Астрономы обнаружили редкую каменистую планету земной массы, пригодную для поиска жизни

Группа астрономов из Института астрономии Макса Планка (MPIA) под руководством Дайаны Коссаковски обнаружила экзопланету с массой Земли, вращающуюся в обитаемой зоне красного карлика Wolf 1069.  Хотя вращение этой планеты, названной Wolf 1069 b, вероятно, приливно привязано к ее траектории вокруг родительской звезды, ученые оптимистично настроены, что она может обеспечить длительные условия для жизни на обширной территории ее дневной стороны. Отсутствие какой-либо видимой звездной активности или интенсивного ультрафиолетового излучения увеличивает шансы на то, что Wolf 1069 b могла сохранить большую часть своей атмосферы. Таким образом, планета является одной из немногих перспективных целей для поиска маркеров обитаемости и биосигналов.

Одна из самых захватывающих целей исследования экзопланет — найти обитаемый мир, похожий на Землю. Однако из более чем 5000 экзопланет, обнаруженных астрономами на сегодняшний день, только около 1,5% имеют массу ниже двух масс Земли. Около дюжины из них населяют так называемую околозвездную обитаемую зону (зона Златовласки), диапазон в планетарной системе, где вода может поддерживать жидкую форму на поверхности планеты. Наблюдения, способные найти планеты с такой малой массой, все еще очень сложны.

Один из способов улучшить шансы найти такие планеты — исследовать звезды с малой массой на наличие сигнатур вращающихся вокруг них планет. Именно это Диана Косаковски и ее коллеги сделали в рамках программы CARMENES.

«Когда мы проанализировали данные о звезде Вольф 1069, мы обнаружили четкий низкоамплитудный сигнал того, что кажется планетой с массой примерно одной земной. Она вращается вокруг звезды за 15,6 дня на расстоянии, эквивалентном одной пятнадцатой части расстояния между Землей и Солнцем», — говорит Дайана Коссаковски из MPIA.

Несмотря на близкое расстояние, Wolf 1069 b получает только около 65% излучения от того, что Земля получает от Солнца. По сравнению с солнечными свойствами, звезда Вольф 1069 излучает гораздо меньше, а ее поверхность холоднее, из-за чего звезда кажется оранжевой. Эти свойства приводят к снижению мощности нагрева.

В результате так называемая обитаемая зона смещается внутрь, отмечают ученые. Следовательно, планеты вокруг красных карликов, таких как Wolf 1069, могут быть пригодны для жизни, даже если они находятся намного ближе к звезде, чем Земля к Солнцу.

Что значит обитаемая?

Конечно, для создания пригодной для жизни планеты ей нужно нечто большее, чем жидкая вода. Как и на Земле, атмосфера, вызывающая естественный парниковый эффект, может помочь поднять среднюю температуру выше 250 Кельвинов (-23 °C), рассчитанных для Wolf 1069 b.

Это значение предполагает простую голую каменистую планету. На самом деле, астрономы подсчитали, что если бы у планеты была атмосфера, похожая на земную, средняя температура могла бы подняться до 286 Кельвинов (+ 13 °C), удерживая воду в жидком состоянии на большой территории на стороне планеты, обращенной к звезде.

Основываясь на компьютерном моделировании с использованием сложных климатических моделей, команда пришла к выводу, что планета может поддерживать умеренные температуры и поверхностную жидкую воду для широкого диапазона атмосферных условий и типов поверхности.

Кроме того, такая атмосфера защитит от высокоэнергетического электромагнитного излучения и частиц, исходящих либо из межзвездного пространства, либо из центральной звезды. В частности, красные карлики печально известны своей активностью, приводящей к мощным звездным ветрам и интенсивному ультрафиолетовому излучению. Подобно тому, что Солнце сделало с Марсом, они могут лишить планету атмосферы, что делает их поверхности стерильными.

В отличие от, например, Проксимы Центавра с ее двумя подтвержденными планетами, Вольф 1069 кажется более подходящей для жизни. Наблюдения не указывают на какую-либо вредную звездную активность. Тем не менее, вероятно, пока рано быть слишком оптимистичным.

В молодости красный карлик имеет тенденцию проходить через фазу высокой активности с ужасными последствиями для любой планеты в его окрестностях. Однако, если Wolf 1069 b сформировала и поддерживала атмосферу на раннем этапе, она должна была сохранить ее до сегодняшнего дня. Возможно даже, что планета может иметь магнитное поле, похожее на земное, но более слабое, которое защищает ее от заряженных частиц звездного ветра.

Одинокая планета

Хотя эта идея немного умозрительна, ход рассуждений здравый. «Наше компьютерное моделирование показывает, что около 5% всех развивающихся планетных систем вокруг звезд с малой массой, таких как Wolf 1069, заканчиваются единственной обнаруживаемой планетой», — объясняет ученый MPIA Ремо Берн, член группы исследования.

«Моделирование также показывает стадию жестких столкновений с планетарными эмбрионами во время формирования планетной системы, что время от времени приводило к катастрофическим столкновениям», — добавляет он. Эти события растопили бы любой молодой, развивающийся мир. Ядро планеты сегодня должно быть горячим и жидким, обеспечивая динамо, создающее глобальное магнитное поле, подобное земному.

Wolf 1069 b — одна из тех редких одиноких планет. Основываясь на своих измерениях, астрономы исключают дополнительные планеты с массой не менее одной массы Земли и периодом обращения менее десяти дней. Это меньше, чем 15,6 дней, которые они определили для Wolf 1069 b. Однако они не могут исключить наличие планет на более широких орбитах.

Вечный день и вечная ночь

В то время как Wolf 1069 b является многообещающим кандидатом для дальнейшего ограничения своих условий в отношении обитаемости, есть одно особое свойство, которое она разделяет практически со всеми планетами в обитаемых зонах красных карликов.

Вращение планеты, вероятно, привязано к ее орбите вокруг звезды-хозяина. Другими словами, один оборот вокруг своей оси занимает столько же времени, сколько один полный оборот. Поскольку к звезде всегда обращена одна и та же сторона, она переживает вечный день, в то время как в противоположном полушарии всегда ночь.

Одно и то же явление позволяет нам всегда видеть одну и ту же сторону Луны. Приливные силы слегка деформируют планету от ее симметричной формы к эллипсоиду. Это заставляет гравитацию звезды по-разному действовать на поверхности планеты, что приводит к эффекту торможения.

Таким образом, со временем период вращения постепенно приближается к орбитальному периоду. Эффективность приливной блокировки зависит от расстояния до звезды и ее массы. Для красных карликов этот диапазон в целом совпадает с расположением обитаемой зоны.

В результате потенциально обитаемые условия возникают только в ограниченном пространстве на дневной стороне планеты.

Поиск планет с массой Земли — тяжелая работа

Технический прогресс с момента первого обнаружения экзопланеты почти 30 лет назад захватывает дух. Тем не менее, сигнатуры, которые астрономы ищут для обнаружения планет с массами и диаметрами, подобными Земле, крошечные, и их все еще трудно извлечь из измерений.

Программа CARMENES использует метод лучевой скорости (RV) для поиска экзопланет вокруг маломассивных звезд. Этот метод измеряет незначительные периодические вариации звездных спектров, что намекает на гравитационное притяжение компаньона к родительской звезде. Таким образом, звезда движется по траектории, отражающей орбиту планеты, хотя и на гораздо меньшем расстоянии от их общего центра масс. Этот эффект становится более выраженным при более низком соотношении масс между звездой и планетой, как в случае наблюдения маломассивных красных карликов.

За один оборот звезда приближается к нам с одной стороны и удаляется с другой. Астрономы делают вывод о крошечном изменении скорости, измеряя периодическое смещение звездных спектральных линий.

Исходя из этого, они рассчитывают массу планеты или, по крайней мере, нижний предел, потому что неизвестный наклон плоскости орбиты изменяет измеренную скорость, которая обычно несколько меньше реальной орбитальной скорости планеты.

Как и в случае с Wolf 1069 b, эти сигналы настолько малы, что требуют сложных и изощренных аналитических процедур, чтобы отличить их от артефактов в спектрах. Они проистекают из многих влияний. Например, перед тем, как звездный свет попадает в телескоп, он проходит через атмосферу Земли, которая накладывает свой собственный сильный земной спектр на спектр, излучаемый звездой. Распутывание этих вкладов является сложной задачей и может повлиять на результаты, если не сделать все правильно.

Редкий кандидат на обитаемость

Находясь на расстоянии 31 светового года, Wolf 1069 b является шестой ближайшей планетой с массой Земли в обитаемой зоне своей родительской звезды.

Из-за благоприятных перспектив в отношении обитаемости, планета входит в небольшую группу целей, таких как Проксима Центавра b (Proxima Centauri b) и TRAPPIST-1 e, для поиска биосигнатур. Увы, такие наблюдения в настоящее время находятся за пределами возможностей астрономических исследований.

«Нам, вероятно, придется ждать этого еще десять лет», — отмечает Дайана Коссаковски. Но например, чрезвычайно большой телескоп (ELT), строящийся в Чили, может охарактеризовать состояние этих планет. А пока ученые с нетерпением ждут возможности найти больше интересных кандидатов, таких как Wolf 1069 b.

Исследование было опубликовано в журнале Astronomy & Astrophysics.