В Московском авиационном институте работает единственная в России научная группа, в чьи задачи входит изучение параметров вращения экзопланет (именно с точки зрения наклона оси), дающее возможность оценить их пригодность для жизни. Возглавляет работу заведующий кафедрой "Математическое моделирование" профессор Павел Красильников. В его команде - сотрудники и аспиранты кафедры, а также ведущий научный сотрудник Института теории прогноза землетрясений и математической геофизики РАН, доктор физико-математических наук Ольга Подвигина.
Первые экзопланеты, "гуляющие" по своим орбитам вокруг звезд на огромных расстояниях от Солнца, были обнаружены еще в конце 1980-х годов. Сегодня достоверно подтверждено существование более чем четырех тысяч. Ближайшая экзопланета - Проксима-b. Самая дальняя обнаруженная экзопланета - SWEEPS-11, SWEEPS-4.
До сих пор однозначных свидетельств существования жизни на них не найдено. Но современная наука может указать на пригодность планеты для обитания через сравнения ее характеристик с земными. Если они близки, наличие жизни вероятно, а планеты, подобные нашей, относят к земной группе.
- Параметров, по которым идет сравнение экзопланеты с Землей, много, - рассказывает Павел Красильников. - Одна из важнейших характеристик - принадлежность к зоне обитаемости. Границы устанавливаются из наличия на планете воды в жидком состоянии, приемлемого уровня радиации, массы планеты, сравнимой с земной и т. д. Сюда же 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.
Экзопланеты земной группы характеризуются наличием устойчивой атмосферы, существующей миллиарды лет. Атмосфера устойчива, если средняя скорость составляющих ее атомов и молекул хотя бы в шесть раз ниже второй космической. Напомним: для Земли она равна 11,2 км/с. 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.
Кстати, последние исследования показывают, что одиннадцать циклов наступления и отступления ледников, которые сменяли друг друга через каждые 100 тысяч лет, связаны не с климатом, а с периодическими "качаниями" оси вращения Земли.
- Небольшой наклон оси вращения Земли, меняющийся в пределах от 22,1° до 24,5°, обеспечивает смену времен года и плавное распределение температуры по всей поверхности, - поясняет Павел Сергеевич. - Именно 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 МАИ.
Подход, который лег сегодня в основу исследования вращения экзопланет, был разработан в МАИ еще в 1980 году. Павел Красильников представил его в своей диссертации по динамике вращательных движений искусственных и естественных небесных тел, находящихся на значительном удалении от Земли.
- Именно тогда пришло ясное понимание того, как можно приближенно-аналитически исследовать вращения небесных тел, находящихся в сложных силовых полях, - говорит он. - Этот подход позволил получить явные формулы, приближенно описывающие резонансную и нерезонансную динамику вращения планеты, в частности - колебания по углу наклона оси.
В настоящее время научная группа профессора Красильникова исследовала широкий класс задач, для которого выведены приближенные 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 ее вращение. Недавно получены новые результаты, моделирующие воздействие тяжелого спутника экзопланеты (экзолуны) на колебания ее оси.
- Определены условия, при которых влияние экзолуны является стабилизирующим, так как уменьшается размах колебаний оси вращения. Тем самым выполняется одно из условий существования на экзопланете климата, пригодного для жизни. Получены также условия, когда влияние экзолуны является дестабилизирующим, - отмечает заведующий кафедрой МАИ. - Одно из важных направлений дальнейших исследований - изучение резонансных и околорезонансных колебаний угла наклона оси вращения планеты.
Результаты, полученные российскими учеными, пока не могут быть использованы для организации космических экспедиций. Существующие технологии еще не позволяют нам отправиться в гости к собратьям по разуму или начать колонизацию экзопланет: время полета к ближайшим составляет миллионы лет. Тем не менее, данные результаты полезны для дальнейшей научной работы таких академических институтов РАН, как 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 маевской научной группы позволяют эффективно решать задачи практической космодинамики.