Как ищут жизнь в космосе

В издательстве «Питер» вышла книга «Большое космическое путешествие». Нет, к одноимённому советскому фильму она отношения не имеет — в основу книги положен курс Принстонского университета, который читали студентам гуманитарных специальностей знаменитые астрофизики Нил Деграсс Тайсон, Майкл Стросс и Джон Ричард Готт. Задачей профессоров было рассказать о своей науке так, чтоб это было понятно неспециалистам.

В издании книги на русском языке принимали участие наши друзья из проекта «Открытая лабораторная» — международной просветительской акции по проверке научной грамотности, которая в этом году пройдёт 10 февраля.

Предлагаем вашему вниманию отрывок из книги — в нём Нил Деграсс Тайсон рассказывает о том, как идут поиски жизни в Галактике и что такое уравнение Дрейка.

Мы — живые существа, поэтому нас особенно интересует жизнь во Вселенной. Если мы осматриваемся во Вселенной и обращаем внимание на то, есть ли у конкретной звезды планеты и пригодны ли они для жизни, то разумно формулировать вопросы, исходя из представлений об известной нам (земной) живой материи. Кажется, что все живые существа обладают некоторой совокупностью общих признаков. 

Во-первых, любые известные нам живые существа нуждаются в жидкой воде. Во-вторых, жизнь связана с потреблением энергии. Мы обладаем метаболизмом, это химический феномен. И, самое интересное, жизнь сама себя воспроизводит. 

Я сосредоточусь на первом признаке, поскольку воду можно обнаружить при помощи астрофизического инструментария. Нам всего лишь нужно отыскать во Вселенной жидкую воду. С тех пор как нам прочитали сказку о Златовласке, мы знаем (и соглашаемся), что предметы и вещества могут быть «слишком холодными», «слишком горячими» и «в самый раз». 

Возьмём, например, Солнце. Известно, что оно обладает определенной светимостью. Чем ближе к Солнцу, тем жарче становится, чем дальше — тем холоднее. Допустим, для жизни нужна жидкая вода. Возьмём воду и чересчур приблизимся к Солнцу — вода испарится. Чересчур отдалимся — тогда замёрзнет. 

Таким образом, логично предположить, что есть некий набор орбит, находясь на одной из которых планета будет стабильно содержать жидкую воду. Ближе к Солнцу — пар, дальше от Солнца — лёд, а между ними — жидкая вода. 

Эта область получила название «зона обитаемости». Такая концепция играет важную роль в научных представлениях начиная с 1960-х годов, когда её впервые сформулировали. У разных звёзд, в зависимости от их светимости, размеры зоны обитаемости будут отличаться, и здесь есть повод для размышления. 

Фрэнк Дрейк немного развил эту концепцию и составил так называемое уравнение Дрейка. Это уравнение не похоже на те, что описывают законы Ньютона. Скорее оно позволяет оценить степень нашего незнания о распространённости разумной жизни во Вселенной. 

Прежде чем я расскажу вам об уравнении Дрейка, озвучу одну вещь: исходя из всего, что мы знаем о жизни, считается, что для жизни требуется планета. Это должна быть планета, вращающаяся вокруг звезды. Сначала должна возникнуть звезда, около неё — планета, а затем (учитывая, как медленно развивается жизнь на Земле) нужны миллиарды лет, чтобы эволюция привела к возникновению разумных существ. Следовательно, звезда должна быть долгоживущей. 

Самые массивные звёзды гибнут всего за 10 миллионов лет — и разумным существам, обитающим на планете около такой звезды, практически не на что рассчитывать, если случай Земли хоть сколь-нибудь показателен. Нужна долгоживущая звезда и планета, но не какая угодно планета, а такая, которая вращается в зоне обитаемости этой звезды. 

Итак, известно, что мы должны искать долгоживущую звезду, в зоне обитаемости которой имеется планета, причём такая планета, на которой возникла жизнь. Разумная жизнь. На протяжении большей части истории Земли могучие микроорганизмы — цианобактерии — грубо перекраивали её атмосферу под себя. 

Сегодня мы сетуем, что человек загрязняет окружающую среду, из-за нашей деятельности возникают озоновые дыры и накапливаются парниковые газы, например CO2. Но наше влияние просто меркнет по сравнению с тем, что учинили цианобактерии с земной атмосферой 3 миллиарда лет назад. В ту пору атмосфера Земли была богата углекислым газом — и всё было нормально. Затем явились цианобактерии, слопали весь CO2 и насытили атмосферу кислородом, полностью поменяв её химический состав и баланс. Атмосфера Земли наполнилась кислородом, а углекислого газа в ней почти не осталось.

На самом деле, кислород ядовит для многих анаэробных организмов того периода. Диоксид углерода — парниковый газ. Когда его запасы истощились, парниковый эффект ослаб, и на Земле стало стремительно холодать. 

Земля остывала и несколько раз полностью замерзала. Тем временем Солнце медленно, но верно разгоралось, за миллиарды лет его светимость возросла и периоды под названием «Земля-снежок» прекратились. В конце концов благодаря атмосферному кислороду возникли самые разные животные, и в том числе люди. Не все перемены однозначно губительны для всех организмов. 

Мы беспокоимся, что следующий астероид с нами покончит. Говорю вам, покончит. Неизвестно когда, но это произойдет, и это будет тяжёлый день для Земли. 

В прошлый раз, когда Земля пережила крупное столкновение с астероидом (это было 65 миллионов лет назад), с лица планеты исчезли динозавры. В подлеске уже сновали наши предки-млекопитающие размером с нынешних грызунов. Королевскому тираннозавру и другим ужасным хищникам этой мелюзги хватало буквально на один укус. Но после столкновения Земли с астероидом от королевских тираннозавров и мокрого места не осталось, а млекопитающие смогли эволюционировать, превратившись в довольно представительных существ. 

Эти события запустили новую историю, которая привела к возникновению современной культуры и общества: мы получили путёвку в жизнь, а заодно природа избавила нас от свирепых динозавров. Поэтому я стараюсь трактовать изменения на Земле в более целостном виде.

Мораль этой истории такова: если мы хотим вступить в контакт с обитателями планеты, пригодной для жизни, то наличия инопланетной жизни как таковой ещё недостаточно. Нас интересует разумная жизнь. Даже больше. Исаак Ньютон был разумен, но с ним нельзя было пообщаться с другого конца Галактики. Во времена Ньютона не было технологий, которые позволили бы ему отправлять сигналы в космические дали. Разумная жизнь, которую мы ищем, должна обладать нужными технологиями в ту эпоху, на которую приходятся наши наблюдения.

Теперь предположим, что в саму технологию заложена возможность злоупотребления ею. Если некоторые технологии попадут в руки невежественных или безответственных людей, то такие технологии могут с нами покончить гораздо вернее, чем любая естественная катастрофа. Сколько может продлиться период, пока мы не самоуничтожимся из-за такой фатальной оплошности? Возможно, всего 100 лет. 

Если осмотреться в Галактике, то мы только при большом везении найдём планету, в пятимиллиардной истории которой идёт именно такое столетие. Поэтому вероятность обнаружить таким образом космических друзей по переписке действительно очень мала. 

Фрэнк Дрейк учёл все эти аргументы и на их основе вывел свое уравнение. Так начался поиск внеземного разума — проект SETI. Дрейк хотел оценить количество способных на контакт цивилизаций, связаться с которыми мы можем уже сейчас: Nc.

Для этого он включил в уравнение несколько этапов деления, причём каждый член уравнения — это самостоятельный оценочный показатель, взятый на основе современных астрофизических данных: Nc = Ns ? fHP ? fL? fi ? fc ? (Lc / возраст Галактики), где: 

Nc — количество готовых к контакту цивилизаций, которые мы можем наблюдать в Галактике сегодня; 

Ns — количество звёзд в Галактике (около 300 миллиардов); 

fHP — доля звёзд, в зоне обитаемости которых вращается планета, пригодная для жизни (~0,006); 

fL — доля планет из этого числа, где жизнь развивается (величина неизвестна, но, вероятно, близка к 1); 

fi — доля планет из этого числа, где развивается разумная жизнь (величина неизвестна, но, вероятно, довольно мала); 

fc — доля планет, населенных разумными существами, уровень технологического развития которых допускает межзвездный контакт (величина неизвестна, но, вероятно, близка к 1); 

Lc — средний срок существования цивилизации, способной к контакту (величина неизвестна, но, вероятно, мала по сравнению с возрастом Галактики); 

и возраст Галактики — около 10 миллиардов лет. 

Начнём с количества звёзд в галактике Млечный Путь, их около 300 миллиардов. Поскольку не каждая звезда в Галактике подходит для жизни, это количество нужно умножить на дробную величину — число долгоживущих звёзд (которые горят достаточно долго, чтобы возле них могла сформироваться жизнь), а также имеющих планету в зоне обитаемости (fHP). Таким образом, уменьшается общее число планет, на которых можно искать разумную жизнь. 

На момент написания этой книги, по результатам героической работы, в ходе которой было исследовано более 150 000 звезд, подтверждено существование более 3 000 экзопланет. Это была настоящая революция.

Среди таких звёзд мы ищем те, чьим планетам посчастливилось оказаться в зоне обитаемости. Экзопланеты можно находить по гравитационному воздействию, которое планета оказывает на родительскую звезду. В результате притяжения планеты угловая скорость звезды немного колеблется, и такое явление можно засечь. 

Чем ближе планета, тем заметнее колеблется угловая скорость звезды под влиянием её гравитации и тем легче это обнаружить. Поэтому относительно несложно находить планеты, вращающиеся поблизости от своей звезды, но на таких планетах слишком жарко и жидкой воды там быть не может — они не вписываются в уравнение Дрейка. 

Крупнейший проект по поиску экзопланет выполнен при помощи космического телескопа «Кеплер» силами NASA. «Кеплер» ищет экзопланеты, фиксируя крошечный спад яркости звезды, когда планета проходит по диску звезды и пересекает линию взгляда. Такое явление называется «транзит».

Радиус Юпитера составляет 10% от солнечного. Площадь поперечного сечения Юпитера (?r в квадрате) — 1% от аналогичной площади Солнца. Поэтому когда планета размером с Юпитер проходит мимо диска звезды, напоминающей по типу Солнце, яркость этой звезды временно падает на 1%. Планета размером с Землю, чей радиус составляет 0,01% от солнечного, уменьшает яркость такой звезды на 0,01%. 

Телескоп «Кеплер» достаточно зорок, чтобы улавливать даже такие незначительные потускнения звезды, ведь его конструировали прежде всего для поиска землеподобных планет, но подобная точность — почти предел его возможностей. 

Многие планеты, открытые «Кеплером», сопоставимы по размеру с Юпитером или Нептуном (а такие планеты, насколько нам известно, непригодны для жизни), но попадаются и более мелкие, размером практически с Землю...

Ознакомительный отрывок, как водится, должен заканчиваться на самом интересном месте. Надеемся, что вы решите прочесть книжку целиком!