24-27 апреля  2015 г. в Санкт-Петербурге проходила Всероссийская конференция "Интеллектуальное возрождение".

24 апреля в Санкт-Петербургском Государственном Университете,  состоялось торжественное открытие Конференции в Актовом зале здания Двенадцати коллегий, где участников конференции приветствовали председатель организационного комитета конференции кандидат физико-математических наук, президент автономного некоммерческого объединения "Земля и Вселенная" Тронь А. А., а также представители Комитета по образованию Санкт-Петербурга и Университета.

26 апреля на заседании секции физики и астрономии выступали со своими исследовательскими работами учащиеся 9л Белов Алексей по проблемам терраформации Марса и Дукштау Филипп с исследованием методов обнаружения экзопланет. Конкуренция в этой секции была чрезвычайно высока: нашими соперниками были Дворцы творчества юных из Санкт-Петербурга (Центральный и Кировского района), Краснодара и Ростова-на-Дону, лаборатория космических исследований при Ульяновском университете, Лицей №30, АНО НОО «Земля и Вселенная» Санкт-Петербурга.

А наград - дипломов только 6!!! 

Тем не менее, ребята нашей школы получили полезный опыт выступления на таком представительном форуме, как Всероссийская конференция.

27 апреля на торжественном закрытии, прошедшем в актовом зале Российской академии наук, Белов Алексей и Дукштау Филипп получили сертификат участников и сборник тезисов всех работ, представленных  учащимися на конференцию. Пожелаем им дальнейших успехов!

Приводим отрывок работы Дукштау Ф. "Сравнение методов исследования экзопланет".

Введение

Актуальность работы: Задача исследования экзопланет на данный момент является одной из наиболее приоритетных в астрономии. Задача поиска и исследования внесолнечных планет входит в перечень ведущих исследовательских тем в США, Европе и Средней Азии. Самые современные космические и наземные проекты по изучению космоса содержат в своей программе в качестве одной из основных целей «наблюдение экзопланет».

Задача обнаружения и изучения экзопланет представляет огромный научный интерес с точки зрения понимания происхождения и эволюции планетных систем. До недавнего времени было неизвестно, является ли Солнечная система уникальной во Вселенной, а однозначного представления об ее происхождении нет до сих пор. С обнаружением первых экзопланет появилась возможность взглянуть на эволюцию планетных систем со стороны и построить общую теорию происхождения и эволюции планетных систем у звезд различных классов. Данный вопрос становится еще интереснее в связи с тем, что первые же обнаруженные планетные системы у других звезд показали сильное отличие по своей структуре от Солнечной системы.

Кроме того, обстоятельство, что Солнечная система не уникальна наводит на мысль о том, что, возможно, и наша цивилизация не является уникальным явлением во Вселенной. Поэтому, изучение экзопланет представляет еще интерес с точки зрения поиска внеземных цивилизаций. Так, космический телескоп «Kepler» нацелен на поиск планет земного типа в так называемой зоне «Златовласки» (зоне обитаемости) в ближайших к нам окрестностях Млечного пути.

В последние годы разговоров о конце света было так много, что они уже набили оскомину.

Сейчас нам прочат новые апокалипсисы со сценариями один страшнее другого. Как бы там ни было, большинство ученых убеждены, что рано или поздно существование человека будет поставлено под сомнение. По крайней мере, на планете Земля...

В апреле 2013 года на семинаре в одном из медицинских центров Лос-Анджелеса британский астрофизик Стивен Хокинг призвал активнее осваивать космос: «Человечество не сможет прожить и 1000 лет, если не освоит другие планеты в качестве своего нового места жительства».

Ядерная война, потоп, падение астероида — любой из этих вариантов реален. В последнее время все большей популярностью пользуется мысль о глобальном потеплении. Благодаря ему, по прогнозам австралийских ученых, к 2300 году существование человека на Земле станет невозможным. Повышение температуры скажется на всем, вплоть до круговорота воды в природе, что самым непредсказуемым образом изменит климатическую систему нашей планеты. По прогнозам тех же специалистов, через триста лет среднегодовая температура на Земле повысится на 12 градусов, что окажет губительное влияние на человека, а более 40% нынешней суши окажется под водой. На оставшихся над водой землях тоже не будет ничего хорошего, потому как ресурсы, необходимые для поддержания жизни, к тому времени будут исчерпаны.

Новизна: В России до недавнего времени не проводилось исследований в направлении поиска внесолнечных планет. На телескопах Пулковской обсерватории только после 2005 года впервые было осуществлено проведение регулярных фотометрических наблюдений экзопланет и их исследование на основе полученного наблюдательного материала. Получаемые результаты позволяют определять многие характеристики известных экзопланет, что способствует более общему изучению внесолнечных планетных систем в целом.

Наряду с данным методом исследования экзопланет буквально с недавнего времени появилась возможность искать «невидимые» (не детектируемые какими-либо другими методами) внесолнечные планеты благодаря выявлению колебаний транзитных моментов (моментов середины транзита), а также благодаря колебаниям продолжительности транзитов и угла наклона орбиты планеты со временем. Подобный проект будет проводиться впервые в мире. По мере накопления технического опыта в проведении подобных исследований, а также накопления наблюдательного материала, данная тема исследований, стремящаяся стать в ближайшем десятилетии одной из ведущих не только в астрономии, но и в физике в целом, сможет выйти на определенный уровень, хотя бы частично приблизившись к тому уровню исследований по этой теме, которое активно ведется сейчас за границей.

Перспектива дальнейшего изучения экзопланет в России и в частности в Пулковской Обсерватории такова, что в недалеком будущем петербургские учёные смогут открывать экзопланеты, а не только изучать те экзопланеты, которые были открыты за границей. (3)

Цель работы: Исследовать методы обнаружения планет вне Солнечной системы и возможность существования жизни на них.

Задачи:

1. Выяснить условия существования землеподобной жизни

2. Познакомиться с различными методами обнаружения планет за пределами Солнечной системы
3. Сравнить метод транзитной фотометрии со спектрометрическим методом
4. На примере изучения одной-двух экзопланет  оценить возможность существования жизни на них
5. Познакомиться на практике с элементами некоторых методов обнаружения экзопланет.

Теоретическая часть

Поиски жизни вне Земли

Существуют ли другие обитаемые миры? Этот вопрос задавал себе человек еще многие тысячелетия тому назад. Известно, что древнегреческие мыслители не сомневались в том, что в космосе имеется множество миров, заселенных разумными существами. Интересно, что такого мнения придерживались как материалисты, так и идеалисты. Например, Фалес Милетский считал (и учил, он был основателем философской школы), что наша Земля состоит из такого же вещества, что и звезды. Анаксагор считал, что Земля вращается вокруг Солнца, то есть он был один из первых сторонников гелиоцентрической системы. Он считал, что «зародыши жизни» имеются повсюду и поэтому из них возникает везде жизнь. Эпикурейцы не только придерживались идеи о множественности миров, но и считали, что жизнь на них такая же, как и на Земле. Они поселяли братьев по разуму не только на планетах, но и на других небесных телах бесконечной Вселенной. Может, и в этом они окажутся правы? 

Позднее римские философы тоже разделяли точку зрения о множественности миров. Хорошо известный римский философ Лукреций Кар писал: «Весь этот видимый мир вовсе не единственный в природе, и мы должны верить, что в других областях пространства имеются другие земли с другими людьми и животными». 

После этого наступает эпоха, длящаяся около полутора тысяч лет, в связи с которой чаще всего упоминается слово «мракобесие». «Научной» основой представлений о Вселенной в эту эпоху была система Птолемея, которая всю Вселенную загоняла в пределы нашей крохотной Земли.

С имен Джордано Бруно и Галилео Галилей начинается новый виток спирали эволюции наших представлений о жизни во Вселенной. Наблюдения Г. Галилеем Луны через телескопическую трубу показали, что там есть горы и долины, совсем как на Земле. Значит, другие небесные тела такие же по существу, как и Земля. 

Вокруг Солнца обращаются планеты, в том числе и Земля. Но почему считается, что Солнце в этом плане занимает во Вселенной особое, исключительное положение. Джордано Бруно думал иначе. Он писал: «… Существуют бесконечные солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг нашего Солнца… На этих мирах обитают живые существа».

Наши предшественники очень большие надежды возлагали на планеты нашей Солнечной системы. Сегодня благодаря исследованиям космоса с помощью искусственных спутников и автоматических станций мы знаем, что жизни нет ни на Луне, ни на планетах Солнечной системы. Казалось бы, что это должно настраивать на пессимистический лад. К счастью, новые экспериментальные данные убедили нас в том, что все обстоит как раз наоборот. Планетная система вокруг Солнца образовалась из Солнечной туманности. Более того, было показано, что она не могла не образоваться, поскольку облако, обладающее значительным вращательным моментом, не может превратиться в единственную звезду (Солнце), которая медленно вращается. Это противоречило бы законам физики. Отсюда следует далеко идущий вывод: наблюдаемые нами одиночные звезды (солнца) обязательно имеют свои планетные системы. А их во Вселенной больше, чем мы можем себе представить. 

Формула Дрейка

Интерес широкой публики к исследованию экзопланет подогревается и будет подогреваться её надеждой узнать главное — существуют ли внеземные цивилизации или хотя бы внеземная жизнь.
Ещё в 1960 году профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Круз Фрэнк Дрейк (Frank Donald Drake) вывел свое знаменитое уравнение, позволяющее оценить количество цивилизаций в галактике, с которыми мы могли бы вступить в контакт.

Уравнение Дрейка выглядит следующим образом: N = R × f_p × n_e × f_l × f_i × f_c × L, где: N — количество цивилизаций, с которыми у нас есть шанс вступить в контакт; R — скорость формирования звёзд в нашей галактике (количество звезд, которое образуется в год); f_p — доля звёзд, обладающих планетами; n_e — среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями на одну звезду, обладающую планетами; f_l — вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями; f_i — вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь; f_c — отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь; L — время жизни такой цивилизации (то есть время, в течение которого цивилизация существует, способна вступить в контакт и хочет вступить в контакт).

Уравнение Дрейка безусловно полезно, но у него есть существенный минус: современная наука может более или менее точно оценить только два коэффициента из восьми — R и f_p. Со временем значения этих коэффициентов немного изменились: Дрейк исходил из предположения, что R равно 10, а последние исследования NASA и Европейского космического агентства определяют его как 7 в год. Предполагаемая доля звезд с планетными системами, напротив, увеличилась.
Остальные составляющие уравнения оцениваются исследователями по-разному, и решение его варьируется от пессимистичных 0,05 (то есть земная цивилизация — единственная во Вселенной) до 50 и даже 5000. Сам же Дрейк считал, что количество цивилизаций исчисляется десятком, что тоже немало.
Несложно догадаться, что уравнение Дрейка, хоть и имевшее (и имеющее) большой резонанс в кругах астрофизиков, геологов и многих других специалистов, вызывает большое недоверие. Причем, недоверие это распространяется не только среди ученых, но даже в ненаучной среде. Так, писатель-фантаст и автор фильмов Майкл Крайтон (Michael Crichton, 1942–2008) заметил, что уравнение Дрейка бессмысленно и не может быть проверено. И поэтому знаменитый проект SETI — не наука, а скорее религия.
Однако несмотря на подобный скепсис, многие считают оптимистические варианты решения этого уравнения правдоподобными. Правда, при этом до сих пор ни одной чужой цивилизации или её следов не было найдено. Космос продолжает молчать. Но это не означает, что поиск внеземной жизни окончен. Для нее придумываются новые сценарии и, соответственно, новые стратегии, позволяющие эти сценарии отслеживать. Вряд ли кто-нибудь ожидает непосредственной практической пользы от реализации этой исследовательской программы даже в случае относительно быстрого успеха. И тем не менее многие исследовательские институты продолжают её финансировать, хотя бы только ради того, чтобы приспособить методы, разработанные для поиска внеземной жизни, для решения гораздо более приземленных задач.

Новый этап в изучении этой проблемы начался в 1997 году; именно тогда была впервые обнаружена планета, вращающаяся около двойной звезды в созвездии Рака — звезды, известной астрономам под именем 55 Cancri.

Планеты, на которых потенциально может возникнуть жизнь, имеет смысл искать только в границах «зоны обитаемости» — там, где вода на поверхности планеты может находиться в жидком состоянии. На внутренней границе зоны обитаемости температура должна быть достаточно низкой, чтобы вода могла конденсироваться из водяного пара; на внешней границе — достаточно высокой, чтобы вода не замерзала. В Солнечной системе только две планеты — Марс и Земля — находятся в этой зоне. (4)

Обитаемая зона

Поставив перед собой цель найти свидетельства «чужой» жизни, необходимо поначалу ответить на вопрос, что же именно этой жизнью считать. Точнее, какие именно признаки могут указывать участникам эксперимента на его положительный исход.

Большинство исследователей предлагает сосредоточить поиски только на той форме водно-углеродной жизни, что существует сейчас на Земле. Такой подход был назван Карлом Саганом (Carl Sagan, 1934–1996) «углеродным шовинизмом» (Carbon chauvinism) ещё в 70-х годах прошлого века и сильно сузил направления поиска. Шансов найти «двойника» у нас почти нет.

В первую очередь, материнская звезда, вокруг которой вращается планета, должна отвечать слишком многим условиям — в частности, быть относительно богатой металлами. Если в звезде металлов мало, планеты вокруг нее будут газовые гигантами. Но в то же время, если металлов слишком много, то планеты будут слишком тяжелыми, начнут накапливать массивные газовые оболочки, и в итоге опять же превратятся в газовые гиганты. А значит, цивилизации, подобные нашей, и не могли появиться намного раньше нее, как и не могли появляться планеты земной группы. Ведь первые звезды, или звезды «первого поколения», появившиеся после Большого Взрыва, содержали лишь водород, гелий, следы лития и никаких более тяжелых элементов.

Довольно жесткие ограничения следует наложить на местоположение звезды, и на форму орбиты. Немало сложностей возникает и с зоной жизни (habitable zone) вокруг звезды — той области, в которой вода на планете может находиться в жидком состоянии. У горячих звезд, таких как Сириус или Вега, эта зона достаточно широка, но располагается слишком далеко от звезды. Планеты с твердым ядром формируются ближе к звезде, то есть заведомо вне зоны жизни. Кроме того, горячие звезды слишком рано умирают: всего через миллиард лет они превращаются в красных гигантов и не оставляют своим планетам шансов на длительную эволюцию.

У холодных звезд зона жизни, наоборот, очень узкая, зато расположена рядом. Однако в этом случае возникает другая сложность: планеты вблизи от материнской звезды подвержены сильному космическому и рентгеновскому излучению, что не может быть благоприятным для развития органики. Кроме того, близко расположенные к звезде планеты обычно обращены к ней только одной стороной (частный случай спин-орбитального резонанса, когда сутки равны году). Из-за этого на дневном и ночном полушариях наблюдается большая разница температур, что в свою очередь, может вызвать сильные ветры в атмосфере планеты.

Получается, что «подходящие» спектральные классы звезд ограничиваются довольно узким промежутком от F7 до K1. В них входят относительно холодные и небольшие по размеру (от 0,9 до 1,3 радиуса Солнца) и желтоватые или даже оранжевые по цвету светила. Наше Солнце относится к классу G, подобных ему — всего 5% звезд нашей галактики.

Однако есть основания надеяться, что жизнь могла возникнуть вблизи красных карликов класса M. Они невелики по размеру — их радиус не превосходит половины солнечного — и отличаются поразительной стабильностью: их жизненный цикл на порядок длиннее солнечного. Именно из-за этого их довольно много. Но красные карлики излучают жёсткое рентгеновское излучение, способное, согласно результатам моделирования, даже разрушать атмосферу.

Кроме ограничений на спектральный класс материнской звезды сфера поиска сужается рядом дополнительных условий. В их числе наличие в истории планеты столкновений с крупными небесными телами. Такое столкновение может привести к образованию крупного спутника (вроде Луны на земной орбите), который стабилизирует ось вращения планеты. Образовавшаяся двойная система лучше защищена от астероидов.

Далеко не на каждой экзопланете могут зародиться и развиться микроорганизмы, не говоря уже о полноценном разуме. Для этого экзопланета должна находиться в обитаемой зоне. Для разных типов звёзд зоны обитаемости расположены по-разному. Для звезд, похожих на Солнце, зона обитаемости находится между Венерой и Марсом - как раз там, где проходит орбита Земли.

Границы обитаемой зоны установлены, исходя из требования наличия на находящихся в ней планетах воды в жидком состоянии, поскольку она является необходимым растворителем во многих биомеханических реакциях.

За внешней границей обитаемой зоны планета не получает достаточно солнечной радиации, чтобы компенсировать потери на излучение, и её температура опустится ниже точки замерзания воды. Планета, расположенная ближе к светилу, чем внутренняя граница обитаемой зоны, будет чрезмерно нагреваться его излучением, в результате чего вода испарится.

Расстояние от звезды, где это явление возможно, вычисляется по размеру и светимости звезды. Центр обитаемой зоны для конкретной звезды описывается уравнением:

где

 — средний радиус обитаемой зоны в астрономических единицах,

 — болометрический показатель (светимость) звезды,

 — болометрический показатель (светимость) Солнца.

             Lsun = 3,827·10²⁶ Вт

  Вт·м⁻²·К⁻⁴. Согласно закону Стефана-Больцмана: полная энергия, излучаемая единицей площади поверхности абсолютно чёрного тела за единицу времени, пропорциональна четвёртой степени термодинамической температуры. (5)

Планеты в обитаемых зонах крайне интересны для учёных, которые ищут и внеземную жизнь и будущие дома для человечества.

Полностью прочитать статью можно в загруженном на сайт файле.

Источники информации:

1. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики, т. 3, 1985
2. Яворский Б.М., Пинский А.А. Основы физики, т.2, 2003
3. http://www.naukograd-peterhof.ru/mdp/12/html/nip-60.html
4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Уравнение_Дрейка
5. http://gruzdoff.ru/wiki/Зона_обитаемости
6. http://lomonosov-fund.ru/enc/ru/encyclopedia:0133537:article
7. http://galspace.spb.ru/indvop.file/42.html
8. http://www.biguniverse.ru/posts/kak-otkryvayut-planety-vne-solnechnoj-sistemy/
9. http://it-day.ru/article/archives/161
10. http://www.astro.websib.ru/node/15975
11. http://www.allplanets.ru/tipy_exoplanet.htm
12. http://exoplanet.eu/diagrams/
13. http://exoplanet.eu/catalog/
14. http://astro.twam.info/hz/
15. http://www.hzgallery.org/