Содержание
Астрономы оценили условия для жизни на планетах Проксимы Центавра
Международная команда астрономов смоделировала вероятный климат на двух экзопланетах, которые вращаются вокруг Проксимы Центавра, ближайшей к Солнцу звезды. В результате ученые пришли к выводу, что «космическая погода» не даст сформироваться там жизни в таком виде, в каком знаем ее мы.
Исследование опубликовано в журнале Astrophysical Journal, а коротко о нем рассказывается на сайте Сиднейского университета. Не так давно астрономы обнаружили, что вокруг Проксимы Центавра вращаются две «похожие на Землю» каменистые планеты.
Одна из них расположена в так называемой обитаемой зоне своей звезды, то есть в той зоне, в пределах которой на планетах может существовать жидкая вода. Следовательно, по нашим представлениям, там могут существовать и условия для формирования и поддержания жизни.
Интриги тому открытию придала и невероятная близость этой планеты — звезда Проксима Центавра находится всего в 4,2 световых годах от Земли.
В новом исследовании астрономы впервые зафиксировали четкую связь между оптическими вспышками и радиовсплесками на звезде, которая не является Солнцем. Результаты оказались неутешительными для тех, кто ищет внеземную жизнь.
Ученые отмечают, что Проксима Центавра — это маленький и холодный красный карлик. Следовательно, обе открытые экзопланеты очень уязвимы для опасного ионизирующего излучения, которое испускает их родительская звезда. По мнению авторов работы, оно способно «эффективно стерилизовать планеты».
«Наше собственное Солнце регулярно испускает горячие облака ионизированных частиц во время того, что мы называем «выбросами корональной массы», — говорит ведущий автор исследования Эндрю Зик из Сиднейского университета. — Но Солнце намного горячее, чем Проксима Центавра и другие подобные ей звезды. То есть наша «обитаемая зона» находится далеко от поверхности Солнца, а это означает, что Земля находится относительно далеко от этих событий».
Корональные выбросы массы — это чрезвычайно мощные выбросы ионизированной плазмы и излучения, покидающие атмосферу звезды.
Они могли бы серьезно навредить нашей планете, находись она ближе к Солнцу. К тому же Земля обладает очень мощным магнитным полем, которое защищает нас от интенсивных взрывов солнечной плазмы.
В случае с Проксима Центавра все обстоит иначе. Исследование показало, что мощные радиовсплески на ней и подобных ей звездах могут происходить по иным причинам, чем на Солнце, где они обычно связаны с выбросами корональной массы.
«Вероятно, это плохие новости из области «космической погоды», — говорит доктор Зик. — Кажется вероятным, что самые распространенные звезды галактики — красные карлики — не станут отличным местом для поиска жизни в том виде, в каком мы ее знаем».
К слову, в последнее десятилетие астрономы открыли свыше 4000 экзопланет, вращающихся вокруг звезд за пределами Солнечной системы. Это повысило шансы на обнаружение на них условий, подобных земным.
Недавние исследования показали, что около половины подобных Солнцу звезд в Млечном Пути могут быть домом для таких планет.
Однако звезды, подобные Солнцу, составляют лишь семь процентов звездных объектов галактики. Напротив, красные карлики M-типа, такие как Проксима Центавра, составляют около 70 процентов звезд Млечного Пути.
Авторы новой работы считают: полученные ими данные убедительно свидетельствуют о том, что планеты вокруг этих звезд, вероятно, подвержены мощному воздействию звездных вспышек и выбросов плазмы.
Планета Проксима b — ближайший сосед, похожий на нас
Планета Проксима b — ближайший сосед, похожий на нас — BBC News Русская службаBBC News, Русская служба
Перейти к содержанию
Для просмотра этого контента вам надо включить JavaScript или использовать другой браузер
Планета Проксима b — ближайший сосед, похожий на нас
Подпишитесь на нашу рассылку ”Контекст”: она поможет вам разобраться в событиях.
Международная группа ученых-космологов заявила об обнаружении планеты Проксима b, на которой теоретически возможна жизнь и до которой можно будет добраться во время будущих космических миссий.
Эта планета чуть больше Земли и находится всего в четырех световых годах от нее.
Проксима b вращается вокруг звезды Проксима Центавра — красного карлика, входящего в систему Альфа Центавра.
Планета находится в так называемой обитаемой зоне звезды. Температура на планете такова, что на ней может быть вода в жидкой форме, а климат пригоден для жизни.
Читайте также
Зонд «Юнона» вышел на орбиту Юпитера: почему это важно и что будет дальше
Озоновая дыра над Антарктикой начала затягиваться
Зачем человеку Юпитер?
Самое популярное видео
Видео, «Я просто турист, можно сказать».
Россиянин месяц скрывается в лесу от мобилизации, Продолжительность 4,32Видео, Цветы, музыка, накрытые столы. Как встречали освобожденных по обмену пленных бойцов самопровозглашенной ДНР, Продолжительность 2,49
Видео, Россия и Украина обвиняют друг друга в подготовке подрыва дамбы Каховской ГЭС. Кому это может быть выгодно?, Продолжительность 6,04
Видео, «У пленного прав там не было». Обменянный защитник «Азовстали» о жизни в российском плену, Продолжительность 6,56
Видео, Встречи с ранеными: как Путин и Зеленский общаются с пострадавшими на войне, Продолжительность 1,29
Видео, Путин о мобилизации: что говорил президент в начале войны и сейчас, Продолжительность 2,01
Видео, Кто такие солдаты-единороги? История украинской ЛГБТК-пары, которая едет на линию фронта в Николаев, Продолжительность 4,03
Видео, «Арматура, телескопические палки с шаром на конце».
Пытки в российской оккупации и спасение, Продолжительность 2,31Видео, Трамп спасет мир от сатанистов-педофилов. Во что верят сторонники движения QAnon?, Продолжительность 4,52
Видео, Обмен: 107 военнопленных вернулись домой в Украину, Продолжительность 1,08
Россиянин месяц скрывается в лесу от мобилизации, Продолжительность 4,32
Пытки в российской оккупации и спасение, Продолжительность 2,31Как увидеть Проксиму b
Вы не услышите, как они это говорят, но некоторые из самых известных астрономов мира были разочарованы в течение большей части двух десятилетий. За это время они и их коллеги обнаружили тысячи экзопланет — планет, вращающихся вокруг звезд, отличных от нашего Солнца, — и статистически предположили, что еще сотни миллиардов ждут открытия только в нашей галактике. Кажется, достаточно сильно прихлопнуть любую звезду современными инструментами, и она в конечном итоге рассыплет новые миры, как леденец, сыплющийся из раздвоенной пиньяты.
Охотники за планетами уже развернули часть своего трофея, используя телескопы для тщательного изучения и даже изображения небольшого количества непривлекательных необитаемых газовых гигантских миров. И все же до сих пор им не удалось попробовать самые сладкие, самые дразнящие кусочки, чтобы упасть им в руки — горстка потенциально похожих на Землю миров, в которых может быть жизнь.
Не то чтобы они не пытались. Даже если бы она состояла всего из одного шумного пикселя, снимок многообещающей планеты вокруг другой звезды мог бы помочь определить, действительно ли этот мир пригоден для жизни или даже потенциально обитаем. Это может быть первым проблеском величайшего открытия в истории человечества — доказательством того, что мы не одиноки в космосе. Увы, сегодняшние лучшие телескопы потерпели неудачу. Их большая и сложная оптика все еще слишком мала и упрощена, чтобы различить слабые очертания скалистого мира, кружащегося среди яркого света звезды. Кажется, требуется что-то большее и смелое.
Чтобы найти другую Землю, рассуждает один из них, нужно сначала построить телескоп для получения изображений планет такого размера, сложности и стоимости, чтобы он стал слишком большим, чтобы выйти из строя. Однако, чтобы построить такой телескоп, нужно сначала найти другую Землю, которую он мог бы изучать. Если «покажите нам деньги» — призыв охотников за планетами, то «покажите нам планету» — безошибочный ответ политиков. Эта уловка-22 заставила астрономов планировать, как они будут изображать и изучать планеты, похожие на Землю, в будущем, которому, кажется, суждено никогда не наступить.
Больше нет. Благодаря одному открытию, о котором было объявлено в прошлом месяце, это будущее может разыграться в течение следующих нескольких лет, когда астрономы будут использовать существующие и строящиеся телескопы на земле и в космосе, а не в причудливых обсерваториях далекого будущего. Катализатором этого эпохального перехода является Проксима b, недавно открытая маленькая планета, вращающаяся вокруг Проксимы Центавра, которая находится на расстоянии чуть более четырех световых лет от ближайшей к нашей Солнечной системе звезды.
«Проксима b провела мелом линию высоко на стене, и теперь мы все прыгаем, чтобы добраться до нее», — говорит Мэтью Кенворти, астроном, работающий над новыми методами визуализации планет в Лейденской обсерватории в Нидерландах. «Электронные письма летают туда-сюда, люди стряхивают пыль с методов, которые они придумали много лет назад для наблюдения за каменистой планетой, которые были отложены на полку из-за отсутствия поблизости. Вы практически можете слышать бешеные мозговые волны, проходящие по воздуху. Всех заряжает знание того, что прямо по соседству есть эта красивая, очень захватывающая цель».
На данный момент астрономам еще только предстоит увидеть эту новую планету — вместо этого они просто измерили, как ее орбитальная тяга туда и сюда заставляет Проксиму Центавра раскачиваться взад и вперед в небе. Это колебание говорит о многом, показывая, что этот мир всего на треть массивнее Земли и находится на 11-дневной орбите примерно в семи миллионах километров от своей звезды.
Земля была бы выжжена, если бы она находилась так близко к Солнцу, но Проксима Центавра — гораздо меньшая по размеру и более тусклая лампочка — красный карлик, самая многочисленная разновидность Млечного Пути. Таким образом, 11-дневный год Проксимы b подвергает ее воздействию в две трети меньшего количества звездного света, чем Земля, — достаточно, чтобы поместить планету в середину «обитаемой зоны» ее звезды, умеренной околозвездной области, где жидкая вода и жизнь могли бы предположительно существовать на скалистом мире. поверхность.
Все это означает, что Проксима b намного больше, чем ближайшая соседняя планета за пределами нашей Солнечной системы. Это также главный пример того, что может быть наиболее распространенной средой обитания для жизни во вселенной и , ближайшем, возможно, похожем на Землю мире, который мы можем видеть. Нынешняя спешка в его изучении является признаком грядущих событий, предварительным просмотром 2020-х и 2030-х годов, когда астрономы будут стремиться отобразить десятки, если не сотни других многообещающих миров вокруг ближайших звезд.
«Это всего лишь одна планета, и мы еще не знаем, пригодна ли она на самом деле для жизни или нет, но это все равно чрезвычайно важно, потому что она быстро выдвинет область исследований на новые рубежи», — говорит Оливье Гийон, исследователь планет. астроном из Аризонского университета. «Мы можем найти других кандидатов, возможно, даже лучше, чем этот, но на данный момент Proxima b предлагает наилучший сценарий для визуализации и изучения планеты, потенциально похожей на Землю, в течение следующего десятилетия».
ГЛАЗ В НЕБЕ
В лучшем случае Проксима b будет «переходить», периодически пролетая над ликом своей звезды, отбрасывая к нам тень через световые годы. Используя этот планетарный силуэт, астрономы могли затем определить точный размер и массу Проксимы b, а значит, и ее плотность, и, таким образом, узнать, является ли она каменным шаром, окутанным газом шаром или чем-то средним. Они даже смогли определить общий химический состав верхних слоев атмосферы Проксимы b.
Чтобы мельком увидеть воздушное кольцо вокруг проксимы Проксимы b, требуется светособирающая сила того, что астрономы иногда называют «большим стеклом» — гигантского зеркала, такого как 6,5-метровая апертура космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА, запуск которого запланирован на 2018 год. астрономы не могут видеть то, чего нет, и далеко не факт, что планета вообще обладает атмосферой. Орбита Проксимы b, огибающая звезды, может придать ей температуру поверхности, подходящую для воды, но также подвергает ее разрушающим атмосферу звездным вспышкам и приливным силам, которые блокируют вращение планеты, оставляя сторону, всегда обращенную к звезде, безвоздушной и вечно купающейся в звездном свете, в то время как атмосфера замерзает на холодной, постоянно темной стороне мира. Более того, шансы на то, что Проксима b вообще проходит транзитом, невелики — чтобы увидеть тень планеты, нам нужно смотреть на ее орбиту практически с ребра, как смотреть на обод вращающейся пластинки на проигрывателе, удаленном на световые годы.
К сожалению, новое исследование, опубликованное сегодня под руководством астронома Дэвида Киппинга из Колумбийского университета, почти исключило возможность прохождения Проксимы b. Киппинг и его коллеги отправились на поиски его прохождения в данных, собранных канадским космическим телескопом MOST, и даже нашли то, что казалось убедительным сигналом, но дополнительные данные с наземного массива телескопов HATSouth показали, что сигнал был вызван скорее вспышками Проксимы Центавра. чем любой транзитный мир. «Несмотря на то, что мы нашли транзит-кандидат в данных MOST, данные HATSouth исключают его с уровнем достоверности от 70 до 9.0 процентов», — говорит Киппинг. «Сейчас я бы дал ей менее 1 процента шансов быть транзитной планетой. Это звучит очень мало, но ученые предпочитают иметь дело с такими числами, как 0,0001 процента, когда мы говорим об исключении вещей, поэтому для более убедительного ответа, вероятно, потребуется больше данных». Это может произойти в ближайшее время, если астрономы используют космический телескоп НАСА Спитцер, чтобы узнать раз и навсегда, проходит ли Проксима b мимо своей звезды.
Тем временем Ави Леб и Лаура Крейдберг, два астрофизика из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики, уже разработали ближайший план изучения Проксимы b без транзита. В новой статье они описывают, как инфракрасный телескоп Уэбба НАСА вскоре сможет определить, есть ли у Проксимы b атмосфера — наблюдение, также предложенное первооткрывателями и сотрудниками Проксимы b в более ранней статье. Телескоп не мог видеть планету напрямую, а скорее шпионил часть ее инфракрасного света, сияющего сквозь сияние ближайшей звезды. Предполагая, что Проксима b заблокирована приливами, Уэбб мог бы затем обнаружить изменения в тепловом свечении планеты, когда ее холодная, ночная сторона и теплая, залитая солнцем дневная сторона смещаются и исчезают из поля зрения на одной полной орбите, подобно наблюдению за фазами Луны, когда она вращается вокруг Земли. Небольшая разница температур между двумя сторонами Проксимы b предполагает наличие атмосферы или океана для перераспределения тепла, тогда как большой температурный контраст указывает на то, что планета представляет собой сухую безвоздушную скалу.
«Потенциально вы могли бы увидеть это, если бы искали всего 11 дней», — говорит Крейдберг. «Это короткое и приятное замечание».
Если окажется, что у Проксимы b есть атмосфера, Леб и Крейдберг также предложили использовать Уэбба для исследования инфракрасной сигнатуры озона в сиянии Проксимы Центавра как возможного признака того, что воздух планеты наполнен кислородом — то, что на Земле, большей частью производится жизнью. Но вместо 11 дней наблюдений на поиски озона Уэбба ушло примерно 60 дней — огромная и рискованная затрата времени на наблюдения. «Нам пришлось бы использовать всю мощь Уэбба, чтобы провести такое измерение — все должно было пройти идеально», — говорит Крайдберг. «Для любой другой звезды это было бы безумной идеей, но поскольку Проксима Центавра — наш ближайший сосед, у нас есть шанс. По большому счету, два месяца наблюдений на нашем лучшем космическом телескопе могут оказаться полезными, если они обнаружат там что-то, связанное с жизнью».
У Леба также есть более дальновидные (и долгосрочные) планы относительно Проксимы b: отправить зонд.
Планета является «очевидной целью» для Breakthrough Starshot, частного предприятия, финансируемого миллиардером Юрием Мильнером, которое стремится запустить флот миниатюрных межзвездных космических кораблей. Леб является председателем консультативного совета Starshot. «Вы можете подумать, что строительство большого телескопа на Земле может заменить отправку камеры на планету», — говорит Леб. «Но прошлый опыт планетарных миссий НАСА говорит нам, что это неправда — мы всегда узнаем что-то новое, непосредственно посещая место. И Starshot будет стремиться к этому».
По словам Марка Клэмпина, ученого проекта Уэбба и директора отдела астрофизики в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, у Breakthrough Starshot, возможно, больше шансов, чем у любого поиска озона на Проксиме b с помощью Webb. «Возбуждение от наблюдения за планетой в обитаемой зоне ближайшей к нам звезды воодушевляет людей», — говорит он. «Но есть много конкурирующих научных приоритетов для Уэбба, и рецензенты спросят, действительно ли Proxima b является лучшим объектом для исследования, затрачивающего так много времени».
По словам Клампина, к тому времени, когда Уэбб заработает, другая миссия НАСА, транзитный спутник для исследования экзопланет (TESS), запуск которого запланирован на 2017 год, уже составит краткий список других потенциально обитаемых скалистых планет вокруг близлежащих малых звезд. TESS будет в основном искать планеты в других местах на небе вдали от Проксимы Центавра, вблизи полюсов эклиптики, областей непосредственно над и под нашей Солнечной системой, которые легко контролировать с помощью большинства космических телескопов. Скалистая планета, проходящая транзитом через ближайшую звезду, может быть гораздо проще исследовать, что отодвигает Проксиму b ниже в списке приоритетов планировщиков миссий Уэбба.
ГИГАНЫ НА ЗЕМЛЕ
Каким бы полезным ни был Уэбб для изучения Проксимы b, большинство астрономов гораздо более оптимистичны в отношении использования грядущего поколения наземных сверхбольших телескопов (ELT), гигантов с зеркалами шириной до 40 метров, дебют запланирован на середину 2020-х годов.
Три ELT находятся в стадии строительства, но только два находятся в Южном полушарии, где можно увидеть Проксиму Центавра, особенно в Чили. Один из них, Giant Magellan Telescope (GMT), строится консорциумом институтов США, Азии и Южной Америки и будет использовать семь 8,4-метровых чашеобразных зеркал, образующих светособирающую поверхность шириной 24,5 метра. Другой, Европейский сверхбольшой телескоп (E-ELT), строится Европейской южной обсерваторией и соединит почти 800 шестиугольных 1,4-метровых сегментов, чтобы сформировать 39метровое зеркало — самое большое в мире. «Хорошо, что мы используем разные технологические подходы», — говорит Патрик Маккарти, астроном из обсерватории Карнеги и временно исполняющий обязанности президента Организации Гигантского Магелланового Телескопа. «Если вы увидите эту планету только в один из телескопов, вы почешете затылок и зададитесь вопросом, не артефакт ли это [инструментальная ошибка]; если вы увидите это в обоих, вы поймете, что это реально».
Находясь в ловушке под размытой звездным светом атмосферой Земли, ни один из ELT не мог естественным образом получить четкие, стабильные изображения, необходимые для непосредственного наблюдения за Проксимой b, которая, по-видимому, находится всего в 38 тысячных угловой секунды от своей звезды (угловая секунда равна одной 3600-й).
степени). То, что оба телескопа вообще могли мельком увидеть Проксиму b, связано с близостью планеты, а также с адаптивной оптикой — управляемыми компьютером деформируемыми зеркалами, которые меняют свою форму 1000 или 2000 раз в секунду, чтобы в реальном времени корректировать турбулентность воздуха. Тем не менее, планета все равно будет более чем в 10 миллионов раз тусклее ближайшей к ней звезды. Оснащенный коронографом — устройством, которое блокирует звездный свет подобно тому, как большой палец, поднесенный к вашему глазу, может затмить солнце — GMT или E-ELT могут убирать блики Проксимы Центавра, чтобы собирать слабые фотоны с Проксимы Центавра. б, образуя точечное изображение планеты для всеобщего обозрения. Цвет точки может быть грубо диагностическим: один оттенок указывает на глобальный океан, тогда как другой может предвещать покрытые растительностью континенты или засушливые равнины из выжженных солнцем скал. Со временем они смогли собрать достаточное количество фотонов разных цветов из точки, чтобы построить спектр, ища в его меняющихся оттенках признаки водяного пара, углекислого газа, кислорода и других жизненно важных газов — то есть признаки того, может ли этот мир существовать или нет.
жизнь гавани, какой мы ее знаем.
К сожалению, все коронографы по-прежнему пропускают немного звездного света, посылая нежелательные фотоны, играя на зеркалах, накапливаясь по краям и несовершенствам и образуя дифракционные пятна, которые могут маскировать или имитировать настоящую планету. То, насколько легко астрономы смогут отличить и изучить планетарную точку Проксимы b от получившегося роя фантомов, будет во многом зависеть от точных деталей конструкции зеркал, коронографов и инструментов каждого телескопа.
Многие из этих деталей остаются неясными, отчасти из-за открытия Проксимы b и других менее сенсационных миров вокруг красных карликов. На сегодняшний день большая часть разработок коронографов была сосредоточена на визуализации миров вокруг ярких солнцеподобных звезд, где контраст между звездами и планетами намного выше, но компенсируется более широким расстоянием между звездами и планетами. Отображение миров красных карликов, таких как Проксима b, требует различных конструкций коронографов, едва вышедших из лабораторных колыбелей, с менее требовательными уровнями контраста, но с более высокой четкостью, позволяющей улавливать планеты, вращающиеся практически плечом к плечу с их тусклыми холодными звездами.
Отчасти поэтому GMT еще предстоит определиться с конструкцией камеры для съемки планет, в то время как первое предложение E-ELT, EPICS (для камеры для съемки экзопланет и спектрографа), технически остается лишь кандидатом на инструмент, ожидающим официального одобрения со стороны Европейского союза. Южная обсерватория (ESO).
По словам руководителя группы EPICS и астронома ESO Маркуса Каспера, период строительства инструмента продолжительностью от восьми до десяти лет должен начаться в 2019 году, а это означает, что его наблюдения за Проксимой b начнутся только в конце 2020-х годов. Даже если бы инструмент был готов раньше, его телескоп мог бы и не быть готов: E-ELT должен начать работу не ранее 2025 года, что позволит получить изображение Проксимы b как минимум на десятилетие, если не на 20 лет вперед.
БОЛЬШИЕ НАДЕЖДЫ НА МАЛЕНЬКИЕ РАЗМЕРЫ
Для некоторых ждать слишком долго. Кристоф Ловис, астроном из Женевского университета, считает, что есть способ наблюдать Проксиму b с земли на несколько лет раньше — примерно в то же время, когда телескоп Уэбба мог бы изучать ее из космоса — используя современные телескопы, намного меньшие, чем планируемые ELT.
Получение изображения Proxima b с помощью наземного телескопа, в несколько раз меньшего, чем ELT, возможно только из-за фундаментальной причуды оптической физики: для получения изображения любого заданного разрешения требуются более короткие длины волн света, такие как видимые для наших глаз. меньшие зеркала и другие оптические компоненты, чем более длинные волны. Это означает, что современный восьмиметровый телескоп, работающий в видимом свете, теоретически мог бы видеть достаточно близко к Проксиме Центавра, чтобы вырвать ее планету из звездного сияния. К сожалению, наблюдение экзопланет в видимом свете, а не в более длинных волнах, также требует более качественных коронографов, а также гораздо более быстрых и точных систем адаптивной оптики. Чрезвычайные требования видимого света к адаптивной оптике — вот почему ELT первоначально будут наблюдать за большинством экзопланет в ближнем инфракрасном свете — до систем адаптивной оптики видимого света для их гигантских зеркал остаются десятилетия.
Самый лучший проект по съемке планет на Земле в настоящее время осуществляется на Очень Большом Телескопе ESO (VLT) в высокогорной пустыне на севере Чили, где инструмент под названием SPHERE использует адаптивную оптику и коронографы для получения снимков ярких планет в ближнем инфракрасном и видимом диапазонах. , молодые, гигантские экзопланеты, раскаленные докрасна от их недавнего образования. В настоящее время SPHERE отстает от наблюдения Проксимы b примерно в 10 раз по контрасту между звездой и планетой и в 6 раз по разнице между звездой и планетой, но у Ловиса есть потрясающе правдоподобный план, как довести инструмент до нуля. Его суть: объединить SPHERE с другим устройством, дебют которого на VLT намечен на следующий год, — спектрографом высокого разрешения под названием ESPRESSO, для которого Ловис является специалистом по приборам. «Нам не нужно ждать 10 или 15 лет для ELT. Мы можем осуществить реалистичные обновления до SPHERE и ESPRESSO на VLT и начать изучение Proxima b, вероятно, в течение нескольких лет», — говорит Ловис.
«Было бы глупо не использовать эти существующие инструменты, потому что вместе они, вероятно, предлагают самый быстрый и экономичный способ получить изображения этой планеты».
В отличие от SPHERE, ESPRESSO не делает снимков. Он скорее ищет планеты через колеблющиеся звезды — тот же метод, который использовался для обнаружения Проксимы b в первую очередь. Такие инструменты на самом деле не наблюдают, как звезды колеблются в небе; вместо этого они точно измеряют цвет света звезды, который становится голубее или краснее по мере того, как планета тянет свою звезду ближе или дальше от Земли, подобно доплеровскому сдвигу, который изменяет тон сирены скорой помощи, когда она приближается и проносится мимо. Благодаря наблюдениям SPHERE за Проксимой Центавра, ESPRESSO сможет искать отраженный видимый свет от Проксимы b, который из-за орбитального движения планеты будет демонстрировать доплеровский сдвиг примерно на 50 километров в секунду от остаточного звездного света. Обнаружение и изоляция этого сигнала поможет астрономам избавиться от остаточного звездного света и загрязняющих эффектов земной атмосферы. Конечным результатом будет чистое, четкое изображение планеты, которое СФЕРА сама по себе никогда не сможет создать.
Работая с соавторами, включая Игнаса Снеллена, астронома из Лейденского университета, который впервые продемонстрировал эту технику на планетах-гигантах в 2014 году, Ловис подробно изложил свой план в новой статье, призывая к модернизации адаптивной оптики СФЕРЫ, а также к несколько оптоволоконных соединений между двумя инструментами. По словам Ловиса и Снеллена, с учетом нескольких месяцев работы телескопа, растянувшихся, возможно, на три года, они могли бы сфотографировать Проксиму b и исследовать атмосферу планеты на наличие признаков кислорода, водяного пара и метана — все важные измерения для определения того, действительно ли этот далекий мир существует. совсем как Земля. Ловис и Снеллен говорят, что даже если их предложение не сможет отразить Проксиму b, оно все равно принесет пользу при планировании будущих операций E-ELT. Другие европейские астрономы реализуют свои собственные планы, изучая, могут ли запланированные обновления до другого инструмента VLT под названием CRIRES или даже небольшой обсерватории, предназначенной для Проксимы, предложить альтернативный путь к изображениям планеты.
Некоторые из тех же организаций, что стоят за GMT, доминирующим в США конкурентом E-ELT ESO, также рассматривают возможность получения изображений Проксимы b с помощью наземного телескопа еще меньшего размера, чем VLT. Джаред Малес, астроном из Аризонского университета, планирует искать планету в видимом свете с помощью одного из двух 6,5-метровых телескопов Magellan в Чили. В борьбе с размытым звездным светом его предпочтительным оружием будет заурядная система адаптивной оптики, дополненная другой, более «экстремальной» версией, которая использует 2000 приводов с компьютерным управлением для исправления атмосферных искажений путем сгибания деформируемого зеркала. более 3600 раз в секунду. Никакая другая система адаптивной оптики не работает быстрее, но даже она может оказаться недостаточно быстрой, чтобы продвинуться достаточно далеко в видимый спектр, чтобы позволить относительно скудному зеркалу Магеллана собрать свет Проксимы b.
«На самом деле я никогда не думал, что мы сможем изобразить планету размером с Землю вокруг Проксимы Центавра, но опять же, до недавнего времени я и не подозревал, что там есть планета размером с Землю», — говорит Малес. «Теперь я просто думаю, что это будет очень, очень сложно — практически на теоретическом пределе возможного, если все пойдет идеально. Никто не говорит, что это дело слэм-данк. Но описание планеты земной группы в обитаемой зоне ближайшей к нашему Солнцу звезды станет одним из самых важных достижений в истории науки. Вот как мы готовимся к этому».
Пурпурные холмы Проксимы b
Продолжая изучать биосигнатуры, которые могут сигнализировать о наличии жизни в других мирах, мы иногда обращали внимание на так называемый «красный край» — резкое изменение отражательной способности растительности, которое проявляется в ближнем инфракрасном диапазоне. Стоит помнить, что растительность является самой большой отражающей поверхностью на Земле (около 60 процентов земной поверхности), с увеличением коэффициента отражения, которое проявляется примерно в 700 нм. Как объясняет Алекс Толли ниже, красный край может смещаться в зависимости от эволюции растительной жизни и переменных, включая интенсивность света, но включающих множество других факторов, которые могут повлиять на жизнь на М-карликовых планетах. Это первые, чью атмосферу мы будем серьезно изучать на наличие биосигнатур, и вопрос о том, как экстраполировать земную жизнь на такие экзотические среды, сложен. Постоянный посетитель Centauri Dreams, Алекс напоминает нам, что растительная жизнь может оказаться способной адаптироваться таким образом, что мы удивимся.
Алекса Толли
Художественная концепция Проксимы Центавра б. Кредит: M. Kommesser
Университет XI Jinp, New Pecijing, Mars
пресс -релиз
для немедленного выпуска
. Свяжитесь с Wendy Ho, MediaIon.
[email protected]
11 ноября 2091
Сегодня опубликовано первое изображение поверхности Proxima b. 2-мегапиксельное изображение, полученное солнечным фокусным телескопом (SoFoT), захватывает 3/4 освещенной поверхности планеты. Это первое прямое изображение планеты, которое не использует модель инверсии EPSI для отраженного солнечного излучения. Хорошо видны и континенты, и океаны. Океан кажется винно-темным, а континентальные массивы суши частично покрыты пурпурным цветом, который, скорее всего, является растительностью. Эта растительность контрастирует с оранжевым материалом пустынь. Полярных шапок нет. Районы с растительностью достигают очень высоких широт обоих полюсов. Предыдущий спектроскопический анализ показал, что атмосфера содержит биосигнатурные газы кислород и метан. Вероятное присутствие растительности предполагает, что источником этого кислорода является фотосинтез. Цвет растительности, вероятно, обусловлен сдвигом максимального поглощения света в красную и ближнюю инфракрасную области, а также более низким потоком синего и зеленого длин волн света в спектре Проксимы. Это придает ландшафту оранжевый оттенок, а более синий цвет местного аналога хлорофилла тускнеет. Видимая цветовая разница аналогична подводной жизни на Земле, которая выглядит темной в синем свете на глубине, но ярко окрашена в белом свете.
Профессор Чжан Юн предположил, что фотическая зона в океанах, вероятно, была довольно мелкой из-за слабого синего излучения звезды и что, возможно, скорость фотосинтеза была ниже, чем на Земле. Китайский звездный зонд «Новая заря» в настоящее время находится на пути к Проксиме. Запущенный в 2077 году, он, как ожидается, достигнет системы Проксима в 2099 году. Изображение Проксимы b является первым, на котором жизнь подтверждена визуально, и указывает на то, что зонд подтвердит наличие жизни на планете. МАС соберется в декабре, чтобы выбрать официальное название планеты и ее особенности.
Обилие М-карликов в галактике, а также М-карлика Проксима Центавра, имеющего каменистую планету в обитаемой зоне (HZ), возобновили предположения о том, какие приспособления могут иметь фотосинтезирующие растения к спектру с красным смещением. из этих звезд. На рисунке 1 ниже показана разница в спектре, полученном Землей, по сравнению со спектром Проксимы b. Очевидны пиковое излучение Проксимы со смещением в красную сторону, а также высокая интенсивность излучения с чрезвычайно короткой длиной волны по сравнению с Землей.
Рисунок 1 . Полноспектральное излучение верхней части атмосферы, полученное Проксимой b (черный) и Землей (красный). Для Proxima b предполагается орбитальное расстояние 0,0485 а.е. [4]
Большинство предположений об адаптации растений касается многоклеточных наземных зеленых растений, покрывающих поверхность наших континентов. Эти растения — почти все зеленые растения, которые содержат хлорофиллы a и b, пиковые длины волн поглощения которых находятся как в синем, так и в красном конце спектра и, следовательно, отражают длины волн между этими пиками, которые мы воспринимаем как зеленые (см. рисунок 2). Адаптация зеленых растений к спектру нашего Солнца приводит к предположению, что растения на экзопланетах вокруг М-карликов будут адаптироваться аналогичным образом, с доминирующим поглощением, которое будет извлекать больше энергии из красного конца спектра и, следовательно, изменять видимый цвет их листьев. . Некоторые предполагают, что поглощение большей части светового спектра, к которому мы приспособлены, сделает листья почти черными для наших глаз.
Джек О’Мэлли-Джеймс, Школа физики и астрономии, Университет Сент-Эндрюс:
«Например, растения с тусклыми красными карликовыми солнцами могут казаться нашим глазам черными, поглощая весь видимый диапазон длин волн, чтобы используйте как можно больше доступного света».
В этом эссе я буду утверждать, что есть доказательства того, что хлорофиллы могут эволюционировать, чтобы улавливать гораздо более красный свет, но это слишком упрощенная история, если рассматривать, как растения могут развиваться в ответ на спектр М-карликов, таких как Проксима.
Хотя сегодня на Земле преобладают зеленые растения, существуют и другие растения, которые используют различные комбинации хлорофиллов. Красные водоросли (Rhodophyta) используют хлорофиллы a и d, а также дополнительный пигмент красного цвета, фикоэритрин. Это гарантирует, что преобладающее поглощение находится в синей части спектра, и адаптировано для их более глубокой морской среды обитания, где проникающий солнечный свет фильтруется синим цветом. Без белого света, освещающего эти водоросли, они кажутся нам черными. Бурые водоросли, в том числе ламинария, используют хлорофиллы а и с и вспомогательный пигмент фукоксантин. Опять же, пиковые длины волн поглощения находятся в синей части спектра, как и подобает их подповерхностной морской среде обитания.
Все эти растения, будь то многоклеточные или одноклеточные, улавливают энергию солнца, чтобы фиксировать углерод посредством фотосинтеза. Это уменьшает содержание углерода в двуокиси углерода (CO2) с помощью водорода в воде (h3O) с образованием сахаров и выделением кислорода (O2) в качестве побочного продукта. Однако это не единственный способ фотосинтеза.
Рисунок 2 . Спектры поглощения хлорофиллов А и В, обнаруженных в зеленых растениях и зеленых водорослях.
Бактерии также улавливают электромагнитное излучение и фиксируют углерод. Однако они используют либо газообразный водород (h3), либо сероводород (h3S). В последнем случае они выделяют твердую серу. Оба этих типа фотосинтеза требуют бескислородных условий, и бактерии живут в горячих источниках или жерлах, где доступны эти два газа. И растительные, и бактериальные хлорофиллы основаны на молекулах тетрапиррола. Пики поглощения которых изменяются небольшими модификациями структуры.
Рисунок 3 .
Тетрапиррольный цикл хлорофилла а.
Рисунок 4 . Строение хлорофилла а. Это первичный фотосинтетический хлорофилл.
В то время как земная жизнь развивалась под нашим солнцем, остается вопрос, могут ли эти поглощающие свет молекулы эволюционировать, чтобы соответствовать различным спектрам других звезд. Хотя есть интерес к тому, могут ли планеты в ГП М-карликов даже развить жизнь, эта жизнь будет ограничена низкоэнергетическими одноклеточными хемотрофами, если они не смогут собирать более длинноволновую энергию своей звезды.
Первый вопрос заключается в том, развились ли эти основные, тетрапиррольные, светопоглощающие молекулы уже на Земле, чтобы улавливать более длинноволновый свет. Очевидное место для поиска — это бактерии, которые живут в условиях очень слабого освещения, но при этом фотосинтезируют, чтобы фиксировать углерод.
Да. Из 8 известных бактериохлорофиллов бактериохлорофилл b, обнаруженный в пурпурных бактериях, имеет максимальную длину волны поглощения в инфракрасном (ИК) диапазоне 835–850 нм и 1020–1040 нм.
Рисунок 5 . Фотосинтетические и другие светопоглощающие пигменты. Спектры поглощения выбранных хлорофиллов (Chls), бактериохлорофиллов (Bchls) и каротиноидов, показывающие длины волн пиков поглощения. Цветная полоса видимого спектра показана вверху. Масштабирование по оси Y является произвольным. Данные по поглощению хлорофилла относятся к экстрагированным пигментам в растворе метанола из Chen & Blankenship (2011). Данные Bchl a и Bchl b относятся к целым клеткам и получены из Cogdell & van Grondelle (2003). Спектр бета-каротина (каротиноида) представляет собой экстракт пигмента в гексане из Dixon et al. (2005), а лютеин (каротиноид) – от Janik et al. (2008). Пигменты, растворенные в растворителях, имеют несколько сдвинутые пики поглощения по сравнению с пиками в клетках. Эти данные находятся в открытом доступе в базе данных биологических пигментов Виртуальной планетарной лаборатории (http://vplapps.astro.washington.edu/pigments). [3]
Относительно недавняя работа Фариеса [1] и Вайрапракаша [2] по бактериохлоринам, модификация их боковых групп показала, что пиковая длина волны поглощения может быть смещена в ближний инфракрасный диапазон.
Количество вариантов в кольце хлорина превышает количество, встречающееся в природе, и показывает, как небольшие изменения могут изменить длину волны пикового поглощения. На рис. 6 показаны результаты этих экспериментов, целью которых было понять, как именно адаптировать эти молекулы для различных пиков поглощения, в первую очередь для промышленных целей. Обратите внимание, что все спектры поглощения сохраняют свои двойные пики на каждом конце видимого спектра. Следует также отметить, что явно наблюдается дрейф в сторону вторичного пика на коротких длинах волн, который становится короче по мере увеличения длины волны максимального пика, однако он, по-видимому, ограничен нижним пределом около 360 нм, вблизи перехода от фиолетового к ультрафиолетовому. Было бы интересно, могут ли эти модификации быть произведены естественной биохимией. Необходимые реакции могут быть за пределами возможного репертуара или быть слишком сложными, чтобы оказаться эволюционно жизнеспособными.
Рисунок 6 .
Расширение спектрального окна для бактериохлоринов за счет размещения уксохромов в определенных местах обеспечивает соизмеримое увеличение фотохимической адаптации этого класса молекул, вдохновленных природой. В совокупности результаты дают фундаментальное представление о рациональном дизайне и синтезе бактериохлоринов, поглощающих красный и БИК, для исследований в области солнечной энергетики и наук о жизни. [2]
Это служит хорошим предзнаменованием возможной эволюции фотосинтеза на планетах вокруг М-карликов. Это указывает на то, что жизнь может эволюционировать, чтобы собирать энергию не только М-карликов, но даже коричневых карликов. Это, по крайней мере, гарантировало бы, что некислородный фотосинтез бактериями может зафиксировать углерод.
Фотосинтез в зеленых растениях состоит из 2 систем: фотосистемы I (ФС I) и фотосистемы 2 (ФС II). PS I — это более ранняя система, которая развилась и является реакцией, которая управляет фиксацией углерода у некислородных фотосинтезирующих бактерий.
PS II развился позже и использует добавление света с более короткой длиной волны и более высокой энергией, больше улавливаемого хлорофиллом b, для расщепления молекулы h3O с высвобождением O2 в качестве побочного продукта перед реакциями по фиксации углерода.
Экспериментальная работа [5] показывает, что для эффективного фотосинтеза необходимо некоторое количество синего света, хотя красный свет сам по себе допускает субоптимальный фотосинтез. Это важно, так как подразумевает, что даже земные зеленые растения должны иметь возможность расти на экзопланете в ГП вокруг М-карлика.
На данный момент история предполагает, что фотосинтез, как оксигенный, так и неоксигенный (в бактериях) должен быть возможен при свете М-карликов. Эволюция более длинноволнового поглощения света в бактериальных хлорофиллах, как в природе, так и в эксперименте, предполагает, что молекулы тетрапиррола или возможные аналоги, улавливающие свет, должны обеспечивать эволюцию фотосинтеза в световом спектре М-карликов.
В то время как О’Мэлли-Джеймс (см. предыдущую цитату) предположил, что растения на М-карликовых планетах могут использовать больше хлорофиллов для улавливания света с разными пиковыми длинами волн, мы не наблюдаем таких приспособлений на Земле, даже несмотря на то, что растения живут в различных условиях освещения. среды. Кажется, что все растения производят только 2 хлорофилла, причем хлорофилл а является доминирующим для фотосинтеза.
Вопрос: «Почему растения не производят более 2 хлорофиллов?» Ответ, скорее всего, заключается в стоимости более крупного генома для кодирования дополнительных путей и ферментов для производства хлорофиллов и их регулирования. Вместо этого заводы выбрали более простые и менее затратные решения. Бурые водоросли кодируют биохимию для производства вспомогательного пигмента фукоксантина, а красные водоросли — белка фикоэритрина в качестве вспомогательного пигмента. Кажется, это компромисс, который оптимизирует улавливание доступной световой энергии для роста и размножения.
Однако молекулы, улавливающие свет, — это еще не все. Наземные многоклеточные растения адаптируются к условиям низкой освещенности с помощью ряда стратегий. К ним относятся:
1. Увеличение количества хлоропластов в своих клетках. Вот почему растения в подлеске тропических джунглей при слабом освещении, как правило, имеют темно-зеленые листья.
2. Вместо того, чтобы тратить энергию на создание богатых лигнином стволов, чтобы поднять листья деревьев к солнечному свету, виноградные лозы просто поднимают свои листья, взбираясь по этим стволам или другим поверхностям, чтобы получить больше солнечного света.
Одно из главных возражений против существования жизни на экзопланетах М-карликов — это высокий поток ультрафиолетового (УФ) излучения. На Земле бактерия Deinococcus radiodurans развила надежную биологию, чтобы противостоять радиационному повреждению. Другие организмы могут отреагировать, оставаясь на глубине океанов или подо льдом, чтобы избежать интенсивного ультрафиолетового излучения.
Если ультрафиолет непостоянен, они могут адаптироваться другими способами, чтобы уменьшить воздействие. Один из способов — оставаться одноклеточным и прикрепляться к подвижному животному, которое может переместиться в безопасное место. На Земле есть морские слизни, которые поглощают водоросли, чтобы извлечь из них хлоропласты для фотосинтеза. Поддержание водорослевых мешков, таких как кальмары, для люминесцентных бактерий, также возможно.
Рисунок 7 . Морской слизень Elysia chlorotica питается зелеными водорослями. Он сохраняет хлоропласты, чтобы использовать фотосинтез для получения дополнительной энергии.
Часто предполагается, что вспышки лишат атмосферу М-карликовой планеты. Если бы жизнь развилась, удаление атмосферы заморозило бы океаны, образовав толстую ледяную корку. Фотосинтезирующая жизнь могла бы жить под этой коркой, улавливая свет, проникший сквозь ледяную корку, или даже внутри льда, используя крошечную жидкую фракцию воды для обеспечения обмена веществ.
Вывод, который я делаю из нашего единственного примера растительной жизни на Земле, заключается в том, что нам следует быть осторожными в расширении простой логики, чтобы размышлять о том, как растения могут развиваться на М-карликовых планетах. Формы жизни оптимизируют множество переменных, чтобы получить преимущество, используя различные стратегии для максимизации репликации генов. Как давно усвоили селекционеры, часто невозможно оптимизировать одну характеристику, такую как увеличение размера семян и продуктивности, без необходимости изменения других характеристик. Интенсивность и спектр света — не единственные переменные, с которыми растения будут сталкиваться на М-карликовых планетах, и растения найдут несколько способов адаптироваться к этим условиям, вероятно, способами, которые мы не можем предвидеть, исходя из нашего опыта.
Последнее замечание по обнаружению. Из-за преобладания на Земле хлорофилла а отражательная способность Земли резко увеличивается на длинах волн сразу за пиком ее поглощения.
Это известно как «красный край» и предлагается как возможная биосигнатура. О’Мэлли-Джеймс и Калтенеггер [6] предполагают, что, поскольку ранние фотосинтезирующие цианобактерии также имеют тот же тип хлорофилла, то сигнатура красного края может быть использована даже для экзопланет на гораздо более ранней стадии эволюции жизни. Однако более длинный пик поглощения бактерий, использующих разные бактериохлорофиллы, и возможная эволюция хлорофиллов, поглощающих более длинные волны, предполагает, что этот красный край может смещаться, возможно, в ИК. Если это так, следует проявить некоторую гибкость в определении любой биосигнатуры красного края.
1. Фариес, К.М., Дайерс, Дж.Р., Спрингер, Дж.В., Ян, Э., Пташек, М., Лахайе, Д., … Холтен, Д. (2015). «Фотофизические свойства и электронная структура хлорин-имидов: преодоление разрыва между хлоринами и бактериохлоринами». Журнал физической химии B , 119 (24), 7503-7515. дои: 10.1021/jp511257w.
2. Вайрапракаш, П., Ян, Э.
, Сахин, Т., Танигучи, М., Крайер, М., Дайерс, Дж. Р., … Холтен, Д. (2015). «Расширение коротковолновых и длинноволновых пределов поглощения бактериохлорина в ближней инфракрасной области посредством диоксо- и бисимидной функционализации», Журнал физической химии B Vol. 119 (12), 4382-4395. doi:10.1021/jp512818g
3. Швитерман, Эдвард. (2018). «Поверхностные и временные биосигнатуры».
10.1007/978-3-319-30648-3_69-1.
4. Рибас и др., «Полный спектр радиационных свойств Проксимы Центавра», Астрономия и астрофизика, том. 603, A58 (июль 2017 г.).
https://www.aanda.org/articles/aa/full_html/2017/07/aa30582-17/aa30582-17.html
5. Hogewoning, S.W., Trouwborst, G., Maljaars, H., Poorter, Х., Ван Иперен, В., и Харбинсон, Дж. (2010). «Доза синего света в ответ на фотосинтез листьев, морфология и химический состав Cucumis sativus, выращенных при различных комбинациях красного и синего света», Журнал экспериментальной ботаники , 61 (11), 3107-3117.