В новом выпуске программы Event Horizon известный популяризатор науки Джон Майкл Годье побеседовал с выдающимся астрофизиком, директором Института Карла Сагана при Корнеллском университете Лизой Кальтенеггер. В центре дискуссии оказалась её новая книга «Alien Earths: The New Science of Planet Hunting in the Cosmos», посвящённая революционным методам поиска обитаемых миров и поразительному разнообразию экзопланет. Учёные обсудили, как менялись биосигнатуры Земли на протяжении миллиардов лет и почему планету эпохи динозавров было бы гораздо легче заметить из глубокого космоса, чем наш современный мир.
🌌 Наследие Карла Сагана и рассвет эры экзопланет 0:19
Лиза Кальтенеггер руководит Институтом Карла Сагана и занимает его бывший рабочий кабинет в Корнеллском университете. По её словам, вид из окна остался точно таким же, каким его видел сам Саган, разве что деревья стали выше, а мода изменилась. Этот кабинет служит для неё своеобразным мостом сквозь время, помогая сделать паузу в насыщенные дни, чтобы сопоставить факты из разных научных областей.
Когда Кальтенеггер только начинала обучение в 1995 году, астрономы открыли самую первую планету у солнцеподобной звезды. Это открытие перевернуло её мировоззрение: стало очевидно, что раз технологии позволили найти один мир, значит, во Вселенной скрывается бесчисленное множество других. На втором курсе бакалавриата она отправилась на одну из первых конференций по внесолнечным планетам, проходившую на острове вблизи Италии. Из-за скромного студенческого бюджета ей пришлось лететь экономным туристическим рейсом вместе с любителями хайкинга и добираться до места на обычном рейсовом автобусе. На мероприятии собралось всего 50–60 профессоров, студентов и постдоков. Именно там исследовательница осознала, что даже студент из маленького городка в небольшой стране может внести вклад в масштабные проекты NASA и ESA по поиску жизни во Вселенной. В те годы область была настолько новой, что готовых ответов не существовало ни у кого, и все участники только учились формулировать правильные вопросы.
🪐 Вопреки ожиданиям: разнообразие новых миров и «горячие Юпитеры» 5:16
Как отмечает Лиза Кальтенеггер, изначально астрономы строили прогнозы, опираясь исключительно на Солнечную систему. Общепринятая модель предполагала, что вблизи звезды из-за высокой температуры газы и лёд испаряются, оставляя лишь камни, которые сталкиваются и формируют каменистые планеты. На дальних же рубежах, где достаточно холодно, газы сохраняются, образуя планеты-гиганты вроде Юпитера, Сатурна, Урана и Нептуна.
Первым огромным сюрпризом стало обнаружение планеты 51 Пегаса b (51 Pegasi b), которая по массе напоминала Юпитер, но двигалась по невероятно тесной орбите. Год на этой планете длится всего 4,5 дня. Гостья иронизирует, что если бы кто-то хотел праздновать день рождения каждую неделю, он мог бы вести отсчёт по календарю 51 Пегаса b. Это открытие доказало, что газовые гиганты способны мигрировать внутрь своих систем.
В Солнечной системе существует чёткий разрыв: самое маленькое каменистое тело — Меркурий, самое большое — Земля, а среди газовых шаров наименьшим является Нептун, а наибольшим — Юпитер. Однако большинство открытых экзопланет попадают как раз в этот пустующий у нас промежуток. Астрофизики называют их «суперземлями», если они состоят из камня и массивнее Земли, или «мини-нептунами», если это газовые планеты легче Нептуна. По мнению исследовательницы, именно такие неожиданные находки двигают науку вперёд, заставляя пересматривать правила формирования планетных систем.
🌋 Лаборатория лавовых миров и каменные дожди 9:36
Учёные обнаружили каменистые экзопланеты, совершающие полный оборот вокруг своих звёзд менее чем за 24 часа, например, за 18 часов. Из-за экстремальной близости к светилу их поверхность полностью выжжена и покрыта океанами расплавленной лавы. Чтобы понять, как такие объекты выглядят в телескопах, Институт Карла Сагана совместно с департаментом наук о Земле и планетах создал специализированную Лабораторию лавовых миров (Lava World Lab). В лаборатории физически смешивают различные типы горных пород, меняя содержание железа, нагревают их до экстремальных температур и измеряют спектральные характеристики их свечения.
Кальтенеггер объясняет, что лава с высоким содержанием железа обычно темнее и излучает тепло иначе, чем бедная железом порода, однако точные различия до этих экспериментов никто не фиксировал. На основе полученных данных ведётся моделирование атмосферы и геологии этих планет: испарившаяся с поверхности лавового океана порода на определённой высоте охлаждается, конденсируется и выпадает обратно в виде каменных дождей. Гостья шутит, что в «Путеводителе для автостопщиков по Галактике» об этом написали бы: «Это прекрасный лавовый мир, но берегитесь каменного дождя».
В изучении экзопланет неоценимую роль играют тела Солнечной системы:
- Венера наглядно демонстрирует, к чему приводит неконтролируемый парниковый эффект, вызванный избытком углекислого газа, при котором планета полностью теряет воду.
- Песчаные бури на Марсе показали учёным, что взвешенные в воздухе частицы способны глобально снижать температуру поверхности. На основе марсианских данных Карл Саган с коллегами рассчитал модель ядерной зимы, доказав, что последствия применения ядерного оружия станут глобальной катастрофой для всей Земли.
- Спутник Юпитера Ио предоставляет уникальные сведения об экстремальном вулканизме и химическом составе лавы.
Разогревая в лаборатории образцы, имитирующие состав Марса или Ио, исследователи могут в деталях представить облик раскалённых экзопланет.
🌙 Древняя Земля как экстремальный экзопланетный аналог 16:24
Лиза Кальтенеггер напоминает, что в своей ранней истории Земля тоже была лавовым миром, особенно после того, как в прото-Землю врезалось космическое тело размером с Марс — Тейя. Этот колоссальный удар выбросил на орбиту массу обломков, из которых сформировалась Луна. По мнению астрофизика, если бы путешественник во времени попал на молодую Землю, он бы её не узнал: на ней не было ни Альп, ни Гималаев, очертания континентов и даже созвездия на небе были совершенно иными.
По всей планете непрерывно циркулировали гигантские магматические волны. Луна на древнем небе выглядела как тёмный шар, испещрённый светящимися лавовыми трещинами, и казалась огромной, поскольку находилась гораздо ближе к Земле, а сама планета вращалась значительно быстрее.
Джон Майкл Годье делится шутливой гипотезой об инопланетном корабле, который мог пролетать мимо расплавленной Земли миллиарды лет назад, решить вернуться позже, но прибыть в момент, когда возросшая светимость Солнца снова превратила её в лаву, из-за чего пришельцы сочли бы планету мёртвой. Кальтенеггер возражает: цивилизация, способная к межзвёздным перелётам, наверняка понимает законы эволюции звёзд и смогла бы рассчитать идеальное время для визита, когда планета станет умеренной и пригодной для жизни.
☠️ Жизнь вокруг «звёздных трупов» и будущее Солнечной системы 20:00
Одними из самых странных объектов в космосе являются планеты, вращающиеся вокруг «звёздных трупов» — белых карликов. Когда массивная звезда исчерпывает топливо, она сбрасывает около 50% своей массы в виде планетарной туманности, оставляя обнажённое сверхгорячее ядро. Ранее считалось, что планеты не могут пережить такой взрыв и неминуемо погибнут из-за изменения гравитации или упадут на ядро. Однако космический телескоп NASA TESS, в состав научной команды которого входит Кальтенеггер, обнаружил сигнал возле белого карлика WD 1856. Участник миссии Эндрю Вандербург подтвердил, что это планета размером с Юпитер, успешно пережившая гибель звезды.
Гостья отмечает, что ранее она выдвигала чисто теоретическую концепцию обитаемости вокруг выгоревших звёзд, но открытие WD 1856 b перевело эту гипотезу в разряд практически возможных сценариев. Раз выжил газовый гигант, то выжить могла и каменистая планета; более того, учитывая поразительную стойкость жизни, возникает вопрос, способна ли биосфера пережить смерть своего солнца. Кальтенеггер предполагает, что в далёком будущем, когда большинство обычных звёзд погаснет, Вселенная всё ещё может быть наполнена жизнью вокруг белых карликов.
Самые первые экзопланеты были открыты в 1992 году вокруг пульсара, чьё излучение ещё более жёсткое и губительное. Те объекты были мелкими, и их происхождение до сих пор неясно. В случае с WD 1856 b основная рабочая гипотеза гласит, что планета изначально сформировалась на дальней орбите, а после взрыва мигрировала внутрь. Расчёты команды Кальтенеггер показывают, что остывающий белый карлик способен обеспечивать стабильные умеренные условия в течение 4–5 миллиардов лет.
Такая же судьба ждёт и наше Солнце. На стадии красного гиганта зона обитаемости сместится к орбитам Юпитера и Сатурна, что растопит ледяные панцири их спутников — Европы и Энцелада, превратив их в океанические миры. По мнению гостьи, если подлёдные океаны изначально были стерильны, появление открытой воды может запустить абиогенез — зарождение жизни, которая на Земле возникла практически сразу после стабилизации условий. Хотя эта жизнь будет обречена на вымирание, когда Солнце сожмётся до белого карлика, у неё останется шанс адаптироваться. В качестве примера экстремальной стойкости исследовательница приводит земных тихоходок, способных в состоянии криптобиоза обходиться без воды и переносить заморозку более 100 лет. Она также упоминает научно-фантастический роман Лю Цысиня «Задача трёх тел», который отлично иллюстрирует концепцию организмов, способных приостанавливать свои жизненные процессы в неблагоприятных условиях.
☀️ Жизнь под двумя солнцами: миры Татуина в реальности 31:42
Потенциально обитаемые планеты могут существовать и в кратных звёздных системах, таких как Проксима Центавра, где насчитывается три солнца. Около половины всех звёзд во Вселенной имеют компаньонов, и бинарные системы часто обладают стабильными планетными орбитами. Кальтенеггер лично рассчитала и опубликовала математические границы зон обитаемости для двойных звёзд, рассмотрев сценарии вращения планеты как вокруг одного из светил, так и вокруг обоих сразу.
На поверхности такого мира можно наблюдать двойные рассветы и закаты, а у любого объекта всегда будет две тени. Ведущий замечает, что на культовой планетке Татуин в «Звёздных войнах» у героев почему-то была видна лишь одна тень. Кальтенеггер шутливо парирует, что Джорджу Лукасу следовало проконсультироваться с ней перед съёмками.
🌈 Вёдра для света: технологии поиска биосигнатур 33:29
Успех поиска и характеризации экзопланет напрямую зависит от объёма собираемого света. Кальтенеггер проводит аналогию с сильным ливнем: маленькое ведро соберёт мало воды, а большое — много; точно так же огромные телескопы собирают больше фотонов, поставляя ценную информацию. Астрономы используют метод спектроскопии: они расщепляют белый свет в радугу и ищут «недостающую энергию» — линии поглощения.
Когда свет проходит сквозь атмосферу, фотоны сталкиваются с молекулами газов, заставляя их вибрировать и вращаться, на что тратится строго определённая энергия. Каждая молекула обладает уникальной структурой: например, у водяного пара ($H_2O$) она иная, чем у кислорода ($O_2$), поэтому они поглощают разные участки спектра. В земных лабораториях учёные заполняют прозрачные капсулы газами, просвечивают их и фиксируют линии поглощения, создавая эталонные базы данных. Если условия на экзопланете слишком экстремальны или газы ядовиты, физики применяют квантовую механику для математического расчёта этих спектральных линий. Эти маркеры поглощения, подобно штампам в паспорте, рассказывают исследователям, с какими именно химическими веществами столкнулся свет на пути к телескопу.
Космический телескоп «Джеймс Уэбб» (JWST) стал первым аппаратом, чьё зеркало способно улавливать свет от небольших каменистых планет в зонах обитаемости. Диаметр Земли в 100 раз меньше диаметра Солнца, сама планета не светится, а лишь слабо отражает свет, находясь рядом с ослепительной звездой. Выделение этого ничтожного сигнала требует колоссальных усилий и накопления данных в течение месяцев и лет наблюдений. Сейчас астрономы уже проектируют космический телескоп следующего поколения — Habitable Worlds Observatory (Обсерватория обитаемых миров). При её создании учёные опираются на историю Земли и разнообразие нашей биоты, чтобы не пропустить возможные признаки внеземной жизни.
🔴 Преимущество красных карликов и скрытый потенциал гигантов 39:05
Примерно 80% звёзд в нашей Галактике составляют небольшие и относительно холодные красные карлики, а не жёлтые карлики вроде нашего Солнца. По статистике, примерно у каждого пятого красного карлика есть каменистая планета в зоне обитаемости. Поскольку сами эти звёзды невелики, планета размером с Землю оставляет гораздо более заметный «отпечаток» в их световом потоке по сравнению с массивным солнцем. Современные технологии вынуждают учёных фокусироваться именно на таких «лёгких мишенях» из-за выгодного контраста.
Искать и характеризовать планеты земного типа у массивных и ярких звёзд методом радиальных скоростей сейчас практически невозможно: гравитационное покачивание гигантской звезды ничтожно, а её свечение полностью ослепляет приборы. Кальтенеггер сравнивает атмосферу планеты с яблочной кожурой: если уменьшить Землю до размеров яблока, её газовая оболочка окажется тоньше кожуры, что делает её поиск у ярких звёзд невероятно сложной технической задачей.
⏳ Земля сквозь призму времени: от красных материков до Юрского парка 42:49
В качестве перспективных техносигнатур Лиза Кальтенеггер предлагает рассматривать «невозможные планеты» — например, тела размером с Марс, которые в силу возраста должны были давно потерять атмосферу, но вопреки физике сохраняют плотную газовую оболочку, что может указывать на искусственное геоинженерное вмешательство. Если представить историю Земли в виде 24-часового циферблата, то вехи распределятся следующим образом:
- Около 5:00 утра (примерно 3,5 млрд лет назад) возникают первые твёрдые доказательства существования микробной жизни.
- В районе обеда (около 2 млрд лет назад) в атмосфере формируется устойчивая и необъяснимая геологическими процессами комбинация кислорода и метана — золотой стандарт биосигнатуры.
- Человечество появляется на этих часах менее чем за одну секунду до полуночи, а радиосигналы мы используем всего около 100 лет.
По мнению Кальтенеггер, пассивный поиск изменений, которые биосфера вносит в атмосферу планеты, имеет несоизмеримо более высокие шансы на успех, чем попытки перехватить намеренные радиопередачи.
Внешний облик Земли радикально менялся: после стадии лавового океана она остыла, водяной пар сконденсировался, превратив её в «голубую планету», из вод которой постепенно поднялись серые бесплодные гранитные материки. Когда 2 миллиарда лет назад началось насыщение атмосферы кислородом, поверхностные породы окислились, то есть буквально заржавели. Древняя Земля из космоса выглядела как молодой Марс — с ярко-красными континентами и насыщенно-синими океанами. Лишь после формирования озонового слоя, защитившего сушу от жесткого ультрафиолета, жизнь смогла выйти на сушу. Континенты окрасились сначала в тёмно-зелёные тона, а затем покрылись всем многообразием растительных оттенков. Любопытно, что на ранних этапах колонизации суши доминировали не растения, а гигантские грибы-прототакситы (prototaxites) высотой до 25 футов, чьё появление и накопление биомассы впервые в истории планеты сделало возможным возникновение лесных пожаров.
🦖 Эра динозавров: когда Землю было легче заметить из космоса 49:18
В недавней научной работе Лизы Кальтенеггер исследуется Юрский период. Астрофизик пришла к выводу, что в эпоху динозавров Земля была значительно более заметной в качестве обитаемой экзопланеты, чем сейчас. Колоссальные ящеры смогли развиться именно благодаря избытку кислорода, концентрация которого достигала 30–35% (против нынешних 21%), что обеспечивало организмы огромным количеством энергии. Этот избыток кислорода создавал мощный, яркий спектральный сигнал, который инопланетные астрономы зафиксировали бы без особого труда. Уровень метана при этом оставался близким к современному или чуть выше.
Исследовательница указывает, что 35% — это теоретический верхний предел для планеты: при большей концентрации кислорода любые пожары становились бы непрекращающимися, и их было бы физически невозможно потушить. Почему в итоге на Земле установился уровень в 21% — до сих пор частично остаётся геологической загадкой.
Падение уровня кислорода началось в конце Мелового периода, задолго до падения астероида, что привело к постепенному вымиранию многих родов динозавров. По мнению Кальтенеггер, этот спад объясняется тектоникой плит: распад суперконтинентов обнажает огромные массивы свежих горных пород, которые активно поглощают кислород в процессе окисления. Снижение уровня океана и запирание воды в ледниках также обнажают сушу, ускоряя этот процесс. Нахождение экзопланеты с 30%-м содержанием кислорода позволит уверенно утверждать, что перед нами аналог Мезозоя, способный поддерживать гигантские формы жизни.
🎨 Каталог цветов жизни и космическая эволюция 54:05
Кальтенеггер подчёркивает, что для поиска внеземной жизни учёным необходимо расширять воображение. Земные зелёные растения обладают характерным паттерном отражения света, известным как «вегетационный красный край» (vegetation red edge). Чтобы не пропустить биосферы с иным типом пигментации, Институт Карла Сагана разработал «Каталог цветов жизни» (Color Catalog of Life), куда занесены спектры различных цветных бактерий, водорослей и кораллов.
Если планета окажется «суперземлёй» с массой в два раза больше земной, высокая гравитация кардинально повлияет на эволюцию: местным организмам потребуются массивные прочные кости, а сами они будут приземистыми, расположенными ближе к грунту. При этом четыре конечности, скорее всего, останутся универсальным эволюционным решением для перемещения по пересечённой местности, а вот число глаз может быть любым, ведь даже на Земле два глаза не являются абсолютной нормой для всех существующих видов.
На докислородном этапе земная жизнь выделяла углекислый газ и метан, однако эти маркеры не уникальны, так как могут производиться обычными вулканами. Единственным неопровержимым доказательством служит именно одновременное обнаружение кислорода и восстанавливающего газа (метана). Обнаружить чисто микробный мир крайне сложно, если только на нём не произойдёт глобальное цветение красных водорослей, которое покроет всю планету огненно-красным ковром и изменит цвет отражённого света, улавливаемый нашими телескопами.
Планеты на вытянутых, эксцентрических орбитах могут демонстрировать глобальные сезонные изменения цвета биопигментов по мере приближения и удаления от звезды. Тем не менее, астрофизикам необходимо тщательно отсекать ложноположительные сигналы: например, замерзание океанов и превращение тёмной воды в яркий отражающий лёд способно точно имитировать сезонные циклы биосферы.
🚀 Манифест космического оптимизма 1:04:11
Главной мотивацией для написания книги «Alien Earths» стало осознание того, что человечество совершило монументальный шаг: впервые в истории у нас появились инструменты, способные заглянуть в атмосферы далеких миров. Кальтенеггер убеждена, что на фоне множества глобальных кризисов этот научно-технический триумф демонстрирует, каких невероятных высот могут достигать люди, когда объединяют усилия ради общей цели. Проект по поиску планет, скрытых в ослепительном сиянии своих звёзд, дарит надежду на то, что человечество способно справляться со сложнейшими вызовами.
Кальтенеггер призывает чаще смотреть на ночное небо: каждая пятая звезда потенциально скрывает мир, похожий на наш, и, возможно, прямо сейчас кто-то там тоже смотрит в космос и задаётся вопросом, одинок ли он во Вселенной.
