Работа учёных МАИ поможет найти пригодные для жизни планеты

Вопрос существования жизни на других планетах интригует человечество с древнейших времён и, конечно, представляет большой интерес для научного сообщества. Поиск внеземных цивилизаций в пределах Солнечной системы не увенчался успехом, и сегодня внимание учёных всего мира сосредоточено на недосягаемых пока небесных телах — экзопланетах, следующих по своим орбитам вокруг удалённых звёзд.

В Московском авиационном институте действует единственная в России научная группа, в чьи задачи входит изучение параметров вращения экзопланет, дающее возможность оценить их пригодность для жизни. В команду исследователей входят сотрудники и аспиранты кафедры 811 «Моделирование динамических систем», а также ведущий научный сотрудник Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, доктор физико-математических наук Ольга Михайловна Подвигина. Возглавляет работу заведующий кафедрой 811, профессор Павел Сергеевич Красильников.

Факторы жизни

Первые экзопланеты, находящиеся вместе со своими звёздами на огромных расстояниях от Солнца, были обнаружены в конце 1980-х годов, а к настоящему времени достоверно подтверждено существование более чем четырёх тысяч таких космических объектов. До сих пор однозначных свидетельств существования жизни на них не найдено, однако современная наука может указать на пригодность планеты для обитания путём сравнения её характеристик с земными. Если они близки, наличие жизни вероятно, а планеты, подобные нашей, относят к земной группе.

— Параметров, по которым происходит сравнение экзопланеты с Землёй, много, — рассказывает Павел Сергеевич Красильников. — Одна из важнейших характеристик планет земной группы — принадлежность к зоне обитаемости. Границы обитаемой зоны устанавливаются из требования наличия на планете воды в жидком состоянии, приемлемого уровня радиации, массы планеты, сравнимой с земной, и т. д. Также к характеристикам, задающим зону обитаемости, относятся орбитальные параметры движения экзопланеты. В их число входят величина большой полуоси орбиты планеты, эксцентриситет, задающий меру отклонения орбиты от окружности, наклон плоскости орбиты к плоскости эклиптики.

Помимо перечисленного, экзопланеты земной группы характеризуются наличием устойчивой атмосферы, существующей миллиарды лет. Атмосфера устойчива, если средняя скорость составляющих её атомов и молекул хотя бы в шесть раз ниже второй космической. Вместе с тем, климат должен быть пригоден для жизни, а это, в свою очередь, существенно зависит от угла наклона оси собственных вращений экзопланеты, а также от размаха колебаний по этому углу.

— Ледниковый период на Земле связывают с небольшими изменениями угла наклона оси вращения нашей планеты и её орбитального эксцентриситета, — поясняет Павел Сергеевич. — Небольшой наклон оси вращения Земли, меняющийся в пределах от 22,1° до 24,5°, обеспечивает смену времён года и плавное распределение температуры по всей поверхности, а такой стабильный климат необходим для развития зрелой жизни. При углах наклона, близких к 90°, жизнь на планете невозможна.

Угол наклона оси планеты, как и его изменения, напрямую зависит от гравитационных воздействий со стороны звезды и других небесных тел, входящих в планетную систему. Эти воздействия можно описать в рамках классической небесной механики, чем и занимается научная группа кафедры 811.

Изучить недосягаемое

Подход, который лёг сегодня в основу исследования вращения экзопланет, был разработан в МАИ в 1980 году. Павел Сергеевич Красильников представил его в своей диссертационной работе по динамике вращательных движений искусственных и естественных небесных тел, находящихся на значительном удалении от Земли.

— Именно тогда пришло ясное понимание того, как можно приближённо-аналитически исследовать вращения небесных тел, находящихся в сложных силовых полях, — говорит он. — Этот подход позволил получить явные формулы, приближённо описывающие резонансную и нерезонансную динамику вращения планеты, в частности — колебания по углу наклона оси.

В настоящее время научной группой исследован широкий класс задач, для которого выведены приближённые формулы, описывающие нерезонансные колебания по углу наклона оси вращения экзопланеты под действием прямых гравитационных воздействий от звезды и внешних планет. Эти формулы учитывают и такие факторы, как влияние орбиты экзопланеты на её вращение. Недавно получены новые результаты, моделирующие воздействие тяжёлого спутника экзопланеты (экзолуны) на колебания её оси.

— Определены условия, при которых влияние экзолуны является стабилизирующим, так как уменьшается размах колебаний оси вращения и тем самым выполняется одно из условий существования на экзопланете климата, пригодного для жизни. Получены также условия, когда влияние экзолуны является дестабилизирующим, — отмечает заведующий кафедрой 811. — Одно из важных направлений дальнейших исследований — изучение резонансных и околорезонансных колебаний угла наклона оси вращения планеты.

Результаты, полученные группой профессора Красильникова, пока не могут быть использованы для организации космических экспедиций. Существующие технологии ещё не позволяют нам отправиться в гости к собратьям по разуму или начать колонизацию экзопланет, время полёта к ближайшим из которых составляет миллионы лет. Тем не менее, данные результаты полезны для дальнейшей научной работы академических институтов РАН: ИКИ, ГАИШ, ИПМ им. М.В. Келдыша. Кроме того, с их помощью можно делать важные прогнозы, например предсказывать динамику вращений космического аппарата, чтобы избегать их перехода в хаотический режим, при котором теряется связь с центром управления. Таким образом, уже сегодня плоды работы маёвской научной группы позволяют эффективно решать задачи практической космодинамики.