Когда глобальные события заставляют нас задуматься о том, способно ли человечество выжить, естественно задаться вопросом о других мирах, другой жизни, других разумных видах и о том, могут ли они лучше приспособиться к выживанию, столкнувшись с Великими фильтрами. Это фантазии, но в их основе лежит практический подход. Начинается всё с определения того, какие планеты в обитаемых зонах вокруг других звёзд действительно могут быть пригодны для жизни.

Для этого необходимо наличие жидкой воды и благоприятной для жизни атмосферы, которая может её удерживать.

Открытие системы TRAPPIST-1 несколько лет назад вызвало большой ажиотаж. Она содержит семь миров, похожих на Землю, и три или, возможно, четыре из них находятся в компактной зоне обитаемости красного карлика. Согласно некоторым исследованиям, на одной из них, TRAPPIST-1d, может быть вода на поверхности или, по крайней мере, на некоторых её участках. Но без подходящей атмосферы планета не может удерживать поверхностную воду, и новые наблюдения «Уэбба» показывают, что TRAPPIST-1d не имеет атмосферы, похожей на земную.

В ноябре 2022 года «Уэбб» наблюдал два последовательных транзита TRAPPIST-1d с помощью своего инструмента NIRSpec/PRISM. Исследователи из Канады, Великобритании, Франции и США проанализировали данные этих транзитов и пришли к выводу, что эта многообещающая экзопланета не имеет атмосферы, похожей на земную. Их результаты опубликованы в статье в журнале The Astrophysical Journal под названием «Строгие ограничения на потенциальные вторичные атмосферы на умеренной каменистой экзопланете TRAPPIST-1d». Ведущим автором является Кэролайн Пиолет-Горэб из Чикагского университета и Института исследований экзопланет Троттье (IREx) при Монреальском университете.

«Хотя TRAPPIST-1d может оказаться бесплодной скалой, освещаемой жестокой красной звездой, внешние планеты TRAPPIST-1e, f, g и h всё же могут обладать плотной атмосферой»,— говорит соавтор Райан Макдональд, Университет Сент-Эндрюс.

«Близлежащая система TRAPPIST-1 с семью небольшими каменными планетами, обращающимися вокруг звезды позднего типа M8, предоставляет беспрецедентную возможность для поиска вторичных атмосфер на умеренных земных мирах», — пишут авторы в своём исследовании. «Здесь мы представляем первый спектр пропускания NIRSpec/PRISM в диапазоне 0,6–5,2 мкм для TRAPPIST-1d, полученный в ходе двух транзитов с помощью „Уэбба“».

TRAPPIST-1d находится на внутреннем краю зоны обитаемости TRAPPIST-1. Это отличная цель для спектроскопии пропускания, и эти наблюдения «Уэбба» предоставляют первый подробный спектр пропускания атмосферы планеты. К сожалению, спектр плоский, что означает отсутствие обнаруживаемых атмосферных особенностей.

«В конечном итоге мы хотим узнать, может ли что-то похожее на окружающую среду, которой мы наслаждаемся на Земле, существовать где-то ещё, и при каких условиях. Хотя космический телескоп Джеймса Уэбба даёт нам возможность впервые исследовать этот вопрос на планетах размером с Землю, на данный момент мы можем исключить TRAPPIST-1d из списка потенциальных двойников или „соседей“ Земли», — сказала ведущий автор Пиолет-Горэб в пресс-релизе.

«Уэббу» не удалось обнаружить молекулы, присутствующие в атмосфере Земли, такие как метан, углекислый газ и вода. Однако это не исключает полностью наличие атмосферы; есть ещё несколько других возможностей.

«Есть несколько возможных причин, по которым мы не обнаруживаем атмосферу вокруг TRAPPIST-1d. У него может быть чрезвычайно разреженная атмосфера, которую трудно обнаружить, как у Марса. В качестве альтернативы, у него могут быть очень густые высотные облака, которые блокируют наше обнаружение определённых атмосферных сигнатур — что-то больше похожее на Венеру. Или это может быть бесплодная скала, вообще не имеющая атмосферы», — сказала Пиолет-Горэб.

Изучение TRAPPIST-1d и его атмосферы — это не просто исключение возможности существования на нём жизни. Это гораздо более масштабное научное предприятие.

Красные карлики, или карлики класса M, такие как TRAPPIST-1, являются распространённым и, вероятно, самым многочисленным типом звёзд в Млечном Пути. Известно, что у многих из них есть каменистые миры, где вполне могла зародиться жизнь. Но красные карлики также известны своими сильными вспышками, и TRAPPIST-1 не является исключением. Он вспыхивает каждые несколько дней, и каждый год испускает от четырёх до шести супервспышек. Эта мощная вспышечная активность может разрушить атмосферу любой планеты, сделав планеты TRAPPIST-1 непригодными для жизни.

Однако существует значительная неопределённость в отношении вспышек красных карликов и пригодности для жизни. Некоторые исследования показывают, что планеты не могут удержать атмосферу в условиях корональных выбросов массы, исходящих от звезды. Но, по крайней мере, возможно, что некоторые из этих планет всё же могут удерживать свою атмосферу. Например, мощные магнитные поля планет могут служить защитным барьером от вспышек звезды. «Уэбба» открывает путь к пониманию влияния вспышек красных карликов на атмосферу.

«Чувствительные инфракрасные приборы „Уэбба“ позволяют нам впервые исследовать атмосферы этих более мелких и холодных планет», — сказал Бьорн Беннеке из IREx в Университете Монреаля, соавтор исследования. «Мы только начинаем использовать „Уэбб“ для поиска атмосфер на планетах размером с Землю и определения границы между планетами, которые могут удерживать атмосферу, и теми, которые не могут».

Единственные особенности в спектрах «Уэбба» объясняются скорее звёздным загрязнением, чем поглощением атмосферой. «Наш точный спектр пропускания можно полностью объяснить только звёздным загрязнением, и поэтому он позволяет нам исключить сценарии с отсутствием облаков или с плотной атмосферой в широком диапазоне потенциальных металличностей атмосферы», — пишут авторы.

Планете сложнее удерживать атмосферу с низкой молекулярной массой, и эти наблюдения исключили наличие атмосфер, в которых преобладает водород. Наблюдения также исключили более плотные атмосферы, такие как у Венеры или Титана. Остаются только чрезвычайно разреженные атмосферы, которые вряд ли способствуют обитаемости, или атмосферы, в которых преобладают высокие облака, маскирующие молекулярные поглощающие характеристики от «Уэбба». Но исследования эффективно исключают их.

Таким образом, мы приходим к выводу, что

1. плотные облачные атмосферы, богатые водородом, исключаются нашим спектром пропускания;

2. редкие альтернативы, богатые H₂, крайне маловероятны, если рассматривать TRAPPIST-1d в контексте его образования и эволюции под воздействием звёздного излучения;

3. высотные облака или дымка не должны образовываться на TRAPPIST-1d, если он имеет атмосферу с низким содержанием металлов, — объясняют исследователи.

Эта работа почти наверняка исключает TRAPPIST-1d из списка потенциально пригодных для жизни экзопланет, на которых может существовать вода. Однако природа хитра на выдумки, поэтому исключение TRAPPIST-1d не является абсолютно точным. «Наши наблюдения пока не могут полностью исключить другие возможные сценарии развития атмосферы TRAPPIST-1d, которые были предсказаны в литературе», — объясняют авторы, отмечая, что другие исследования с использованием климатических моделей указывают на возможность образования на этой приливной планете высотных водных облаков на терминаторе, которые блокируют видимые сигналы поглощения атмосферой.

Но что насчёт других планет в этой системе?

«Не все надежды на атмосферы вокруг планет TRAPPIST-1 потеряны», — сказала Пиолет-Горэб. «Хотя мы не обнаружили ярких признаков атмосферы на планете d, всё ещё существует вероятность, что внешние планеты содержат много воды и других компонентов атмосферы».

Однако внешние планеты не являются такими же интересными научными объектами, как планета d. Они находятся дальше от звезды и более холодные. Даже мощные инструменты «Уэбба» с трудом справляются в таких условиях. Хотя подробные спектры для этих миров недоступны, исследователи всё же пришли к некоторым выводам.

«Мы пришли к выводу, что даже полная потеря атмосферы на TRAPPIST-1d не исключает наличия атмосферы на внешних планетах TRAPPIST-1 e, f и g, находящихся в зоне обитаемости», — пишут авторы в своём заключении. В отличие от внутренних планет, возможно, что эти внешние планеты сохранили свою воду, «даже если изначально они аккреционировали лишь небольшое количество летучих веществ, равное объёму океанов Земли».

«Наша детективная работа только начинается. В то время как TRAPPIST-1d может оказаться бесплодной скалой, освещаемой жестокой красной звездой, внешние планеты TRAPPIST-1e, f, g и h всё ещё могут обладать плотной атмосферой», — добавил Райан Макдональд, соавтор статьи, ныне работающий в Университете Сент-Эндрюс в Великобритании, а ранее — в Университете Мичигана. «Благодаря Уэббу мы теперь знаем, что TRAPPIST-1d далеко не гостеприимный мир. Мы узнали, что Земля ещё более особенная, чем мы думали».

Быть человеком означает быть свидетелем величайших, самых триумфальных моментов достижений и единства человечества, но также и порочных поступков, которые мы совершаем друг против друга. Умы думающих людей не могут не задаваться вопросом, существуют ли другие миры, где есть жизнь. Каждый потенциально пригодный для жизни мир — это проблеск надежды на то, что люди, со всеми их проблемами, не являются единственным разумным видом во Вселенной.

Если мы смотрим на небо и экзопланеты в поисках какого-то облегчения от проблем человечества, TRAPPIST-1d его не предоставит. Если это исследование верно, он исключается из списка вселяющих надежду экзопланет.

Переходим к следующей.