135. Поиски жизни во Вселенной

Поиски жизни во Вселенной

135. Поиски жизни во Вселенной


Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»

 

Ссылка для цитирования:
Попов С. Б. Поиски жизни во Вселенной // Благотворительная газета «Коротко и ясно о самом интересном» (редактор выпусков Попов Г. Н.). Вып. 135. 2020 г. [url: к-я.рф/135].
 

Благотворительная стенгазета «Коротко и ясно о самом интересном». Выпуск 134, 2020 год.

ПОИСКИ ЖИЗНИ ВО ВСЕЛЕННОЙ

Рассказ астрофизика Сергея Попова о поиске жизни во Вселенной и различных формах, которые она может принимать

Стенгазеты благотворительного образовательного проекта «Коротко и ясно о самом интересном» предназначены для школьников, родителей и учителей Санкт-Петербурга. Наша цель: школьникам — показать, что получение знаний может стать простым и увлекательным занятием, научить отличать достоверную информацию от мифов и домыслов, рассказать, что мы живём в очень интересное время в очень интересном мире; родителям — помочь в выборе тем для совместного обсуждения с детьми и планирования семейных культурных мероприятий; учителям — предложить яркий наглядный материал, насыщенный интересной и достоверной информацией, для оживления уроков и внеурочной деятельности. Мы выбираем важную тему, ищем ведущих специалистов, которые могут её раскрыть и подготовить материал, адаптируем текст для школьной аудитории, компонуем это всё в формате стенгазеты и печатаем. Волонтёры развозят тираж в ряд организаций Петербурга и Ленинградской области, выразивших заинтересованность в получении газет. Это районные отделы образования, библиотеки, школы, кружки, больницы, детские дома и т. д. Их сотрудники бесплатно распространяют газеты своими силами. Наш ресурс в интернете — сайт стенгазет к-я.рф, где наши стенгазеты представлены в двух видах: для самостоятельной распечатки на плоттере в натуральную величину и для комфортного чтения на экранах планшетов и телефонов. Есть также группа во Вконтакте, где мы обсуждаем выход новых газет. Отзывы и пожелания направляйте, пожалуйста, по адресу: pangea@mail.ru. Автор текста: Сергей Борисович Попов, доктор физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Государственного астрономического института им. П. К. Штернберга, профессор РАН. Редактор проекта — Г. Н. Попов.
 

Друзья, в третий раз мы делаем стенгазету вместе с астрофизиком и популяризатором науки Сергеем Поповым, и это, конечно, очень здорово. В основу выпуска положена глава «Жизнь во Вселенной» книги Сергея Борисовича с основополагающим названием «Вселенная. Краткий путеводитель по пространству и времени…» (с разрешения издательства «Альпина нон-фикшн»). А значит, всё будет в наших лучших традициях — «коротко и ясно о самом интересном». Впрочем, как и предыдущие наши совместные стенгазеты — «Главные астрономические открытия: со времён Галилея до наших дней» (к-я.рф/108) и «Как устроена Вселенная?» (к-я.рф/109). Что ж, начинаем очередное космическое путешествие!
 

Жизнь во Вселенной

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
1. Этот снимок — самое «глубокое» изображение звёздного неба на сегодняшний день. На этом маленьком фрагменте (справа для масштаба показана Луна) площадью всего 1/30 млн небесной сферы можно разглядеть около 5500 галактик. Если учесть, что в нашей Галактике около 300 миллиардов звёзд, у большинства из которых есть планетные системы, можно представить, сколько планет может находиться во всей Вселенной! (NASA, ESA, G. Illingworth, D. Magee, and P. Oesch (University of California, Santa Cruz), R. Bouwens (Leiden University), and the HUDF09 Team).

С древних времён людей интересовал вопрос, есть ли жизнь за пределами Земли. С началом космической эры во второй половине XX в. стали возможными запуски исследовательских аппаратов к телам Солнечной системы, и появились надежды на скорое обнаружение хотя бы следов простейшей жизни. Но вскоре оказалось, что надежды эти были преждевременными. Тем не менее у нас остаётся шанс найти живые организмы или следы их существования на планетах и спутниках. Кроме того, в ближайшие годы реальным станет изучение состава атмосфер землеподобных экзопланет, что откроет новые возможности по поиску жизни во Вселенной.

Для работ в рамках программы по поиску жизни учёные NASA сформулировали такое определение: «Жизнь — это самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции». Дарвиновская эволюция подразумевает наличие таких процессов и явлений, как размножение, мутации, записанная в дискретном виде наследственность, отбор. Таким образом, потенциально жизнь может заметно отличаться от земной. Однако достаточно чёткие критерии для поиска у нас в первую очередь существуют для жизни земного типа.

 

Жизнь в Солнечной системе

Где искать?

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
2. «Лунные животные и другие объекты, обнаруженные сэром Джоном Гершелем» (газета The Sun, Нью-Йорк, 1835 г. Библиотека Конгресса США). Летающие «мышелюди», двуногие бобры, рогатые медведи и другие формы жизни на Луне, якобы открытые астрономом Джоном Гершелем с помощью мощного телескопа («Большое лунное надувательство», Википедия).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
3. Сцена охоты лунных «мышелюдей». «Лунные открытия синьора Гершеля», Leopoldo Galluzzo, Неаполь, 1836 г.

До настоящего времени в Солнечной системе жизнь не обнаружена нигде, кроме Земли. Более того, не было выявлено даже следов существования жизни на других телах. Однако надежда на обнаружение жизни все ещё остаётся. Можно выделить три основных направления поиска кандидатов. Первое — это Марс, где, возможно, в далёком прошлом существовали простейшие формы жизни (и не исключено, что они сохранились там и сейчас). Второе — это крупные ледяные спутники планет-гигантов, такие как спутники Юпитера Европа, Каллисто и Ганимед, а также спутник Сатурна Энцелад. На перечисленных кандидатах рассчитывают найти жизнь (или следы её прошлого существования), основанную на воде, а вот третье направление не ограничивается земными формами жизни — на спутнике Сатурна Титане может существовать жизнь, основанная на углеводородах. Обсуждая в 1998 г. возможную опасность доставки на Землю образцов с различных объектов Солнечной системы, специалисты NASA также включили в число потенциально опасных объектов астероиды типов P и D. Это тёмные (с низким альбедо) астероиды красноватого оттенка, которые, возможно, состоят из богатых органическими соединениями силикатов с включениями водяного льда. Сделано это было в первую очередь потому, что об этих телах известно недостаточно, чтобы исключить их из списка объектов, где в «спящей» форме могут сохраняться простейшие формы жизни. Впрочем, сейчас мало кто включает подобные тела в ряд наиболее вероятных носителей жизни в Солнечной системе.

Кроме отправки биохимических лабораторий на борту автоматических посадочных модулей важнейшей задачей является доставка образцов на Землю для более детальных исследований. К настоящему времени уже доставлялись образцы вещества комет, астероидов и межпланетной пыли (а также, разумеется, большое количество лунного грунта). В ближайшем будущем планируется доставка марсианского грунта (миссия Mars Sample Return Mission, Миссия по доставке образцов марсианского грунта), а в более отдалённых планах стоит доставка вещества с ледяных спутников планет-гигантов.

Венера

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
4. Поверхность Венеры (рисунок Rick Guidice, NASA) и молекулы фосфина (рисунок Ben Mills) — вещества, которое может иметь биологическое происхождение.

На Венере в прошлом могли существовать климатические условия, пригодные для зарождения и существования жизни. Одна из моделей климата этой планеты, разработанная в 2016 г., показывает, что в первые два миллиарда лет на поверхности Венеры могли существовать достаточно большие запасы жидкой воды. Отчасти это связано с тем, что в то время светимость Солнца составляла лишь 70–75 % от современной. Однако в наши дни Венера, безусловно, является мёртвым миром.

Важное дополнение (arxiv:2009.06593): 14 сентября 2020 г. группа астрономов заявила, что они обнаружили в атмосфере Венеры фосфин, который может иметь биологическое происхождение (то есть это результат жизнедеятельности каких-то организмов). Наблюдения проводились в миллиметровом диапазоне на James Clerk Maxwell Telescope (JCMT) летом 2017 г. Подробный анализ химии процессов и возможного жизненного цикла в атмосфере Венеры приводится в двух других статьях. Этот анализ говорит о том, что абиогенное происхождение фосфина крайне маловероятно. Однако, разумеется, необходимы дальнейшие исследования, чтобы утверждать, что в атмосфере Венеры есть жизнь. Да и сам факт обнаружения достаточного количества фосфина нуждается в дополнительной проверке.

Марс

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
5. Осадочные горные породы Марса, сформировавшиеся в водной среде. Склон горы Шарпа, фото марсохода Curiosity, 2015 г. (NASA / JPL-Caltech / MSSS).

Климатическую историю Марса делят на три основных периода. Последние три миллиарда лет относят к так называемой амазонийской эре, на протяжении которой климат аналогичен современному и непригоден для жизни. Однако на протяжении первых двух эпох — нойской (3,5–4,1 млрд лет назад) и гесперийской (3–3,5 млрд лет назад) — климат мог быть пригоден для зарождения и развития простейших форм жизни. Геологические данные, полученные с помощью марсоходов и других исследовательских аппаратов, свидетельствуют о том, что в прошлом на поверхности Марса в больших объёмах существовала жидкая вода. Кроме того, в первые сотни миллионов лет своего существования Красная планета, по-видимому, имела достаточно мощную магнитосферу, чтобы предотвратить быструю потерю атмосферных газов. Это также помогает объяснить наличие в те времена пригодных для жизни климатических условий.

На Марсе отсутствует аналог земного дрейфа континентов (тектоники плит), поэтому современный вид внешних слоёв вполне аналогичен тому, который существовал 3–4 млрд лет назад, что также помогает восстанавливать древний климат планеты. К сожалению, мы пока не можем установить, были ли периоды относительно мягкого и влажного климата длительными (сотни миллионов лет) или же это были лишь короткие эпизоды (в этом случае появление жизни становится менее вероятным).

Однако, если жизнь однажды смогла возникнуть, существуют некоторые надежды обнаружить её и в наши дни. На Земле есть бактерии, обитающие в коре на глубинах более километра. Если их аналоги появились на Марсе в первый миллиард лет его существования, то дальнейшее изменение климата не должно было бы существенно сказаться на них. А вот на Венере высокая температура достаточно прогревает внешние слои грунта, чтобы уничтожить даже такую устойчивую форму жизни.

Интересно, что некоторые учёные рассматривают даже возможность того, что жизнь возникла на Марсе, а затем была занесена на Землю вместе с марсианским веществом, выброшенным в результате падения на Красную планету массивных метеоритов (на Земле было найдено несколько метеоритов марсианского происхождения). Впрочем, это довольно экзотическая гипотеза.

Спутники Юпитера

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
6. Участок поверхности Европы, спутника Юпитера. На ребристом основании хорошо видны бурые пятна («веснушки») и мелкие ямки. Это мозаика из фотографий, полученных космическим кораблём Галилео во время двух пролётов: 28 июня 1996 г. и 31 мая 1998 г. Европа, вероятно, имеет глубокий океан под своей ледяной оболочкой. (NASA/JPL/University of Arizona/University of Colorado).

Спутник Юпитера Европа на протяжении десятилетий (как минимум со времени полёта космических аппаратов Voyager 1 и Voyager 2) считается потенциально обитаемым объектом, поскольку там существует глобальный водный океан. Современные данные показывают, что глубина его может составлять многие десятки километров. Снаружи этот океан покрыт ледяной корой толщиной от 2–3 до 20–30 км.

В 2014 г. с помощью космического телескопа Hubble были получены данные о том, что вода может выбрасываться из океанов Европы наружу — возможно, из-за разломов ледяной коры под действием приливных сил Юпитера. В 2016–2017 гг. в пользу этой гипотезы появились новые аргументы, однако полной ясности на настоящий момент нет. Для получения достоверных данных может потребоваться отправка специального исследовательского аппарата. Планируется, что в 2022 г. для исследования ледяных спутников Юпитера будет запущена европейская межпланетная станция JUICE (JUpiter ICy moons Explorer, Исследователь ледяных лун Юпитера).

Сейчас активно разрабатываются проекты специальных миссий к Европе, направленные на изучение её океана и поиск жизни. Наличие выбросов может упростить эту задачу до исследований с орбиты, хотя, конечно, более перспективной была бы посадка аппарата на поверхность: изучив места недавних выбросов, можно было бы детально исследовать вещество, поступившее из недр. Помимо этого, посадочный модуль позволит изучать океан Европы, используя дециметровое радиоизлучение Юпитера, «просвечивающее» внешние слои спутника и отражающееся от поверхности океана.

Ганимед, как и Европа, разогревается юпитерианскими приливами (свой вклад в нагрев недр вносит и распад радиоактивных элементов), так что под ледяной корой Ганимеда тоже должен существовать водный океан. С большой вероятностью такой океан есть и на Каллисто, поэтому эти два галилеевых спутника Юпитера также относят к потенциально обитаемым.

Спутники Сатурна

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
7. Вид на Сатурн с поверхности Энцелада (рисунок David Seal, NASA). На переднем плане виден ледяной гейзер, выбрасывающий струю пара в космос.
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
8. Углеводородное море Лигейя и впадающие в него реки на спутнике Сатурна Титане. Мозаика из фотографий, сделанных с борта КА Кассини в 2007–2014 годах (NASA / JPL-Caltech / ASI / USGS).

Если с водяными выбросами на Европе пока нет окончательной ясности, то на спутнике Сатурна Энцеладе такие выбросы были обнаружены в 2006 г. с помощью автоматической межпланетной станции Cassini. Недра Энцелада, как и в случае галилеевых спутников Юпитера, разогреваются приливами и радиоактивным распадом. В результате там выполняется три основных условия для возникновения жизни: наличие жидкой воды, наличие энергии и наличие органических соединений (их присутствие установлено спектральным анализом выброшенного вещества). Однако на данный момент нет уверенности в том, что подлёдный океан Энцелада существует непрерывно на протяжении достаточно долгого времени. Возможно, он появляется лишь на десятки миллионов лет во время увеличения выделения энергии в недрах, и в таком случае вероятность возникновения жизни уменьшается.

На многих телах Солнечной системы встречаются органические соединения. По большей части они должны иметь небиологическое происхождение, однако необходимы детальные исследования. Анализ изотопного состава, относительного количества стереоизомеров (например, у аминокислот и сахаров), распределения молекул (например, парафинов) по числу атомов углерода в цепи и другие подобные данные могут предоставить серьёзные аргументы в пользу биологического или небиологического происхождения обнаруженных органических соединений. Пока серьёзных указаний на биологическое происхождение не обнаружено.

Такой подход может работать и для форм жизни, отличающихся от земной. В этом плане самым интересным объектом в Солнечной системе является Титан. Этот крупный спутник, уступающий по размерам и массе лишь Ганимеду, имеет плотную азотную атмосферу, а на его поверхности с помощью зонда Huygens и станции Cassini были обнаружены озёра из жидких углеводородов. Некоторые учёные полагают, что жидкие углеводороды могут стать основой для других форм жизни, заменив воду. Так ли это, могут показать лишь специальные исследования на поверхности Титана.

Жизнь на экзопланетах

В чём сложность задачи?

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
9. Количество экзопланет, открытых разными методами в разные годы (Betseg, wikimedia.org).

Одной из важнейших и интереснейших задач современной астрофизики является обнаружение жизни в других планетных системах. Сложность решения этой задачи связана с такими факторами:

— Мы крайне ограничены в средствах наблюдений, а о полётах к другим звёздам можем лишь мечтать.

— Единственные известные нам формы жизни — земные.

— На появление и развитие жизни влияет множество факторов, всю совокупность которых мы пока не можем учесть.

— Ключевым фактором для зарождения и развития жизни, подобной земной, является жидкая вода.

— Условия существования жизни налагают ряд ограничений на возможные параметры звёзд и планет.

— Детали строения планетной системы и наличие у планеты крупного спутника могут играть важную роль в долговременном развитии жизни.

— Простейшие формы жизни, не формирующие глобальную биосферу, которая влияет на параметры атмосферы планеты, могут встречаться намного чаще. Но у нас пока нет способов для их обнаружения.

— Крупные спутники экзопланет (экзолуны) также могут быть обитаемыми.

Концепция поиска жизни на экзопланетах

Даже жизнь земного типа может существовать в крайне экзотических условиях: глубоко под поверхностью планеты, в глубине океанов (не говоря уже о том, что жизнь может принципиально отличаться от земной). Однако, обсуждая потенциально обитаемые планеты, приходится ограничиваться достаточно развитыми формами жизни земного типа, поскольку лишь для них можно сформулировать достаточно понятные критерии поиска с помощью дистанционных методов (если же жизнь основана на существенно иных принципах, то сделать это пока невозможно).

Современная концепция поиска жизни на экзопланетах базируется на трёх основных идеях:

1. Идентификация землеподобных планет.

2. Нахождение планет в зоне обитаемости.

3. Поиск биомаркеров в атмосферах планет, соответствующих условиям 1 и 2.

Двойники Земли

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
10. Планеты, обращающиеся вокруг холодного красного карлика TRAPPIST-1 (рисунок M. Kornmesser, ESO) в сравнении с Землёй. Из семи известных на сегодня планет этой системы три находятся в зоне обитаемости (TRAPPIST-1: d, e и f).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
11. Экзопланета Kepler-1625b и её предполагаемый спутник (рисунок L. Hustak, STScI, ESA, NASA). Крупные спутники планет также могут быть обитаемыми. Интересно, что спутник планеты, удалённой от звезды за пределы зоны обитаемости, всё равно может иметь подходящую для жизни температуру — за счёт того, что планета разогревает его приливами.

Во-первых требуется найти планеты, похожие на Землю. Обнаружение двойников Земли является технически сложной задачей по нескольким причинам. Это небольшие лёгкие планеты, так что для любого метода наблюдения поиск таких планет требует высокой чувствительности. Например, для обнаружения двойника Земли методом лучевых скоростей около звезды, являющейся двойником Солнца, требуется точность выше 10 см/с, а такие показатели пока не достигнуты. А для транзитного метода ослабление блеска двойника Солнца при прохождении по его диску двойника Земли составляет 0,0084 % — на пределе чувствительности космического телескопа Kepler.

Для надёжного установления факта подобия планеты Земле необходимо измерить сразу и массу, и радиус планеты. Это непросто, поскольку обычно метод лучевых скоростей позволяет измерить лишь массу (к тому же есть неопределённость, связанная с неизвестной ориентацией орбиты планеты по отношению к лучу зрения), а метод транзитов — в первую очередь радиус планеты.

Тем не менее на сегодняшний день известны десятки планет, которые с высокой вероятностью имеют массы и радиусы, примерно равные земным. Однако стоит учесть, что по другим параметрам (детали состава, величина магнитного поля, период вращения, наличие тектоники плит, наличие крупных спутников, подобных Луне, и т. д.) эти «двойники Земли» могут существенно отличаться от нашей планеты.

Лёгкие небольшие планеты проще обнаруживать вокруг более лёгких, чем Солнце, звёзд — с меньшим размером, массой и светимостью: падение блеска при прохождении планеты по диску звезды (транзит) и изменение лучевой скорости звезды в этом случае оказываются больше. Также планеты легче обнаружить, если они находятся ближе к звезде. Но все же не слишком близко, чтобы на поверхности была не слишком высокая температура: это важно для потенциально обитаемых планет. Планета должна попадать в так называемую зону обитаемости.


 

Зона обитаемости

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
12. Космический телескоп Gaia (рисунок, ESA). «В ближайшие 10 лет число известных экзопланет будет исчисляться уже десятками тысяч благодаря спутникам Gaia и PLATO. Можно ожидать, что к 2070-му у нас будут (пусть и плохонькие) карты потенциально обитаемых планет. Уже следующее поколение наземных и космических телескопов (E-ELT, GMT, JWST) сможет изучать состав атмосфер планет типа Земли в зонах обитаемости вокруг красных карликов». (Из интервью С. Попова газете ТрВ-Наука).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
13. Зона обитаемости — условная область в космосе, определённая из расчёта, что условия на поверхности находящихся в ней планет будут обеспечивать существование воды в жидкой фазе. Соответственно, такие планеты (или их спутники) будут благоприятны для возникновения жизни, похожей на земную (thealphacentauri.net).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
14. Зону обитаемости иногда называют «зоной Златовласки» — по английской сказке «Златовласка и три медведя» (у нас она известна как «Три медведя» в пересказе Льва Толстого). Златовласка примеривается к разным предметам и находит тот, где ей оказывается комфортно (neposed.net).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
15. Жизненный цикл звезды в зависимости от её массы (по blackholecam.org).

Во-вторых, планета должна находиться в зоне обитаемости.

Термин «околозвёздная зона обитаемости» (circumstellar habitable zone) был введён в 1993 г. в работе Джеймса Кастинга (James Kasting) и его коллег. До этого Харлоу Шэпли (Harlow Shapley) и Юбертус Страгхолд (Hubertus Strughold) в 1953 г. с разных точек зрения обсуждали, на каком расстоянии от Солнца на поверхности планеты может существовать жидкая вода. В 1959 Су-Шу Хуанг (Su-Shu Huang) впервые использовал термин «зона обитаемости» (habitable zone). Однако проблема предельных расстояний от звезды, на которых планета ещё может быть обитаемой, обсуждалась ещё в XIX в. Современные подходы к расчётам границ области, в которой возможно длительное существование жидкой воды на поверхности планеты, начали применяться в 1970-е гг. в работах Майкла Харта (Michael Hart) и его коллег.

В самой простой форме расчёт границ зоны обитаемости может провести даже школьник. Предположим, что единственным источником тепла является свет звезды. В рамках «нулевого приближения» можно пренебречь влиянием атмосферы и установить граничные условия: на внутренней границе зоны обитаемости температура поверхности планеты, нагреваемой звездой, равна 100 °C (373 К), а на внешней — 0 °C (273 К). Затем надо учесть, что температура поверхности планеты в такой модели спадает как квадратный корень из расстояния от звезды, температура поверхности которой известна. Для Солнца она составляет приблизительно 5800 К, и если мы примем для простоты, что Земля поглощает всю падающую солнечную энергию, то в результате получим, что такой упрощённой зоне обитаемости соответствуют расстояния примерно от 1 до 2 a.е. Однако в реальности необходим учёт многих других эффектов (в первую очередь атмосферных), чтобы точнее рассчитать температуру на планете и, соответственно, точнее определить границы зоны обитаемости. На сегодняшний день планеты с массой менее нескольких масс Земли и/или радиусом менее двух земных, находящиеся в зоне обитаемости, относят к потенциально обитаемым.

Внутренняя граница зоны обитаемости определяется запуском неудержимого (runaway) парникового эффекта, который приводит к росту температуры. А это, в свою очередь, — к испарению всей воды с поверхности в атмосферу. Затем под действием ультрафиолетового излучения от молекул воды отрывается водород, который теряется атмосферой планеты. Расчёты показывают, что для Солнечной системы внутренняя граница зоны обитаемости близка к орбите Земли и составляет около 0,86–0,99 a.е. Необходимо отметить, что эти расчёты пока не учитывают многие особенности реального земного климата, поэтому не стоит особенно опасаться того, что Земля близка к внутренней границе зоны. Однако со временем это станет важным, поскольку из-за постепенного роста светимости Солнца через несколько сотен миллионов лет наша планета окажется вне зоны обитаемости, и условия на ней начнут быстро меняться в сторону тех, которые мы сейчас наблюдаем на Венере: парниковый эффект быстро увеличит температуру поверхности на десятки градусов.

Внешняя граница зоны обитаемости определяется тем, что даже совместный парниковый эффект, создаваемый углекислым газом (CO2) и водяным паром (H2O), не может обеспечить достаточно тёплый климат с удалением планеты от Солнца. Современные расчёты дают для этого критического расстояния величину, примерно равную 1,4–2 a.е.

В молодой Солнечной системе, когда светимость Солнца составляла лишь 70–75 % от современной, Венера могла находиться в зоне обитаемости. А Марс, возможно, всегда находился и будет оставаться в ней практически до начала превращения Солнца в красного гиганта.

Для рассмотрения разнообразных вариантов, которые могут встретиться в случае разных звёзд и планет, понадобится учёт множества дополнительных факторов. Кроме деталей состава атмосферы важными будут период вращения планеты и её масса, эксцентриситет орбиты, наклон оси, величина магнитного поля. Для звёзд важно учитывать не только их полную светимость, но и особенности спектра, поскольку лучи разных длин волн будут по-разному взаимодействовать с атмосферами планет, а также уровень активности (количество вспышек, их энергетику и т. п.).

Самыми многочисленными звёздами являются красные карлики. Вокруг них открыто множество экзопланет, некоторые из которых формально попадают в зону обитаемости. Известными примерами небольших планет в зонах обитаемости вокруг красных карликов являются Проксима Центавра b и несколько планет системы TRAPPIST-1. Однако у красных карликов низкая светимость, так что и внутренняя, и внешняя границы зоны расположены близко к звезде, и планета, находящаяся в этой зоне, с высокой степенью вероятности будет иметь период собственного вращения, равный орбитальному (наступит приливная синхронизация). Это обстоятельство необходимо учитывать при расчётах условий на поверхности, и чаще всего такие планеты не смогут сохранять воду в жидком состоянии.

Как уже было отмечено выше, Земля со временем окажется вне зоны обитаемости из-за роста светимости Солнца. Такая ситуация свойственна всем системам, так как энерговыделение звёзд меняется даже на стадии Главной последовательности. Поэтому расчёт зоны обитаемости вокруг конкретной звезды привязан к определённому моменту в её жизни. А с точки зрения развития жизни вплоть до появления достаточно сложных форм, обитающих на поверхности, важно, чтобы планета находилась внутри зоны обитаемости в течение продолжительного времени. Важно это и на коротком отрезке времени, поэтому планеты на эксцентричных орбитах, проводящие лишь небольшую часть времени в зоне обитаемости, являются плохими кандидатами при поиске жизни.

Сейчас известны экзопланеты в двойных системах, обращающиеся или вокруг одного из компаньонов, или же вокруг всей двойной звезды. В этих случаях также можно рассчитать зоны обитаемости, однако важно при этом иметь в виду, что нередко орбиты планет в двойных системах могут претерпевать вековые изменения, что будет приводить к их выходу из зоны обитаемости.

Менее строгим является понятие галактической зоны обитаемости. В этом случае речь идёт о возможности длительного существования и развития жизни, которым могут угрожать такие внешние воздействия, как взрывы сверхновых, близкие пролёты звёзд, попадание в плотные молекулярные облака. В некоторых областях галактик такие события более вероятны, в некоторых — менее. Выделенной считается зона коротации, в которой скорость движения звезды диска вокруг центра галактики примерно равна скорости спирального узора. Тогда звезда и её планеты реже оказываются вблизи рукавов, где опасные воздействия более вероятны. Именно такое положение, согласно многим моделям, занимает наше Солнце.

Биомаркеры

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
16. Периодическая таблица, в которой разными цветами указано происхождение химических элементов (Cmglee, с изм.). В нашей вселенной углерод занимает четвёртое место по распространённости, а в первую тройку, кроме гелия, входят водород и кислород, составляющие вместе воду. Иначе говоря, углерод и вода — основа нашей жизни — чрезвычайно распространены.
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
17. Получение и анализ спектра солнечных лучей. «Мы никогда не сможем ничего узнать о химическом составе звёзд», — писал философ Огюст Конт в 1842 году. Однако уже в 1854 году был открыт спектральный анализ, который позволил вскоре определить элементный состав Солнца, а затем и других звёзд. А в 2010 году впервые удалось зарегистрировать спектр экзопланеты (HR 8799 c).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
18. Чтобы получить спектр планеты, нужно: 1) получить суммарный спектр звезды и планеты, 2) дождаться ситуации, когда планета окажется за звездой, и получить спектр звезды, и 3) вычесть одно из другого (NASA/JPL-Caltech/R. Hurt, SSC/Caltech).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
19. Спектр Земли с указанием биомаркеров. Если в спектре экзопланеты будут обнаружены все эти пять веществ (кислород, озон, углекислый газ, метан, вода), это будет надёжным свидетельством существования там жизни земного типа (Kaltenegger, Traub, 2009).

Третьим пунктом на пути установления потенциальной обитаемости планеты является обнаружение биомаркеров в её атмосфере.

Обнаружив планету земного типа на устойчивой примерно круговой орбите в зоне обитаемости у звезды Главной последовательности с подходящим возрастом, мы относим её к потенциально обитаемым. Следующим шагом должно стать изучение характеристик атмосферы такой планеты. Учёные пытаются выделить набор веществ, присутствие которых в атмосфере должно гарантировать существование на планете жизни земного типа. При этом спектральные линии соответствующих молекул должны быть обнаружимы современными средствами или хотя бы инструментами, которые могут быть созданы в ближайшем будущем. Такие вещества называют биомаркерами.

Для земной жизни важны разные вещества. Кроме воды и кислорода важную роль в биохимии играют, например, сера и фосфор, однако следы присутствия соединений с этими элементами будет трудно обнаружить в атмосферах потенциально обитаемых планет. Кроме того, важно выбирать такие вещества и их комбинации, которые трудно объяснить естественными небиологическими (абиогенными) процессами. Так, например, сосуществование в земной атмосфере кислорода (O2) с метаном (CH4) и закисью азота (N2О) требует биологических процессов.

К основным биомаркерам относят молекулы O2, O3, H2O, CH4, CO2, N2O (некоторые вещества должны присутствовать в значительных количествах, как, например, кислород, поскольку малые его количества могут быть абиогенными). Иногда в список включают также аммиак (NH3) и некоторые другие соединения. По отдельности эти вещества могут иметь абиогенное происхождение, но наличие их всех вместе с высокой вероятностью указывает на проявление жизни, подобной нашей.

Обнаружение присутствия линий биомаркеров в спектрах землеподобных планет — очень трудная задача. Речь идёт об очень слабых объектах, поэтому необходимы крупные инструменты. Основные линии находятся в инфракрасной части спектра, где земная атмосфера недостаточно прозрачна. По этим причинам основные результаты, по-видимому, будут получать в рамках специальных космических проектов, подобных Darwin («Дарвин») и TPF (Terrestrial Planet Finder), которые, к сожалению, не были включены в реализующиеся космические программы. На сегодняшний день основные надежды связаны со следующим поколением крупных наземных телескопов с диаметрами зеркал 30–40 м и с космическим телескопом James Webb.

По всей видимости, поиск спектральных линий H2O, CH4, CO2 нужно будет вести из космоса, так как они лежат в основном на длинах волн более 5 мкм, а в этом диапазоне наша атмосфера почти непрозрачна. Для наземных телескопов ближайшей задачей будет обнаружение кислорода в спектрах транзитных планет. К сожалению, чтобы накопить достаточный сигнал, придётся наблюдать много прохождений планеты по диску звезды, поэтому результат может быть получен лишь за довольно длительное время. Расчёты показывают, что для этого лучше всего подходят транзитные планеты в зонах обитаемости вокруг красных карликов. К сожалению, как уже было отмечено выше, это не лучшие кандидаты в двойники Земли, в том числе и по той причине, что сильное ультрафиолетовое излучение, возникающее при мощных вспышках на маломассивных звёздах, разрушает молекулы ДНК. Для обнаружения линий всех основных биомаркеров понадобятся специальные космические проекты.

Также нужно помнить, что обитаемая планета — это не обязательно точная копия современной Земли. Свойства атмосферы нашей планеты 1–2 млрд лет назад заметно отличались от сегодняшних, хотя Земля в то время уже была обитаемой. Расчёты учитывают и это: моделируется изменение спектра земной атмосферы с течением времени, и, возможно, это поможет в поисках. Гораздо труднее будет доказать существование жизни, не похожей на земную.

Другие формы жизни

Определение жизни

Определение жизни («самоподдерживающаяся химическая система, способная к дарвиновской эволюции») оставляет в стороне существование (и, возможно, недарвиновскую эволюцию) технических систем или компьютерных программ, а также развитие цивилизации, освоившей генную инженерию (исключающую естественный отбор из биологической эволюции). Такой подход оправдан, поскольку для появления самоэволюционирующих роботов или компьютерных кодов, равно как и высокоразвитой цивилизации, необходим предшествующий этап эволюции химических систем под действием естественного отбора.

Альтернативы воде

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
20. Планета, на которой аммиак выполняет функцию воды (рисунок). Аммиачные океаны, вероятно, выглядели бы голубыми, как и водные. Однако в отличие от воды аммиак может растворять щёлочноземельные металлы, и океан становится золотисто-бронзовым, как показано здесь. Красновато-оранжевый цвет в атмосфере обусловлен оксидами азота. Аммиачные облака и лёд — белые, как и водные. Растительность, возможно, будет чёрной, чтобы собрать больше света (ttiz / wikipedia.org).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
21. В научно-фантастической повести Ивана Ефремова «Сердце змеи» (1958 год) описывается биосфера и высокоорганизованная разумная жизнь с биохимией, основанной на фтороводороде (илл. Анатолия Дубовика для обложки книги издательства ЭКСМО).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
22. Гипотетическое животное в атмосфере экзопланеты (рисунок Адольфа Шаллера, planetary.org).

Земная жизнь использует воду как растворитель и основана на углеродных соединениях, а окислителем является кислород, также большую роль в биохимии играет фосфор. Возможны ли иные варианты, при которых основой существования жизни являются другие вещества? Пока у нас есть лишь гипотезы на этот счёт, но некоторые из них обсуждаются достаточно серьёзно.

Лабораторные эксперименты продемонстрировали возможность существования ДНК, использующих другие азотистые основания (или же их количество может отличаться от того, что используют все существа на Земле). Кроме того, нет сомнений в том, что можно менять и расширять список аминокислот, используемых живыми организмами, поэтому, безусловно, возможно существование жизни, основанной на углероде и воде, но использующей другой «биохимический набор».

Кроме того, вода не является единственно возможным растворителем для обеспечения существования жизни. Безусловно, в некотором диапазоне температур вода — лучший вариант, особенно для углеродной жизни (кроме того, вода и углерод более распространены, чем возможные альтернативы). Однако есть и другие жидкости, которые могут выполнять эту роль. Важно, чтобы это был так называемый полярный растворитель, к числу которых помимо воды относятся спирты, аммиак, формамид (амид муравьиной кислоты) и некоторые другие жидкости. В экзотических условиях растворителем могут быть жидкие сероводород (H2S) и углекислый газ (CO2). Некоторые исследователи рассматривают в качестве подходящего вещества даже серную, плавиковую и синильную кислоты! Разумеется, если мы меняем растворитель, то меняется вся биохимия, в том числе придётся заменить молекулу ДНК на другой молекулярный носитель генетической информации.

Аммиак является одним из лучших кандидатов на роль растворителя. Во многом он похож на воду, и довольно легко представить некоторые основы биохимии с аммиаком в качестве растворителя. Разумеется, биомолекулы претерпят изменения: например, во многих случаях двойная связь углерод — кислород заменится на углерод — азот. Оставаясь жидким при более низких температурах, чем вода, аммиак мог бы служить основой жизни на холодных телах. Однако некоторые особенности этой жидкости (например, аммиачный лёд тяжелее жидкой фазы, поэтому океан, скажем, может легко промёрзнуть целиком) могут помешать развитию жизни более высокого уровня, чем бактериальный.

Хорошим вариантом является смесь воды и аммиака, поскольку она может оставаться жидкой при низких температурах, по той же причине в качестве альтернативы рассматривается и смесь воды с перекисью водорода, ещё одним хорошим кандидатом в растворители в холодных мирах является метанол. А вот метан является неполярным растворителем и хуже подходит на роль «жидкости жизни». Кроме того, жидкий метан требует низких температур, при которых все химические процессы протекают медленно, так что формирование сложных структур, необходимых для появления жизни, может быть невозможным. Тем не менее некоторые учёные полагают, что даже метан может стать средой, пригодной для зарождения и существования жизни (например, на Титане).

Некоторые потенциально хорошие растворители (скажем, формамид) являются слишком редкими, чтобы серьёзно рассматривать их в качестве основы для биосферы. Однако в некоторых (тоже редких) условиях они могут прекрасно подойти на эту роль.

Рассматриваются и совсем экзотические варианты жидких растворителей, существующих при экстремальных условиях. Например, это жидкий молекулярный водород (H2) в недрах планет-гигантов, или жидкий азот, который может существовать на поверхности спутника Нептуна — Тритона. Жидкий азот рассматривали и как растворитель для жизни, основанной на кремнии (вместо углерода).

Альтернативы углероду

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
23. Существо из мира кремниевой жизни (рисунок Lei Chen and Yan Liang, BeautyOfScience.com, for Caltech).

Жизнь, основанная на кремнии, давно прижилась в качестве элемента научной фантастики. Однако некоторые исследователи сохраняют надежду, что и в реальной жизни биохимические полимеры могут в качестве основного элемента использовать кремний (Si). Разумеется, речь должна идти об условиях, в которых углеродная жизнь совершенно невозможна, поскольку в противном случае углерод будет иметь серьёзные преимущества с точки зрения химии, а также с точки зрения обилия его соединений в природе (например, в межзвёздной среде обнаружены многие десятки молекул с участием углерода, в том числе довольно сложные, и лишь несколько молекул с атомами кремния). Такими условиями могут быть очень высокие или низкие температуры, а также высокое давление.

Согласно некоторым оценкам, жизнь на основе кремневодородов (так называемых силанов — аналогов углеводородов) могла бы возникнуть в бескислородной атмосфере, в безводной среде, при низкой температуре и высоком давлении и при дефиците углерода. Понадобится подходящий растворитель, которым мог бы быть метанол (менее вероятно, что подойдёт метан). Однако среди известных небесных тел нет подходящих кандидатов с подобными условиями.

Другие типы кремниевой жизни (например, основанные на силиконе или силикатах) сейчас не рассматриваются как реалистичные. Во многом это связано с отсутствием подходящих растворителей для тех условий, в которых такие формы теоретически могли бы существовать.

Кремний может заменять углерод не полностью, а лишь частично: биохимия может быть построена и на углероде, и на кремнии одновременно. Эксперименты показывают, что в некоторых биологически важных молекулах часть атомов углерода может быть заменена на кремний. Но поскольку связь углерод — углерод сильнее, атомы углерода чаще будут связываться друг с другом, чем с кремнием. Разумеется, кремний играет важную роль в существовании земных организмов, и легко представить себе существа или растения, где его вклад ещё больше.

Кроме кремния обсуждались и другие элементы, которые могли бы потенциально заменить углерод, — бор, азот, фосфор, сера, германий. Однако анализ показывает, что при этом возникают сложности, которые кажутся непреодолимыми.

Лабораторные эксперименты, особенно в области синтетической биологии, могут пролить свет на возможность существования жизни, основанной на других биохимических наборах. Если такая жизнь возможна, исследования помогут сформулировать набор биомаркеров для её дистанционного поиска. Для поиска «другой» жизни необходимы другие биомаркеры.

Поиск внеземного разума

 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
24. Все 4,6 млрд лет своей эволюции Земля из космоса выглядела просто маленькой голубой точкой. Анализируя земную атмосферу, инопланетные астрономы скорее всего смогли бы понять, что Земля обитаема. 120 лет назад был послан первый радиосигнал, а спустя ещё несколько десятков лет появляется телевидение и большие военные радары, мощное излучение которых позволило бы инопланетным астрономам сделать однозначный вывод о какой-то разумной деятельности на Земле. Интересно, что наблюдатели, живущие дальше, чем 70–100 световых лет от нас, до сих пор не подозревают о наличии на Земле разумных обитателей — потому, что сигналы ещё до них не долетели.
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
25. Разрушающаяся сфера Дайсона (рисунок Danielle Futselaar/SETI International). Сфера Дайсона — гипотетическая астроинженерная конструкция, предложенная американским физиком-теоретиком Фрименом Дайсоном. Это гигантская сферическая оболочка вокруг звезды (радиусом порядка радиуса орбит планет) для максимального использования излучаемой звездой энергии.
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
26. Схематичное изображение процесса анализа радиосигнала на экране проекта SETI@home. Это научный некоммерческий проект, использующий свободные вычислительные ресурсы на компьютерах добровольцев для анализа радиосигналов с целью найти признаки внеземного разума. За 20 лет работы были обработаны все имеющиеся данные и 31 марта 2020 года проект был заморожен. (wikipedia.org/wiki/SETI@home).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
27. В 1977 году был зарегистрирован сигнал, вошедший в историю под названием «Wow!». Наблюдаемая последовательность букв и цифр (степень интенсивности сигнала) представлялась не случайной и говорила вроде бы о наличии внеземного разума. Эта распечатка хранится в коллекции Исторического Общества штата Огайо (wikipedia.org/wiki/Wow!_signal)
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
28. Вид пластин из анодированого золотом алюминия размером 152×229 мм, установленных на космические аппараты Пионер-10 и Пионер-11. На этих посланиях внеземному разуму изображены: молекула нейтрального водорода; фигуры мужчины и женщины на фоне контура аппарата; относительное положение Солнца относительно центра Галактики и четырнадцати пульсаров; схематическое изображение Солнечной системы и траектория аппарата относительно планет (wikipedia.org/wiki/Pioneer_plaque).
 
 Стенгазета «Поиски жизни во Вселенной»
29. В 1961 г. была предложена формула Дрейка для оценки числа внеземных цивилизаций, способных к контакту. К сожалению, пока половина коэффициентов в этом уравнении известна плохо (wikipedia.org/wiki/Drake_equation).

Обнаружение хотя бы следов существования внеземных цивилизаций было бы грандиозным событием для всего человечества (что уж говорить об установлении контакта!). Однако, несмотря на серьёзные усилия, прилагаемые в течение более чем полувека для обнаружения сигналов внеземных цивилизаций, такой поиск пока дал только отрицательные результаты.

Исторически первым появился термин CETI (Communication with ExtraTerrestrial Intelligence, Коммуникация с внеземным разумом), предложенный в 1965 г. Рудольфом Пешеком (Rudolf Pesek). Однако довольно быстро стало понятно, что связь (контакт) — это дело отдалённого будущего, а пока речь идёт только о поиске (search), поэтому термин CETI был заменён на SETI (Search for ExtraTerrestrial Intelligence, Поиск внеземного разума). Именно эта аббревиатура сейчас является общеупотребительной для обозначения широкого круга вопросов, связанных с изучением проблемы поиска и существования внеземных цивилизаций. Но, несмотря на более чем полувековые усилия, никаких значимых следов существования внеземного разума не обнаружено.

Безусловно, вопросы обитаемости других миров давно занимали умы учёных, писателей и философов. Однако до середины XX в. это в основном были отдельные отрывочные теоретические изыскания, часто связанные с обсуждением вопросов существования жизни на Марсе и связи с тамошними обитателями. Современная история проблемы внеземных цивилизаций и SETI начинается в 1959 г., когда Филип Моррисон (Philip Morrison) и Джузеппе Коккони (Guiseppe Cocconi) опубликовали свою работу в журнале Nature, где обсудили перспективы поиска сигналов внеземных цивилизаций в радиодиапазоне.

Современная история SETI начинается со статьи Моррисона и Коккони (1959 г.).

Независимо от этой работы в 1960 г. Фрэнк Дрейк (Frank Drake) начал поиски таких сигналов на 26-метровом телескопе в Грин-Бэнк (Green Bank) в Западной Виргинии. В рамках этого проекта, получившего название Ozma («Озма» — в честь принцессы страны Оз из книги Ф. Баума), наблюдались звезды эпсилон Эридана и тау Кита. С тех пор во всем мире было осуществлено около сотни проектов по поиску искусственных радиосигналов внеземного происхождения на различных радиотелескопах, включая наиболее крупные (Arecibo («Аресибо»), РАТАН-600, Parkes («Паркс») и др.).

Уже в 1960 г. начались поиски сигналов внеземных цивилизаций в радиодиапазоне.

Поиск был рассчитан на разные виды сигналов. Это может быть собственно «послание» — специальный сигнал, призванный привлечь внимание к внеземной цивилизации и, возможно, несущий информацию о ней. Но это может быть и «шум», связанный с работой разнообразных установок (например, Земля неплохо «видна» с ближайших звёзд в радиодиапазоне из-за работы телевизионных станций и радаров). Наконец, может быть перехвачен сигнал, не предназначенный для нас: например, сигнал мощных радаров.

Хотя многократные дискуссии обычно заканчиваются выводом, что именно радиодиапазон наиболее пригоден для поисков сигналов внеземных цивилизаций, тем не менее обсуждались и другие подходы. Наибольшее развитие получила концепция оптического SETI, предложенная в 1961 г. Робертом Шварцем (Robert Shwartz) и Чарльзом Таунсом (Charles Townes), изобретателем лазера. Именно возможность посылать очень узкие световые пучки с помощью лазера позволяет использовать оптический канал связи. Было осуществлено несколько проектов по поиску оптических сигналов внеземных цивилизаций (в СССР такими работами занимались Викторий Шварцман в Специальной астрофизической обсерватории и его ученики). Разрабатываются подобные программы наблюдений, а также оборудование для них и в наши дни. Многие полагают, что такой вид связи предпочтительнее для передачи информации после установления контакта, когда ясно, куда точно нужно посылать сигнал.

Обсуждался также ряд экзотических подходов по поиску искусственных сигналов, основанных на использовании рентгеновского, гамма- и даже нейтринного и гравитационно-волнового излучений. Однако очевидно, что радиосвязь и оптическая связь имеют неоспоримые преимущества.

Особняком стоит концепция поиска «космических чудес», предложенная в середине 1960-х гг. Николаем Кардашевым. Его идея состоит в том, что результат деятельности развитой технической цивилизации может выглядеть как труднообъяснимый искусственный источник. Попытки обнаружить такие «астроинженерные» конструкции (например, сферы Дайсона) продолжаются и сейчас. Периодически появляются публикации, когда тот или иной необычный источник, для поведения которого не удаётся придумать хорошего естественного объяснения, становится предметом обсуждения в контексте «космических чудес», как было, например, со звездой KIC 8 462 852.

Кроме пассивных поисков сигнала обсуждалась и проводилась деятельность по отправке посланий с Земли. Она получила наименование METI (Messaging to ExtraTerrestrial Intelligence). В первую очередь это радиопослания, но информация о Земле и её обитателях была также размещена на космических аппаратах Pioneer 10, Pioneer 11, Voyager 1 и Voyager 2. В этом вопросе особенно интересен гуманитарный аспект, связанный с отбором посылаемой информации (включая изображения и звук).

1960-е гг. были временем активных дискуссий и поисков сигналов внеземных цивилизаций. Проводился ряд встреч и конференций (в нашей стране первое совещание по проблемам SETI прошло в 1964 г. в Бюраканской астрофизической обсерватории). Практически к середине 1970-х гг. все основные идеи в области SETI были уже сформулированы. Большой вклад в развитие проблематики поисков внеземных цивилизаций внесли Иосиф Шкловский в СССР и Карл Саган в США. Книги и статьи этих авторов существенно повлияли на развитие всего направления по исследованию вопросов, связанных с внеземной жизнью.

За полвека в рамках SETI было реализовано около 100 проектов, продолжают создаваться новые проекты. Среди крупных проектов по поиску внеземных цивилизаций можно упомянуть Phoenix («Феникс») и SERENDIP (Search for Extra-Terrestrial Radio Emissions from Nearby Developed Intelligent Populations, Поиск внеземных радиоизлучений от близких развитых цивилизаций). Для наблюдений использовались различные инструменты, в том числе 300-метровая антенна в Аресибо. В настоящее время создаётся проект Allen Telescope Array (Массив телескопов Аллена), который будет состоять из 350 антенн, предназначенных для поиска радиосигналов (42 из них уже работают). Большую популярность получил проект SETI@home, в рамках которого все желающие могут использовать свои домашние компьютеры для распределённой обработки данных, полученных в рамках проекта SERENDIP, с целью поиска в гигантском массиве радиоданных необычных по своим характеристикам радиосигналов. В 2015 г. Юрий Мильнер объявил о начале программы Breakthrough Listen, задачей которой является поиск сигналов внеземных цивилизаций в радио- и оптическом диапазонах. В будущем для нужд SETI будет использоваться и система антенн SKA.

К сожалению, у нас до сих пор не хватает данных для хотя бы примерных оценок распространённости цивилизаций, с которыми мы могли бы установить контакт. На настоящий момент время жизни нашей цивилизации на стадии существования радиосвязи составляет всего лишь чуть более 100 лет, а история радиоастрономии насчитывает и того меньше. Учитывая, что возраст Галактики в сто миллионов раз больше, и в ней находится несколько сотен миллиардов звёзд, можно было бы предположить наличие огромного числа внеземных цивилизаций, уровень развития которых на миллиарды лет опережает наш. Здесь мы имеем дело с «парадоксом Ферми», который сводится к простому вопросу: «Где же они все?» В самом деле, столкнувшись с «великим молчанием Вселенной», мы оказываемся перед непростой проблемой — объяснить, почему технические цивилизации, подобные нашей и более развитые, столь редки. Это может быть связано, например, с исключительными свойствами Земли, с редкостью появления разумной жизни или с недостаточной длительностью стадии, на которой цивилизация способна на межзвёздный контакт и заинтересована в нем.

Для оценки числа внеземных цивилизаций, способных к контакту, в 1961 г. была предложена знаменитая формула (она же уравнение) Дрейка. Она обсуждалась на первой серьёзной встрече (мини-конференции) в Грин-Бэнк по проблеме поисков и контактов с внеземными цивилизациями. Дрейк записал простое уравнение, где ожидаемое количество цивилизаций, способных в настоящий момент к контакту (в первую очередь посредством радиосвязи), оценивалось как произведение семи сомножителей: темп звездообразования в Галактике; доля звёзд, имеющих планеты, потенциально пригодные для жизни (землеподобные планеты в зонах обитаемости); число таких планет в системе; доля планет, на которых появилась жизнь; доля обитаемых планет с разумной жизнью; доля цивилизаций, достигших соответствующего уровня технологии; продолжительность существования цивилизации на технологической стадии, когда возможен контакт.

Первый сомножитель известен достаточно хорошо: в Галактике образуется несколько звёзд в год. В настоящее время благодаря исследованиям экзопланет мы неплохо знаем долю звёзд, имеющих планеты (в том числе землеподобные в зоне обитаемости), и типичное число таких планет в системе. Произведение этих трёх величин по порядку величины равно 1/год. В ближайшие годы или десятилетия, видимо, удастся надёжно оценить долю обитаемых планет среди потенциально пригодных для жизни. Что касается появления разумной жизни, развития технологий и времени существования технических цивилизаций, то здесь существует полная неопределённость — ситуация мало изменилась с 1961 г. Поэтому пока невозможно провести сколько-нибудь надёжную оценку с помощью формулы Дрейка.

По всей видимости, если когда-нибудь мы обнаружим внеземные цивилизации или получим важные результаты в этой области (скажем, сможем получить хорошие оценки для множителей в уравнении Дрейка), то это произойдёт не в результате специализированных поисков в рамках программы SETI, а в результате астрономических изысканий, прежде всего обзоров неба в разных диапазонах и изучения экзопланет.

Рекомендуемая литература

По вопросам происхождения жизни можно порекомендовать недавнюю книгу М. Никитина «Происхождение жизни. От туманности до клетки» (М.: Альпина нон-фикшн, 2016).

По различным аспектам изучения возможности существования жизни во Вселенной можно рекомендовать книгу D. Schulze-Makuch, L. N. Irwin «Life in the Universe» (Springer, 2008).

По ранним аспектам проблемы SETI и истории развития этого направления в 1960–1980-е гг. прекрасным источником является книга Л. М. Гиндилис «SETI: Поиск внеземного разума» (М.: Физматлит, 2004). Отметим, однако, что в ряде мест в книге некритически излагаются лженаучные идеи и модели.

Ряд англоязычных материалов по проблемам существования и поисков внеземной жизни доступен на сайте Национальной академии наук США.

В частности, по теме «Другая жизнь» можно порекомендовать отчёт «Organic life in planetary systems» (2005), в котором обсуждаются различные варианты альтернативной биохимии и предлагаются основные направления по изучению этой темы. Также в этой небольшой книге кратко обсуждаются химические основы земной жизни.

Научно-популярные книги на русском языке с подробным рассказом о разных областях астрофизики и космологии можно начать искать с «Книжного клуба» на сайте «Элементы.ру»

Научно-популярная страница С Б. Попова. Здесь размещены книги, статьи, лекции, записи выступлений на радио и телевидении, календарь научно-популярных лекций и пр., а также сведения об авторе.

Заключение

Однако астрономия замечательна тем, что кроме описаний на страницах книг (с формулами или без), кроме научно-популярных лекций и видеороликов, кроме компьютерных симуляторов и планетариев у всех у нас есть звёздное небо над головой. Даже небольшой телескоп может показать много интересного: кратеры на Луне и кольца Сатурна, спутники Юпитера и россыпи рассеянных звёздных скоплений, разноцветные кратные звёзды и туманность Андромеды. Увиденное своими глазами, уверен, останется у вас в памяти и вызовет ряд вопросов, и вот тогда пригодятся книги и лекции. Но не забывайте сами смотреть на звёзды!
 

Ссылка для цитирования:
Попов С. Б. Поиски жизни во Вселенной // Благотворительная газета «Коротко и ясно о самом интересном» (редактор выпусков Попов Г. Н.). Вып. 135. 2020 г. [url: к-я.рф/135].
 

Спасибо, друзья, за внимание к нашей публикации. Мы были бы вам очень признательны за оставленный отзыв. В наших следующих выпусках будут и другие интересные темы. Напоминаем, что наши партнёры в своих организациях бесплатно раздают наши стенгазеты.
 

Читайте и другие наши выпуски, посвящённые астрономии и космонавтике:

111. Наследники Спутника. 60 самых известных непилотируемых космических аппаратов — межпланетных зондов, посадочных станций и роверов. Материал выпуска подготовлен Северо-Западной межрегиональной общественной организацией Федерации космонавтики России.

109. Как устроена Вселенная? Рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших фактах, лежащих в основе современной картины мира.

108. Главные астрономические открытия. Рассказ астрофизика Сергея Попова о десяти важнейших астрономических открытиях со времён Галилея до наших дней.

91. Подвиг Гагарина. Устройство космической ракеты и порядок взлёта и приземления.

74. Лучшие фотографии космического телескопа Хаббл.

58. «Заправлены в планшеты космические карты». Масштабы Космоса.

51. Сокровища новогоднего неба.

44. Коротко и ясно о метеоритах. Рассказ астрофизика Дмитрия Вибе.

27. Космический дом. Устройство МКС. Рассказ астронавта Европейского космического агентства Франка Де Винне и его жены, журналиста Лены Де Винне.

11. День космонавтики. От крыльев Икара до любопытного марсохода. Один из первых простеньких выпусков.
 
 

Ваш Георгий Попов, редактор к-я.рф


 
Этот выпуск напечатан благодаря дружеской поддержке нашего полиграфического партнёра — типографии «Любавич». Персональное спасибо Дмитрию Степанову.