Экзопланета Kepler-452b (справа) по сравнению с Землёй (слева). Изучать планеты, похожие на Землю, имеет смысл. Но может оказаться, что они не будут самыми вероятными кандидатами на обнаружение жизни в нашей Галактике или во Вселенной вообще.
Одна из наиболее захватывающей целей из тех, что поставило перед собой человечество – найти внеземную жизнь. Биологическую активность, появившуюся и не прекращающуюся на каком-нибудь мире за пределами Земли. Эту возможность подпитывает не только наше воображение. У нас полно непрямых свидетельств, определяющих другие потенциальные места, где могла бы появиться жизнь. Появиться в результате процессов, похожих на те, что происходили в прошлом Земли. Если сравнить существующие условия с тем, что, по нашему мнению, требуется жизни, предположения становятся осмысленными.
Рассуждать о том, сколько вообще может быть «потенциально обитаемых» планет – в Солнечной системе, в Млечном пути, в местной группе галактик, или даже в обозримой Вселенной – занятие интересное. Однако нужно честно описать предположения, используемые для получения этих оценок. Все они отражают наше невежество, и самый неприятный факт, который невозможно игнорировать: единственное место во всей Вселенной, где мы с определённостью знаем о появлении жизни – это наша планета. Всё остальное – лишь догадки. Если быть абсолютно честными с самими собой, приходится признать, что мы понятия не имеем, что делает планеты «потенциально обитаемыми».
Иллюстрация молодой солнечной системы в конце фазы формирования протопланетного диска. Хотя сейчас мы считаем, что понимаем, как сформировались Солнце и Солнечная система, этот ранний вид – всего лишь иллюстрация. Сегодня мы можем наблюдать только выживших. На ранних стадиях формирования небесных тел было гораздо больше.
Если бы мы не знали о Вселенной абсолютно ничего, кроме того, что мы живём на планете Земля, и что тут существует жизнь, мы бы всё равно имели право предполагать, что ещё может быть где-то там, далеко. Ведь, в конце концов:
- Мы живём на естественным образом сформировавшемся мире.
- Он состоит из простых ингредиентов – атомов, молекул, и т.п. – сформировавшихся естественным путём.
- Он вращается вокруг звезды, излучающей энергию относительно стабильным образом миллиарды лет.
- Жизнь на нашей планете сформировалась не позднее, чем через несколько сотен миллионов лет после формирования самой Земли.
Вполне разумно предположить, что существует естественное объяснение появления жизни в нашем мире. Тогда, если на других мирах окажутся такие же дружественные условия для жизни, которые на ранних этапах были на Земле, то, возможно, на этих мирах тоже могла бы появиться жизнь. Если правила, управляющие Вселенной, всюду одинаковы, тогда нам нужно лишь открыть и определить миры, где шли те же процессы, что породили жизнь на Земле. И, возможно, исследование этих «потенциально обитаемых» миров позволит нам обнаружить жизнь и там.
Дерево жизни иллюстрирует эволюцию и развитие различных организмов на Земле. Хотя все мы произошли от общего предка, жившего более 2 млрд лет назад, разнообразие форм жизни произошло благодаря хаотичным процессам. Они не повторятся в точности, даже если мы будем множество раз перематывать часы и снова запускать их.
Это, конечно же, легче сказать, чем сделать. Почему? Тут мы встречаемся с первым великим неизвестным: мы не знаем, как появилась жизнь. Даже если посмотреть на всю совокупность сегодняшних научных знаний, в наиболее важном их месте обнаружится пробел. Мы знаем, как формируются звёзды, как формируются солнечные системы и планеты. Мы знаем, как формируются ядра атомов, как они сливаются в недрах звёзд, создавая тяжёлые элементы, и как эти элементы перерабатываются во Вселенной, участвуя в сложной химии.
И мы знаем, как работает химия: атомы естественным путём связываются, порождая молекулы в большом разнообразии конфигураций. Эти сложные молекулы мы находим по всей Вселенной, от внутренностей метеоритов до выбросов молодых звёзд, от облаков межзвёздного газа до протопланетных дисков, находящихся в процессе формирования планет.
Имея всё это, мы не знаем, как перейти от сложной неорганической химии к настоящему биологическому организму. Проще говоря, мы не знаем, как из не-жизни сделать жизнь.
Чао Хэ объясняет, как работает PHAZER – камера для симуляции различных атмосферных условий, установленная в лаборатории Горста в университете Джонса Хопкинса. Органические молекулы и O2 удалось создать в неорганических процессах, но никто никогда не создавал жизнь из не-жизни.
И в данном случае я не преувеличиваю, говоря, что «мы не знаем». Несмотря на:
- поиски биологической активности на других планетах Солнечной системы, проходящие на пределе наших возможностей;
- спектроскопические снимки атмосфер всех экзопланет, которые мы только можем снимать;
- прямые съёмки различных экзопланет за счёт декомпозиции приходящего от них света;
- попытки синтезировать жизнь из не-жизни в лабораторных условиях;
- поиски признаков наличия технологий у потенциально разумных цивилизаций везде, где мы только можем искать;
у нас нет ни единого свидетельства в пользу существования жизни на любой другой планете, за исключением Земли. Несмотря на все собранные нами косвенные признаки в поддержку возможности возникновения жизни в мириадах различных мест, убедительные доказательства наличия жизни есть только для Земли, и там, куда мы отправили жизнь с Земли.
Вокруг звезды HR 8799 имеются четыре подтверждённые экзопланеты, и любая из них массивнее Юпитера. Все они обнаружены прямым наблюдением на периоде в семь лет, и подчиняются тем же законам планетного движения, что и планеты Солнечной системы – законам Кеплера.
Нельзя сказать, что мы ничего не знаем о возможностях существования жизни в других местах. Нам многое известно, и с каждым новым фрагментом информации мы учимся всё больше и больше. Мы, к примеру, знаем, как измерить, подсчитать и разбить на категории звёзды, находящиеся поблизости от нас, в нашей Галактике и даже по всей Вселенной. Мы узнали, что похожие на Солнце звёзды встречаются часто, и что у 15-20% всех звёзд температура, яркость и время жизни сравнимо с тем, что есть у нашего Солнца.
Интересно, что порядка 75-80% звёзд – это красные карлики. Их температура и яркость ниже солнечных, а время жизни гораздо больше. Эти системы по многим важным параметрам отличаются от наших: орбиты короче; планеты должны находиться в приливном захвате; нередки звёздные вспышки; звёзды испускают непропорционально большое количество ионизирующей радиации. Однако у нас нет способа оценить, обитаемы ли их планеты так же (или менее, или более обитаемы), как планеты, вращающиеся вокруг звёзд, похожих на Солнце. В отсутствии свидетельств чётких выводов сделать нельзя.
Иллюстрация художника потенциально обитаемой экзопланеты на орбите звезды, похожей на Солнце. За пределами Земли нам ещё предстоит найти первый обитаемый мир. Проект TESS составляет для нас список наиболее вероятных, первых кандидатов на это звание.
Что насчёт выученных нами уроков на основе нашей Солнечной системы? Может, Земля и уникальный мир среди тех, что есть в нашем космическом дворе – единственная планета, очевидно покрытая жизнью – но, возможно, не единственный мир, на котором жизнь была когда-то или процветает и сегодня.
На поверхности Марса, вероятно, в течение миллиарда лет была жидкая вода, перед тем, как он замёрз – могла ли процветать жизнь на нём в древней истории Солнечной системы? Может ли она выжить в подземных резервуарах сегодня?
У Венеры могло быть более умеренное прошлое, и жидкая вода могла присутствовать на её поверхности довольно долгое время. Могла ли она породить жизнь, и могла ли жизнь выжить в венерианских облаках, где условия больше похожи на Земные?
Что насчёт океанов, расположенных под поверхностью покрытых льдом миров, разогреваемых приливными силами – Энцелад, Европа, Тритон, Плутон? Что насчёт миров, на поверхности которых есть жидкий метан вместо жидкой воды, например, как у Титана? Что насчёт крупных миров с потенциальным наличием подземной воды, типа Ганимеда?
Пока мы всесторонне не исследуем эти ближайшие миры, мы должны признать своё невежество: мы даже не знаем, насколько заселена Солнечная система.
Глубоко под водой, куда не достаёт свет, вокруг гидротермальных источников Земли процветает жизнь. Один из величайших нерешённых вопросов сегодняшней науки – как создать жизнь из не-жизни. Но если жизнь может существовать и там, то, возможно, на дне морей Европы или Энцелада тоже существует жизнь. Научный ответ на эту загадку помогут дать данные в большем количестве и лучшем качестве, которые, вероятно, соберут и проанализируют эксперты.
Как насчёт жизни, существующей или появившейся в межзвёздном пространстве? Многим такая идея покажется притянутой за уши, однако, отследив историю жизни на Земле, мы увидим, насколько сложной она стала с момента своего появления. Сегодня жизнь состоит из десятков тысяч спаренных оснований у нуклеиновых кислот, кодирующих информацию.
И при этом, если посмотреть на базовые ингредиенты, которые мы находим по всей Вселенной, то среди них будут не только простые инертные молекулы. Мы обнаруживаем там такие органические молекулы, как сахара, аминокислоты, этилформиаты: молекулы, придающие запах малине. Мы находим сложные углеродные молекулы — полициклические ароматические углеводороды.
Мы даже аминокислот, появившихся естественным путём, нашли больше, чем их участвует в процессах жизнедеятельности на Земле. У нас есть всего 20 активных аминокислот, и все они имеют одну хиральность. Но в одном только мурчисонском метеорите нашли порядка 80 уникальных аминокислот, некоторые из которых «леворукие», а некоторые – «праворукие». Несмотря на успехи жизни на Земле, мы просто не знаем, возможны ли другие пути развития жизни, и насколько они более или менее вероятны.
В мурчисонском метеорите, упавшем на Австралию в XX веке, нашли большое количество аминокислот, не встречающиеся в нашей природе. То, что в обычном космическом камне можно найти более 80 уникальных аминокислот, говорит о том, что где-то во Вселенной могли сформироваться другие ингредиенты жизни, или даже сама жизнь. Возможно даже на планете, не имеющей родительской звезды.
Что насчёт нашего ближайшего окружения? Будет ли больше вероятность возникновения и процветания жизни в звёздных системах, где процент содержания тяжёлых элементов больше (или меньше)? Что насчёт газового гиганта типа Юпитера, расположенного в районе снеговой линии – хорошо это, плохо, или ни на что не влияет? Что насчёт нашего местоположения в рамках Галактики – особенное оно или обычное? Мы даже не знаем, по каким критериям стоит искать подходящих кандидатов на наличие жизни среди ~400 миллиардов звёзд в нашей Галактике.
И всё равно постоянно встречаются заявления, похожие на то, которое стало вирусным несколько недель назад – что в галактике Млечный путь существует 300 млн потенциально обитаемых планет. Подобные заявления делали и раньше, и будут делать ещё много раз, до тех пор, пока у нас не появится следующей осмысленной опорной точки в данных: планеты за пределами Земли, на которой мы найдём убедительные и надёжные признаки наличия биосферы (или хотя бы намёка на её наличие). А до тех пор все подобные заголовки следует рассматривать предельно скептически, поскольку мы очень мало знаем об обитаемости планет для того, чтобы даже обсуждать значение слов «потенциально обитаемая».
Если космические телескопы типа Кеплера или TESS будут долго рассматривать различные звёзды, они могут обнаружить периодические колебания светимости. Последующие наблюдения могут подтвердить наличие у них планет, и все данные вместе позволяют нам воссоздать их массы, радиусы и параметры орбит.
И я вовсе не принижаю невероятные успехи, достигнутые нами в области изучения экзопланет. Благодаря комбинации телескопов типа Кеплера или TESS, сверхчувствительных к периодическим изменениям яркости звезды, и крупных наземных телескопов, способных измерять периодические сдвиги спектральных линий в свете звёзд, мы нашли уже тысячи подтверждённых планет у других звёзд. В частности, в лучших случаях мы можем высчитать массу и радиус как планеты, так и звезды, а также температуру звезды и орбитальный период планеты.
Это позволяет нам предполагать о том, какой будет температура поверхности планеты, если у неё есть атмосфера, похожая на Земную. Всё это может звучать разумно, как и попытка приравнять «потенциальную обитаемость» к «её температура такова, что на поверхности может быть жидкая вода», однако это утверждение зиждется на куче предположений, основанных на шатких свидетельствах. На самом деле нам просто нужно получить данные лучшего качества перед тем, как делать осмысленные выводы насчёт обитаемости.
На сегодня нам известно уже более 4000 подтверждённых экзопланет, и 2500 из них мы нашли благодаря данным, собранным телескопом Кеплер. Диапазон размеров у них от больше Юпитера до меньше Земли. И всё же, из-за ограничений по размеру и длительности миссии Кеплер, большинство найденных планет слишком горячие и расположены слишком близко к своим звёздам на небольшом угловом разделении. У TESS была та же проблема с первыми из открытых им планет: в основном они были горячими, и находились близко к звёздам. Планеты с более долгим периодом обращения (например, несколько лет) мы сможем обнаружить только после специальных долговременных наблюдений (или прямых съёмок). На горизонте уже маячат новые обсерватории, и они должны открыть нам новые миры в тех местах, где сейчас у нас зияют пробелы.
В поисках жизни за пределами Земли важно оставаться как честным по отношению к текущему положению дел, так и открытым ко всему, что мы можем обнаружить в будущем. Мы знаем, что на Земле жизнь появилась довольно рано, и с тех пор выжила и процветает. Мы знаем, что если мы ищем планеты с похожими историями, свойствами и условиями, мы, вероятно, найдём близлежащие планеты с похожим уровнем успеха. Это консервативный и в высшей степени разумный способ поиска.
Однако такое ограничено по своей сути. Мы не знаем, не будет ли настолько же (или даже более) вероятным появление жизни на других мирах с другой историей, свойствами и условиями. Мы не знаем, как эти вероятности распределяются среди мириад планет Вселенной. И мы не знаем, каковы шансы на появление сложной, разнообразной, макроскопической или даже разумной жизни после того, как жизнь всё-таки сможет укорениться. Есть все основания полагать, что в других местах Вселенной тоже существует жизнь, и сильная мотивация к её поискам. Но пока у нас не будет лучшего понимания того, где есть жизнь, а где её нет, у нас нет возможности оценивать, сколько «потенциально обитаемых» миров может существовать.
Автор: Вячеслав Голованов
