Примерно половина звёзд, похожих на Солнце, находятся в двойных звёздных системах. Новое исследование астрофизиков из Копенгагенского университета показывает, что планеты в двойных системах должны сильно отличаться по составу от планет на орбитах одиноких звёзд, таких, как планеты Солнечной системы. Отличие связано ещё и с очень разными механизмами формирования планет возле двойной или одинокой звезды. Это значит, что возможные формы внеземной жизни могут быть сильно непохожи даже по химической основе на те, которые мы ищем, руководствуясь знаниями о жизни на Земле.
Экзопланеты могут формироваться в системах как одиночных, так и кратных звёзд. Их открывают возле двойных, тройных и даже четверных звёзд с использованием таких же методов обнаружения, как и возле одиночных. Однако с точки зрения поиска мест возможного зарождения жизни кратные звёздные системы рассматривались как самые неподходящие. Орбита планеты в такой системе гравитационно неустойчива — она будет хаотическим образом изменяться, а в какие-то моменты планета может даже мигрировать от одной до другой звезды или быть выброшенной из системы. Судьба возникших каким-либо способом зародышей жизни на такой планете будет предсказуемой — как минимум, говорить о развитии неких сложных форм в таких условиях не приходится.
Исследования таких планетных систем проводились по аналогии с планетами возле одиночных звёзд; молчаливо предполагалось, что планеты образуются по аналогичным механизмам, их можно разделить на несколько знакомых групп (каменные планеты, газовые гиганты, водные миры и т.д.), с химическим составом, аналогичным строению тел Солнечной системы. Соответственно, если бы на таком космическом теле появились органические соединения, от них можно было бы ожидать схожести с известными на Земле формами. Новое исследование ставит это неявное предположение под сомнение. Состав органических молекул определяется соотношением доступных химических элементов в месте формирования. Если планета в бинарной системе при образовании имеет в распоряжении вещество газопылевого диска принципиально другого состава, то и «органика» на такой планете будет, скорее всего, иметь мало общего с земной.
Астрономы Копенгагенского университета получили «машинное время» на массиве телескопов ALMA в Чили для наблюдения за двойной звёздной системой NGC 1333-IRAS2A в молекулярном облаке Персея. Двойная звезда находится на расстоянии одной тысячи световых лет, а сформировалась она всего 10 тысяч лет назад. Две звезды удалены друг от друга всего на 200 астрономических единиц. Для сравнения: орбита Нептуна расположена на расстоянии 30 а.е., а «Вояджеры» удалились от Солнца примерно на 120 а.е. (астрономическая единица — это расстояние от Земли до Солнца, примерно равное 150 миллионам километров). Молодая звёздная система окружена газопылевым диском, молекулярный состав которого как раз хорошо исследовать в диапазоне радиотелескопов. Однако наблюдения за звездой в течение любого разумного в наших масштабах времеми, даже за пару десятков лет — это «мгновенный снимок» текущего состояния звёздной системы. Способов получить картинку в развитии по времени в астрономии всего два. Во-первых, можно наблюдать множество похожих по параметрам звёздных систем, находящихся на различных этапах развития. Во-вторых, недостаток наблюдений можно заменить компьютерным моделированием. Как правило, в астрофизике в таких случаях речь идёт о численном решении известных уравнений динамики газовых потоков или плазмы в предположении, что звёздный материал подчиняется законам, аналогичным земным.
В подобных сложных динамических системах обычно получаются нетривиальные паттерны поведения от автоколебаний до многочисленных хаотических режимов. Моделирование выявило одну из таких разновидностей динамического хаоса в этой двойной системе; возможно, аналогичный режим можно ожидать и в других двойных звёздах на ранних стадиях. Движение газа и пыли в молодой бинарной системе имеет сильно немонотонный характер. В определённые моменты времени, обычно — на протяжении коротких интервалов от десяти до ста лет раз в тысячу лет движение материала резко усиливается. Двойная звезда при этом увеличивает яркость в 10—100 раз до возвращения в обычный режим работы.
Вероятно, режим такой перемежаемости (intermittency — термин из теории сложных динамических систем) можно объяснить наличием двух примерно сопоставимых по силе центров притяжения. Две звезды вращаются вокруг общего центра масс, и в определённые моменты времени суммарная сила притяжения действует на газопылевой диск так, что огромное количество материала из него устремляется на одну из звёзд. Падающий материал вызывает сильный нагрев, из-за чего звезда начинает светиться ярче. Нагрев от таких вспышек может вызвать испарение материала с частичек пыли и окружающего льда: во время вспышки происходит выдувание газа и пыли из системы. Через некоторое время динамическое равновесие восстанавливается, и диск выстраивается заново. Но периодические вспышки влияют на его состав, и соответственно — на химическое строение планетной системы, которая появится на более поздней стадии эволюции звезды.
Статья с результатами радионаблюдений и компьютерного моделирования молодой двойной звезды в конце мая 2022 года вышла в Nature. Эта звёздная система слишком молода, и планеты в ней ещё не сформировались. В дальнейшем, если астрофизикам удастся застолбить больше наблюдательного времени на обсерватории ALMA, её будут использовать для подобных наблюдений за другими звёздами, в которых уже началось образование планетных систем.
Диапазон длин волн, на которых работает ALMA, позволяет установить в космическом пространстве и вблизи звёзд наличие достаточно сложных органических молекул. Они состоят из 9—12 атомов, и основным элементом в них являются атомы углерода. Эти молекулы могут быть составными частями, которые складываются в более сложные молекулы, ключевые для построения известных нам форм жизни. Уже известно, что такие молекулы могут переноситься космическими телами. Например, в метеоритах и кометах Солнечной системы находят аминокислоты и азотистые основания, необходимые для построения молекул РНК и ДНК.
Обсерватория ALMA (Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array) — это не один инструмент, а 66 телескопов с характерного вида антеннами-тарелками, которые работают как скоординированный массив инструментов. Это позволяет добиться более высокого разрешения при наблюдениях в радиодиапазоне: все «тарелки» работают как одна большая антенна с площадью, которую на земле занимает массив. Подобным образом устроены и другие крупные радиотелескопы.
В конце десятилетия к телескопу JWST присоединятся ELT (European Large Telescope) и SKA (Square Kilometer Array). Обе обсерватории планируется ввести в эксплуатацию к 2027 году. Телескоп ELT с 39-метровым зеркалом будет самым большим оптическим телескопом в мире. Его задачей будет наблюдение за атмосферами экзопланет. Обсерваторию радиодиапазона SKA составят массивы из тысяч скоординированных радиотелескопов в Южной Африке и Австралии; она сможет работать на более длинных волнах по сравнению с ALMA. Это позволит определять наличие в космосе больших органических молекул (а не только их составных частей, как ALMA с его более коротковолновым диапазоном). Телескоп James Webb рассчитан на работу с инфракрасным излучением. В этом диапазоне, например, можно находить признаки молекулярного вещества в ледяной фазе. И, наконец, продолжает работу массив ALMA, который идеально подходит для поиска органических молекул в газе. Набор из нескольких инструментов, каждый из которых специализируется на своём участке спектра от радиоволн до оптического, позволит получать более целостную картину органического вещества в космосе и на других планетах.
