Найти двойника Земли невозможно?

Из всех мест, на которые мы когда-либо смотрели во Вселенной, только Земля обеспечила нас доказательствами существования жизни. Но почему? Потому что жизнь — это редкость, и она требует от нас всех условий, которые мы имеем на Земле, чтобы поддерживаться? Или потому что жизнь вездесуща, но мы нашли ее здесь, потому что здесь ее найти было проще всего? 

Раз уж у нас на Земле все устроено как устроено, мы привыкли считать, что если бы у нас была планета и звезда с такими же свойствами, как Земля и Солнце — с таким же возрастом, с такими же орбитальными расстояниями, размерами и массами, из тех же материалов — то мы снова получили бы жизнь. Мы также предполагаем, что другие комбинации менее вероятны. Но все наши предположения могут быть неверными. Земля может быть такой же редкостью, как и жизнь.

В 2015 году NASA анонсировало открытие Kepler-452b и назвало ее «самой похожей на Землю экзопланету» из всех, что были когда-либо обнаружены. Конечно, у нее было много схожего с Землей, а у ее звезды было много схожего с Солнцем:

В нашей Солнечной системе разница между Землей и Венерой крошечная: около 5% в радиусе. Для сравнения: разница между Землей и Ураном или Нептуном огромна: эти миры в четыре раза больше Земли в радиусе. Поэтому больше на 60% может показаться не таким уж и преувеличением, но высока вероятность, что мы обнаружим твердую планету с тонкой атмосферой, которая будет обладать свойствами газового гиганта: большой оболочкой из легких атмосферных газов. По факту, есть очень узкое окно, которое стоит считать «земным типом» по размеру планеты, и отклонение более чем на 10-20% от земного размера будет слишком большим.

Однако есть все причины полагать, что планеты земного типа довольно распространены. Последние результаты телескопа Кеплер показывают, что в диске Млечного Пути есть как минимум 17 миллиардов планет размером с Землю, и по крайней мере несколько процентов звезд будут иметь хотя бы один мир земного типа под боком. Хотя наша конечная цель — это, конечно, найти мир с развитой биологической жизнью — желательно мир с жизнью во время кембрийского взрыва — наши мысли всегда возвращаются к двойнику Земли. Но такой двойник, даже если он существует, может быть вовсе не самым лучшим местом для поиска.

Наше Солнце — это звезда G-класса возрастом 4,6 миллиарда лет. Хотя мы думаем, что она одна из самых обычных, это не так: наша звезда массивнее 95% всех звезд. М-карлики, маленькие красные звездочки, представляют собой самый распространенный тип звезд во Вселенной: три четверти всех звезд представлены М-карликами. Океаны на нашей планете вскипят через миллиард лет, но М-звезды будут гореть при стабильной температуре десятки триллионов лет.

«Кеплер» нашел много планет земного типа возле этих М-звезд, которые располагались в подходящих местах для пребывания воды на их поверхности в жидком состоянии и масса которых вполне подходила под земное определение. И хотя М-звезды чаще выдают вспышки, а планеты рядом с ними должны находиться ближе, они также обеспечивают более стабильное окружение для своих планет, с меньшим ультрафиолетовым излучением и повышенной защитой от жестоких проявлений межпланетного и межзвездного космоса. Приливные силы от их звезд тоже сильнее, а их сокращенные орбитальные периоды предоставляют им простой способ генерировать большое магнитное поле, возможно, защищающее от вспышек.

Эти системы довольно распространены, а системы с двойником Земли — нет. Что же нам нужно для истинного «двойника»? Прежде всего нам понадобится звезда вроде Солнца. Это значит, что звезда должна быть не только того же температурного и спектрального класса, но и примерно того же возраста. Чтобы жизнь развивалась и развилась во что-то интересное, нужно время, а значит, нам нужна звездная система, которой много миллиардов лет. Но и слишком долго мы ждать не можем, потому что по мере старения звезд область ядра, соединяющая водород с гелием, растет, и выходная мощность увеличивается (а вместе с тем яркость и температура). В конце концов, планеты (как Земля), которые когда-то были пригодными для жизни, станут слишком горячими, кипятящими воду и не дающими жизни развиваться.

Допустим, у нас будет окно в 1-2 миллиарда лет, что примерно 10% от жизни звезды. В нашей галактике около 200-400 миллиардов звезд, и около 7,6% из них — звезды G-класса, как и наше Солнце. Несмотря на то, что наше Солнце более точно классифицируется как звезда G2V, из этого все равно следует, что около 10% всех звезд G-класса будут такого же типа, как наше Солнце. Если брать по верхней кромке, существует 400 миллиардов звезд, 7,6% из которых G-класса, 10% из которых — того же подкласса, что и Солнце, 10% из которых — нужного возраста для интересной жизни. Это 300 миллионов звезд. Но даже тогда не у всех из них будет достаточное количество тяжелых элементов для создания земного мира.

Выше вы видите спектр Солнца. Другими словами, эти линии, которые вы видите, представляют самые разные атомы и их соотношения. Их много на Солнце, и у них весьма специфические соотношения. Показатель того, что не является водородом или гелием, но синтезирует материалы на Солнце, астрономы называют металличностью. Если мы хотим планету земного типа, нам нужна звезды с металличностью по типу солнечной. Это не так уж плохо; до 25% звезд, которые сформировались в то же время, что и наше Солнце, были промежуточными звездами I популяции, и многие из них (возможно, около 15%) имеют такую же металличность, что и наше Солнце.

Выходит, в нашей галактике 11 миллионов звезд как наша, с таким же показателем тяжелых элементов. Сколько из этих 11 миллионов солнечных «близнецов» имеют своих земных близнецов в обитаемых зонах?

Нам нужно сформировать твердую планету подходящего размера с достаточным запасом элементов, правильным количеством воды и в нужном месте, чтобы она могла считаться близнецом Земли. Все эти проблемы взаимосвязаны. Можно было бы подумать, что если центральная звезда будет иметь правильное содержание элементов, то и образующиеся планеты должны иметь такие же отношения плотности к радиусу, как в нашей Солнечной системе. Но если у вашей планеты будет на 20% больше радиус, чем у Земли, вы наверняка получите конверт легких газов — водорода и гелия — который будет укрывать вашу планету, даже если вы будете во внутренней части Солнечной системы.

Мир, который на 60% больше Земли, будет больше ее в пять раз по массе, а это слишком много, чтобы быть твердой планетой с тонкой атмосферой. Если мы снова прокрутим все оценки, мы получим от сорока до сотни тысяч планет земного типа с орбитами земного типа возле звезд солнечного типа. На 400 миллиардов звезд шансы будут чрезвычайно узкими.

И помните, что настоящая цель поиска таких планет — это поиск миров, способных поддерживать жизнь земного типа. А если цель именно такова, не ищите «двойника» Земли; лучше искать планеты поменьше возле звезд М-класса. Лучше искать миры земного типа в потенциально обитаемых зонах вблизи звезд. Таких вариантов будет намного больше.