Прошло более двух десятилетий с того момента, как мы узнали, что Вселенная полна новых миров. С 1992 года было открыто более 3500 экзопланет, вращающихся вокруг других звезд.
Характеристики обнаруженных систем впечатляют. Выяснилось, что существует по крайней мере одна планета вокруг любой звезды, которая, как и Солнце, живет за счет энергии термоядерного синтеза. Шестьдесят процентов таких звезд имеют на своей орбите «суперземли». Это скалистые миры, которые более массивны, чем Земля. Но при этом меньшие, чем Нептун. У каждой из шести таких звезд есть на орбите планета с размерами, близкими к размерам Земли.
А жизнь там есть?
Множество обнаруженных скалистых планет оживляет интересный вопрос: есть ли жизнь во Вселенной? Даже в нашей Солнечной системе существует множество мест, где организмы могут потенциально выживать. Например, в океанах с жидкой водой под замерзшей поверхностью спутника Юпитера – Европы. Или спутника Сатурна – Энцелада. Четыре миллиарда лет назад жизнь, возможно, процветала на более теплом в те времена Марсе.
В течение десятилетия или двух мы гипотетически можем найти следы внеземной жизни в нашей Солнечной системе. Миссии Mars 2020 и ExoMars 2020 будут направлены на исследование поверхности Марса в соответствующем году. NASA запускает свой Europa Clipper для изучения спутников Юпитера. А европейское космическое агентство миссию Icy Moons Explorer (JUICE). Они посетят спутники Юпитера в 2030-х годах. Космический телескоп имени «Джеймса Уэбба» будет изучать атмосферы отдаленных экзопланет в глубоком космосе.
Ученым необходимо объединить знания из многих дисциплин. Чтобы выяснить, какие ингредиенты, механизмы и пути создают и поддерживают жизнь. Молекулярные биологи должны объяснить, как может функционировать прото-жизнь. Эволюционные биологи и экологи должны исследовать взаимодействие жизни с чужой средой. Геофизики, геохимики и планетологи должны описывать, как планеты развиваются на протяжении миллиардов лет. А астрономы должны обнаружить существующие отдаленные биосферы. Чтобы астробиологи смогли связать все эти данные вместе.
Экзопланетная наука
Исследование экзопланет должно стать центральным элементом в решении этой задачи. Хотя экзопланеты и привлекают внимание общественности, некоторые астрономы считают эту область не стоящей их внимания. Они предпочитают тратить получаемое финансирование на другие проекты. В ущерб экзопланетной науке. И поскольку астрономы не заинтересованы в таких исследованиях, страдает научное качество.
Экзопланетная наука требует больших и дорогих команд. А так же телескопов, спутников и вычислительных средств. Но смежные дисциплины, такие как планетарная наука и наука о Земле, имеют свои собственные цели. И выглядят они более прагматично. Поэтому и получают большее внимание и финансирование.
Конкуренция за финансовые и интеллектуальные ресурсы является очень жесткой среди всех этих областей. Например, астрономы могут выступать за создание космических обсерваторий для сбора более полных статистических данных об экзопланетах. Однако, планетологи могут поспорить с ними о необходимости подробных исследований нескольких планет. Оба подхода в конечном счете совместимы, но такая ситуация разрушает ясность целей. И может заставить финансистов нервничать.
Возможности для ученых учиться друг у друга ухудшаются на фоне этих противоречий. Например, большинство исследований в Солнечной системе едва ли влияют на экзопланетные исследования. И наоборот. Тем не менее данные об экзопланетах могут быть откалиброваны при использовании знаний о Солнечной системе.
Взаимодействие, а не изоляция
Необходим радикальный сдвиг. Сейчас, когда ответы на вопрос о распространенности жизни находятся в пределах досягаемости, финансирующие исследования агентства и ученые должны активизироваться.
Исследование экзопланет нуждается в системно-научном подходе, ориентированном на взаимодействие между науками о галактических средах, образовании планет, орбитальной динамики, гелиофизики, атмосферы, гидросферы, криосферы, геосферы, биосферы и магнитосферы – а не их изолированными компонентами. Это расширит науку о системах Земли, и позволит охватить другие типы планет и экосистем.
Есть три ключевых вопроса, которые иллюстрируют, как наука о системах экзопланет может объединять различные дисциплины.
Что означает разнообразие в свойствах планет?
Например, почему атмосфера и климат Венеры, Земли, Марса и Титана настолько разные? Чтобы это выяснить, мы должны преодолеть барьеры между знаниями о Солнечной системе, экзопланетах и астрофизической наукой. Данные наблюдений должны быть привязаны к моделям, имитирующим эволюцию атмосферы и динамику поверхностей планет за миллиарды лет. Инструменты обработки наукоемких данных должны быть адаптированы для решения все более крупных и сложных массивов информации.
Солнечная система должна служить калибровочной точкой. И ее статистическая значимость постоянно растет. Например, структуры в атмосфере Юпитера и его магнитном поле, обнаруженные космическим аппаратом НАСА «Юнона», меняют взгляды на ядро планеты. И на то, как формируются газовые гиганты. Исследования вихрей и отражающих частиц в атмосфере Нептуна показали, как химические процессы влияют на спектры ледяных гигантов. И миссия «Новые горизонты» на карликовую планету Плутон, и миссия «Рассвет» на малые планеты Веста и Церера помогли понять, как распределены конденсированные летучие соединения в Солнечной системе.
Нужно больше исследований
Данные об экзопланетах бросают вызов существующим теориям. И дают нам понимание Солнечной системы в более широком контексте. Например теперь мы знаем, что планеты могут образовываться вокруг двойных звезд. Газовые гиганты имеют более широкий спектр химических составов, чем это считалось ранее. Планетарные орбиты могут быть сильно вытянутыми или наклонными. Астрономические инструменты, такие как комплекс ALMA в Чили раскрывают детали агломерации пыли и твердых тел в зарождающихся планетных системах, отличных от нашей.
Также нам необходимы более глубокие исследования в астрономии. Главный вопрос – как звезды влияют на планеты возле них. Звезды вращаются и колеблются в зависимости от их возраста, внутренней структуры и активности. Молодые звезды с низкой массой могут излучать интенсивные рентгеновские лучи. Или высокоэнергетические заряженные частицы. Они могут разрушить атмосферы планет и изменить их состав, влияя на температуру их поверхности и способность удерживать воду. Магнитосфера планеты может смягчить эти процессы. Но и это нужно лучше изучать.
Химические элементы в звездах влияют на формирование планет. Но пока неясно, как это происходит. Элементы могут накапливаться в разных областях дисков, из которых возникают молодые звезды. На наращивание количества материала могут влиять скорости, с которыми звезды и диски вращаются. Свойства звезд и их рождение необходимо исследовать более подробно. Это позволит определить, как формировались планеты от момента Большого Взрыва до сегодняшнего дня.
Как обнаружить миры, способные поддерживать жизнь?
Изучение экзопланет открывает более широкий диапазон планетарных характеристик, чем те, что мы можем наблюдать в Солнечной системе. Это масса, состав планеты и ее орбитальная конфигурация. Глубокие знания экологической истории Земли, ее климата и химического состояния важны для калибровки моделей, исследующих вероятность формирования жизни в других мирах. Возможно при иных условиях. Более широкий подход к изучению планет также помог бы решить загадки развития Земли. От головоломок древней атмосферной оксигенации и химических и климатических изменений, до влияния человеческой деятельности.
Геологи и астрономы должны разработать более качественные критерии классификации планет. В том числе тех, которые способны поддерживать жизнь. Такие концепции, как «пригодная для жизни зона» вокруг звезд, могут определить направление нашего первоначального поиска, упрощая определение скалистых планет, которые могут иметь жидкую воду на поверхности. Одной из проблем также является моделирование и измерение фактических поверхностных условий и эволюционных процессов в этих местах.
Наличие умеренных для жизни планет зависит от многих факторов. В том числе от состава и фотохимии атмосферы, от наклона и скорости вращения планеты и топографии ее поверхности. Системный подход был бы намного более эффективным для формального определения наиболее важных факторов, чем существующие сейчас методы.
Существующие усилия, которые прикладываются климатологам вместе с астрономами для создания обобщенных климатических моделей каменистых экзопланет, могут стать ядром для развития этого системного подхода. Эти модели, в свою очередь, помогут проверить чувствительность Земли к атмосферным условиям и экстремальным воздействиям климата.
Основные геологические исследования необходимы для понимания состава ядер планет, процесса выветривания и переноса материала на их поверхности, свойств их магнитных полей и вероятности наличия воды. Экзопланетная наука стимулирует прогресс в глубоководном зондировании, экспериментировании и моделировании.
Как изучить взаимодействие жизни с окружающей средой?
Возможное поведение жизни на планетах вокруг других звезд с разными орбитами, возрастом и историей является центральным для понимания экологических систем Земли, происхождения и ранней эволюции жизни на нашей планете. Нам необходимо изучать земные организмы, которые живут в экстремальных условиях. Например, вокруг глубоководных гидротермальных отверстий или горячих источников. Астрономы и ученые, моделирующие планеты, должны понимать варианты возможных следов существования жизни для планетарной химии и ее взаимодействия с абиотическими процессами, если они найдут их.
Работа над метаболическими путями и абиотической фотохимии и геохимии меняет взгляды на химические биомаркеры и глобальные химические равновесия.
Нам нужно понимать, какая часть планеты способна поддерживать жизнь. А также то, какие химические и климатические свойства могут наблюдаться астрономически. И смогут помочь нам выявить биосферу. Экологические модели климата Земли должны быть рассмотрены в контексте экзопланет. Где радиация, вращение, планетарная ориентация и океанские течения сильно различаются.
Фундаментальные вопросы о функциональности и адаптации клеток можно решать теоретически и экспериментально. Для этих целей можно использовать виртуальную и лабораторную среду. Экологи, планетологи и геофизики должны также исследовать природу геосфер для планет разного возраста. А также примитивные атмосферы, где молекулярные газы, такие как водород, могут присутствовать в изобилии.
Неопределенности в отношении химических и тепловых условий молодых планет должны быть уменьшены. Откуда берутся первые биомолекулы и какая химия вовлечена в происхождение жизни? Данные из экзопланетных систем, а также лабораторной астрохимии и моделей планет могут помочь химикам и биологам в работе по оценке изучения этих процессов.