Чтение онлайн

Решение 54: Планетные системы редки

Придет время, когда люди устремят свои взоры.

Они увидят планеты, подобные нашей Земле. Кристофер Рен, Вступительная лекция, Грешем-колледж

Аргументы, приведенные до сих пор в этой главе, были довольно абстрактными. Можно придумать более ощутимые причины, по которым ВЦ могут не существовать. Например, возможно, им негде развиваться.

Распространенным предположением является то, что сложная жизнь требует планеты — предпочтительно землеподобной — для зарождения и эволюции. Даже если технологически продвинутые виды в конечном итоге откажутся от жизни на планетах, эволюционные предки этих видов, предположительно, должны были начинать как обитатели планет. (Некоторые авторы научной фантастики исследовали возможность зарождения жизни в более экзотических местах,[303] включая поверхность нейтронной звезды и кольцо газа вокруг нейтронной звезды. Хотя эти вымышленные описания часто удивительно правдоподобны, гораздо проще представить такие возможности, чем убедительно и подробно продемонстрировать, как сложная жизнь могла зародиться и развиваться где-либо, кроме планеты.) Когда Саган пришел к своей цифре в 1 миллион ВЦ в Галактике, он предположил, что на каждую звезду может приходиться до 10 планет. Но, возможно, планетные системы редки, и член fp в уравнении Дрейка мал? Если бы fp был достаточно мал, это само по себе могло бы объяснить парадокс Ферми.

Ещё совсем недавно это предположение было если не вероятным, то, по крайней мере, мыслимым. Сейчас я представляю его исключительно как исторический курьез. Феноменальные успехи, достигнутые наблюдательной астрономией за последние два десятилетия, означают, что мы точно знаем, что планетные системы не редки: на момент написания статьи подтверждено 1779 экзопланет, но к тому времени, как вы это прочитаете, их будет гораздо больше. Вероятно, что у большинства звезд есть планеты, вращающиеся вокруг них.

Итак, если планетные системы распространены, почему некоторые астрономы до относительно недавнего времени утверждали, что нехватка планет может объяснить парадокс Ферми? Ну, даже когда я был студентом — а я не так уж и стар — учебники по астрономии все еще могли представлять два конкурирующих сценария формирования планет.[304] В первом планетная система, подобная нашей, представлялась как формирующаяся в результате катастрофического события. Во втором считалось, что планетные системы конденсируются из туманностей.

Небулярная гипотеза кажется более «естественным» объяснением, чем гипотеза катастрофы, но, похоже, она обладает фатальным недостатком. Если бы Солнце, например, сформировалось из коллапса вращающегося облака пыли и газа, то расчеты показывают, что оно должно было бы сейчас вращаться чрезвычайно быстро: Солнце должно было бы содержать большую часть углового момента Солнечной системы. Однако Солнце вращается довольно медленно — его экваториальные области вращаются один раз примерно за 24 дня, в то время как его полярные области вращаются один раз примерно за 30 дней. Большая часть углового момента Солнечной системы сосредоточена в планетах. Это наблюдение привело многих астрономов к предпочтению моделей формирования планет, основанных на катастрофических событиях. Самая популярная модель предполагала, что звезда почти столкнулась с Солнцем; приливные эффекты вытянули газовый филамент из Солнца, и филамент позже распался и сконденсировался, чтобы сформировать планеты.[305]

Если бы планеты действительно формировались в результате столкновений звезд, то перспективы обнаружения ВЦ были бы мрачными. Плотность звезд в космосе довольно низкая, поэтому столкновения были бы нечастыми; одна ранняя оценка определяла количество планетных систем, сформированных таким образом, всего в десять на галактику! В лекции 1923 года знаменитый математик Джеймс Джинс сказал: «Астрономия не знает, важна ли жизнь в общей схеме вещей, но она начинает шептать, что жизнь должна быть несколько редкой». Джинс явно думал, что знает решение парадокса, а парадокс еще не был сформулирован.

Рис. 5.2 В 2014 году астрономы, используя Атакамскую Большую Миллиметровую/субмиллиметровую Решетку (ALMA) — один из самых впечатляющих телескопов на планете — обнаружили этот пылевой протопланетный диск вокруг молодой звезды под названием HD142527. Звезда находится примерно в 457 световых годах от Земли. Высокая плотность пыли (показана красным) в северной части диска предполагает, что там прямо сейчас формируются планеты. Возможно, через пару миллиардов лет планеты, которые формируются сейчас, станут домом для жизни. (Фото: ALMA/ESO/NAOJ/NRAO/Fukagawa et al.)

Однако небулярная гипотеза никуда не делась. Теории формирования планет, основанные на столкновениях, также имели проблемы. Теория столкновений не смогла объяснить многие наблюдаемые свойства нашей Солнечной системы. Более того, основная трудность небулярной гипотезы — а именно, объяснение того, как основная часть углового момента Солнечной системы находится в планетах — в конечном итоге была решена. Оказывается, молодое Солнце действительно вращалось с высокой скоростью, но вращение генерировало сильное магнитное поле. Магнитные силовые линии выходили в солнечную туманность, как спицы из ступицы, и увлекали газ за собой. Этот эффект «магнитного торможения» замедлил Солнце и передал угловой момент газовому диску. Астрономы наблюдают прямые доказательства этого: молодые звезды вращаются до 100 раз быстрее Солнца, тогда как старые звезды вращаются более медленно. Теперь мы можем быть уверены, что планеты в нашей Солнечной системе сформировались, когда маленькие планетезимали сконденсировались из дискообразного облака пыли и газа; в мягких столкновениях эти планетезимали слипались и постепенно формировали планеты, которые мы видим сегодня. Тот же процесс происходил и происходит вокруг других звезд. Планеты распространены, как и полагал Саган.

Астрономы получили изображения протопланетных дисков (см., например, Рисунок 5.2). Они даже получили изображения планет вокруг далеких звезд (см., например, Рисунок 5.3), что является ошеломляющим техническим достижением: планеты светят только отраженным светом своей звезды, поэтому получение изображения экзопланеты похоже на попытку наблюдать свет светлячка рядом с бомбой. Открытие экзопланет в больших масштабах, однако, было достигнуто не путем прямого получения изображений, а путем наблюдения за эффектами, которые планеты оказывают на свою родительскую звезду. Например, гравитационное притяжение большой планеты к звезде заставляет траекторию звезды «колебаться» по мере завершения планетой своей орбиты; если орбитальная плоскость находится ребром к нашей линии зрения, то астрономы могут обнаружить регулярное движение звезды вперед-назад через доплеровское смещение ее спектральных линий. И если планета проходит перед звездой — другими словами, если она движется перед диском звезды, как видно с Земли, — то происходит крошечное, но тем не менее измеримое падение яркости. Эти методы обнаружения экзопланет[306] были чрезвычайно успешными; миссия NASA Kepler, в частности, была особенно плодотворной.

Рис. 5.3 Астрономы могут напрямую получать изображения некоторых экзопланет. В 2014 году Gemini Planet Imager увидел первый свет: это инфракрасное изображение Беты Живописца b. Излучение от центральной звезды, Беты Живописца, заблокировано маской, чтобы оно не заглушало отраженный свет от планеты. Бета Живописца b находится примерно в 63,4 световых годах от Земли, несколько больше Юпитера и сформировалась совсем недавно: ей около 10 миллионов лет. (Фото: Обработка Кристиана Маруа, NRC Canada)

Таким образом, очевидно, что нельзя объяснить парадокс Ферми, утверждая, что планетные системы редки. Несколько десятилетий назад этот аргумент был правдоподобным; достижения в астрономии показали, что он ошибочен. Теперь ясно, что в Галактике сотни миллиардов планет. Существует множество потенциальных домов для жизни.

Решение 55: Каменистые планеты редки

Вот металл более привлекательный. Уильям Шекспир, Гамлет, Акт III, Сцена 2

Благодаря космической миссии «Кеплер» и различным наземным инициативам по поиску экзопланет, мы теперь знаем, что планетные системы распространены. Большинство подтвержденных экзопланет намного больше нашей планеты, причем около трех четвертей из них имеют радиус как минимум вдвое больше земного, но это вряд ли удивительно, поскольку два наиболее распространенных метода обнаружения экзопланет — метод радиальной скорости (или «колебаний») и метод транзита (или «падения яркости») — более чувствительны к присутствию большой планеты, такой как Юпитер, чем маленькой планеты, такой как Земля. Однако маленькие представители любого класса физических объектов, как правило, превосходят по численности крупных представителей класса, поэтому кажется несомненным, что существует много планет размером с Землю — просто мы не так хорошо умеем их обнаруживать. Тем не менее, даже если Галактика содержит множество планет размером с Землю, обязательно ли эти планеты будут земного типа? Это важный вопрос, потому что для развития технологий, позволяющих совершать межзвездные путешествия или, по крайней мере, межзвездную связь, цивилизации, предположительно, требуется доступ к пригодным для разработки месторождениям металлической руды. (Некоторые авторы научной фантастики критически рассмотрели это предположение и создали заставляющие задуматься истории, действие которых происходит на планетах, лишенных руд, к которым мы имеем доступ, но трудно представить, как ВЦ могла бы изготовить радиотелескоп из камня, воды и органического материала.) Может ли быть так, что Земля особенная, потому что ее породы содержат много металла?