах, где можно ожидать наличия полярных шапок.
Вдобавок мы проанализировали биологические аспекты Proxima b, которые я тоже хочу представить. Первым такое исследование предложил Рей Ричи (Ray Ritchie), взявшийся изучать возможность фотосинтеза на ее поверхности. Наша совместная работа была отправлена для публикации в International Journal of Astrobiology. В ней говорится о том, что эта планета — весьма неблагоприятное место для водного аноксигенного фотосинтеза земного типа, в основном из-за того, что значительная часть излучения Проксимы Центавра приходится на ближний инфракрасный диапазон, сильно поглощаемый водой. Когда вы погружаетесь в глубины океана, количество энергии, необходимой для процессов фотосинтеза, падает очень быстро, а на спутниках красных карликов уже на глубине нескольких метров ее почти не остается (в земных водоемах такой уровень излучения присутствует на глубинах 30-70 м, в зависимости от прозрачности воды). Но это не исключает того, что Proxima b является пристанищем биосферы какого-то особого типа — например, анаэробных бактерий или микроорганизмов, использующих в своей жизнедеятельности уже упомянутый абиогенный кислород. Сам Рей Ричи назвал ее «довольно скучным и неприятным местом для жизни». Однако, возможно, если мы найдем способ увидеть эту планету непосредственно, нас будет ожидать сюрприз.
А шансов ее увидеть не так уж мало. Расчеты показывают, что контрастность отраженного ею света делает ее вполне доступной уже строящимся инструментам — таким, ка к Европейский экстремально большой телескоп E-ELT. Более того: ее можно попытаться зарегистрировать с помощью комбинации спектрометров SPHERE и ESPRESSO, уже работающих на Очень большом телескопе (VLT ESO), то есть, возможно, мы получим ее прямые изображения в совсем недалеком будущем. В любом случае, в нашем распоряжении появится информация о наклоне ее орбиты, изменении яркости в зависимости от фазового угла и другие важные сведения.
Из того, что мы уже обнаружили, следует упомянуть избыток инфракрасного излучения от системы Проксимы Центавра, свидетельствующий о наличии там значительных количеств теплой пыли. Возможно, там еще протекают процессы формирования планет, или же они завершились сравнительно недавно, и окрестности звезды еще не успели «очиститься» от пылевых частиц. Это было бы удивительным, поскольку, согласно современным оценкам, ее возраст составляет примерно 5 млрд лет.5 В одной из недавних публикаций, посвященных исследованиям этого объекта с помощью антенного массива ALMA на длине волны 1,3 мм, говорится о целых трех поясах пыли — одного теплого (на расстоянии 0,4 астрономической единицы от звезды) и двух холодных радиусом 1-4 а.е. и около 30 а е. (последнее значение соответствует среднему радиусу орбиты Нептуна). Кроме того, немного в стороне находится еще один слабый пылевой сгусток. Ученые предположили, что это может быть планета-гигант с масштабной кольцевой системой. В общем, ближайшая звезда — очень интересное место в Галактике, богатое необычными космическими феноменами.
В конце я хотел бы сказать, что мы очень рады сотрудничать с проектом Pale Red Dot. и надеемся, что Proxima b будет далеко не последним его открытием (хотя, похоже, навсегда останется самым близким к Солнечной системе). Также хотелось бы поблагодарить другие научные организации, занимающиеся поисками и исследованиями небольших планет в зонах обитаемости близких звезд, и пожелать им дальнейших успехов.
Опубликовано 29 мая 2020 | Комментариев 0 | Прочтений 322

Ещё по теме...
Добавить комментарий
Периодические издания






Информационная рассылка:

Рассылка X-Files: Загадки, Тайны, Открытия



Электронный журнал:

THE X-FILES...
Все тайны эпохи человечества