Поиск жизни на экзопланетах: как учёные определяют состав воздуха на далеких землях  

За последние тридцать лет астрономия совершила статистический прорыв: вопрос о существовании планет за пределами Солнечной системы был закрыт окончательно.

Фото: ИИ by Александр Рощин is licensed under Pravda.Ru

Планета в космосе

Атмосфера как критерий обитаемости экзопланеты

Сегодня в каталогах исследователей значится более 6000 подтвержденных миров. Мы знаем их радиусы, массы, периоды обращения и примерные температуры. Однако эти данные, при всей их важности, не дают ответа на главный вопрос: обитаемы ли эти миры.

Определение физических параметров планеты — это лишь первый этап. Чтобы узнать, существует ли на планете биологическая жизнь, необходимо изучить состав её газовой оболочки.

Дистанционный химический анализ атмосферы стал ключевым направлением современной астрофизики. Инженеры и ученые разрабатывают методы, позволяющие определять концентрацию газов на расстоянии в сотни световых лет, не отправляя туда космические аппараты.

Физика транзитной спектроскопии

Основной метод, который используют астрономы сегодня, называется транзитной спектроскопией. Он основан на наблюдении за планетой в тот момент, когда она проходит по диску своей звезды — совершает транзит.

В это короткое время планета блокирует часть звездного света. Однако небольшая доля излучения проходит сквозь тонкий слой атмосферы планеты, прежде чем достичь телескопов на Земле или на орбите. В этот момент происходит взаимодействие света с материей.

Молекулы газов, составляющие атмосферу, поглощают фотоны. Согласно законам квантовой механики, каждое химическое вещество поглощает свет только на строго определенных длинах волн.

Если разложить полученный свет в спектр (радугу), то на месте поглощенных волн появятся темные линии. Совокупность этих линий образует уникальную спектральную подпись вещества. Считывая этот паттерн, астрономы могут с высокой точностью сказать, какие элементы присутствуют в атмосфере далекого мира.

Проблема "невидимых" газов

На практике этот метод сталкивается с серьезными ограничениями. Интенсивность спектрального сигнала зависит не только от количества газа в атмосфере, но и от его способности взаимодействовать со светом. Некоторые молекулы обладают сильным поглощением и оставляют в спектре заметные следы, другие же остаются практически невидимыми для приборов.

Ярким примером служит атмосфера Земли. На 78% она состоит из двухатомного азота (N₂). Однако молекула азота обладает слабой спектральной активностью. Если бы инопланетный наблюдатель изучал Землю с большого расстояния, он мог бы вовсе не заметить азот в спектре. Вместо доминирующего газа он увидел бы сигнатуры кислорода (O₂), озона (O₃), углекислого газа (CO₂) и водяного пара (H₂O). Эти вещества составляют меньшую часть атмосферы, но взаимодействуют с излучением гораздо активнее.

Следовательно, астрономы чаще всего обнаруживают не те газы, которых на планете больше всего, а те, которые легче всего детектировать. Это создает риск составления неполной или искаженной картины химического состава экзопланет.

Сложности интерпретации: случай K2-18b

Современные инструменты, такие как космический телескоп "Джеймс Уэбб", уже способны фиксировать наличие простых молекул — метана, углекислого газа и воды. Однако переход от обнаружения газа к заявлению об обнаружении жизни требует исключительной осторожности.

Показательная научная дискуссия развернулась вокруг планеты K2-18b. Это субнептун — класс планет, промежуточный по размеру между Землей и Нептуном. Такие миры широко распространены в Галактике, хотя в Солнечной системе их аналогов нет. K2-18b, предположительно, покрыта глобальным океаном.

В 2025 году группа исследователей заявила об обнаружении в спектре этой планеты следов диметилсульфида (DMS). На Земле этот газ производится почти исключительно фитопланктоном в океанах. Под действием солнечного света он быстро распадается, поэтому его наличие в атмосфере требует постоянного источника пополнения. Обнаружение DMS стало бы весомым аргументом в пользу существования внеземной морской микробиологии.

Однако научное сообщество встретило это заявление со скепсисом. Группа ученых из Университета штата Аризона провела повторный анализ данных и продемонстрировала, как выбор математической модели влияет на результат. Спектральные данные, полученные телескопом, содержат определенный уровень шума.

Исследователи показали, что если использовать другие, не менее обоснованные модели атмосферы, сигнал диметилсульфида исчезает. Данные наблюдения можно полностью объяснить известными физическими и химическими процессами без привлечения гипотезы о жизни.

Этот случай подчеркивает, насколько высока цена ошибки интерпретации в современной астробиологии.

Инструменты следующего поколения

Текущие возможности телескопа "Джеймс Уэбб" позволяют изучать атмосферы крупных планет, но для анализа землеподобных миров требуются более специализированные инструменты. В ближайшие годы космические агентства планируют запуск ряда миссий, которые кардинально изменят качество получаемых данных.

PLATO (ESA, запуск в 2026 году): задача этого телескопа — не детальный анализ, а поиск идеальных целей. Он будет искать экзопланеты, вращающиеся вокруг ярких звезд, похожих на Солнце. Чем ярче звезда, тем больше фотонов проходит сквозь атмосферу планеты, и тем выше качество получаемого спектра. PLATO создаст каталог планет, наиболее подходящих для дальнейшего изучения.

ARIEL (ESA, запуск в 2029 году): это первая космическая миссия, полностью посвященная изучению атмосфер экзопланет. В отличие от других телескопов, которые выполняют широкий спектр задач, ARIEL будет работать исключительно как "химический анализатор". Его приборы настроены на проведение масштабного обзора химического состава сотен известных планет, что позволит ученым собрать статистику и понять общие закономерности формирования атмосфер.

Nancy Grace Roman (NASA, запуск в 2029 году): этот телескоп станет технологическим полигоном для отработки методов прямой визуализации. Он будет оснащен коронографом — сложной оптической системой, которая физически блокирует свет центральной звезды внутри телескопа. Это позволит увидеть свет, отраженный непосредственно самой планетой.

Прямое наблюдение дает информацию, недоступную методу транзитов, и позволяет изучать планеты, орбиты которых не пересекают диск звезды с точки зрения земного наблюдателя.

Обсерватория обитаемых миров (HWO)

Наибольшие надежды астробиологи возлагают на проект Habitable Worlds Observatory (HWO), который сейчас находится на стадии планирования в NASA. Эта миссия разрабатывается специально для поиска и изучения примерно 25 планет, максимально похожих на Землю.

HWO будет использовать технологии коронографии для блокировки света звезды, что позволит проводить прямой спектральный анализ отраженного света планеты. Чувствительность приборов позволит искать не только газы, но и специфические признаки поверхности.

"Красный край" растительности: одной из целей HWO станет поиск так называемого "красного края". Земные растения используют хлорофилл для фотосинтеза, поглощая видимый свет. Однако они отражают инфракрасное излучение, чтобы избежать перегрева тканей. В спектре отраженного света это выглядит как резкий скачок яркости при переходе от красного диапазона к инфракрасному. Обнаружение такого скачка в спектре экзопланеты стало бы хорошим индикатором наличия растительности.

Картографирование без изображения: даже мощнейшие телескопы будущего будут видеть экзопланету как одну светящуюся точку — без возможности разглядеть детали рельефа. Однако HWO сможет использовать метод анализа кривых блеска.

По мере того как планета вращается вокруг своей оси, к наблюдателю поворачиваются разные участки ее поверхности. Океаны поглощают свет иначе, чем континенты, а облачный покров имеет высокую отражательную способность.

Анализируя периодические изменения яркости и цвета этой "точки" во времени, астрономы смогут построить грубую карту поверхности планеты, определив соотношение суши и воды.

Смена научной парадигмы

Астрономия завершает эпоху открытия экзопланет и вступает в эпоху их характеризации. Подтверждение существования внеземной жизни вряд ли произойдет мгновенно. Скорее всего, это будет не перехват радиосигнала, а накопление химических данных.

Ученые ищут так называемое "химическое неравновесие" — состояние атмосферы, которое невозможно объяснить геологическими процессами. Например, одновременное присутствие метана и кислорода. Эти газы быстро реагируют друг с другом, и их стабильное существование в одной атмосфере возможно только при наличии постоянного биологического источника.

Именно поиск таких аномалий станет главной задачей науки на ближайшие десятилетия.