Все эти миры — ваши. Научные поиски внеземной жизни

Если вам нравится искать ответы на фундаментальные вопросы, то трудно найти что-то более основополагающее, чем вопрос о том, сколько планет обращается вокруг обычной звезды. Возможно, немного меньше одной. Миллиарды звезд — миллиарды планет. Частота встречаемости, вычисленная на основе данных «Кеплера», может быть немного меньше, чем в действительности. Допустим, «Кеплер» рассматривал бы нашу Солнечную систему. Хотя его телескоп специально сконструирован для поиска планет, подобных Земле, вращающихся вокруг звезд, подобных Солнцу, он не смог бы обнаружить Марс из-за его слишком маленького размера. Юпитер тоже остался бы незамеченным, поскольку его период обращения вокруг Солнца составляет 11 лет, и за 4 года, которые «Кеплер» работал на орбите, ему в лучшем случае удалось бы зафиксировать только один транзит.

Рай и ад

В предисловии к роману «2001: Космическая одиссея» Артур Кларк указал на очень интересное совпадение: за спиной каждого живущего сейчас на Земле мужчины, женщины или ребенка стоят 30 призраков — людей, которые жили на нашей планете от тех первых поколений, кого уже можно считать людьми, до наших дней. Больше 100 млрд душ бродят по Земле в поисках дома. Кларк отмечает, что в нашей галактике Млечный Путь насчитывается несколько сотен миллиардов звезд, и рассуждает о том, что большая часть из этих далеких солнц почти наверняка имеет свои планеты. В таком случае можно себе представить, что у каждого человека, который когда-либо жил на Земле, существует свой собственный мир, свой личный рай или ад, где наши предки могут жить вечно. Сегодня мы уже знаем, что предвидения Кларка оказались реальностью: в нашей Галактике действительно существуют миллиарды планет, удивительных и невероятных.

Но есть ли где-то между раем и адом планеты, похожие на Землю? Каменные миры с твердой поверхностью и умеренными температурами — миры, где при наличии атмосферы может присутствовать вода в жидком состоянии? Возможно, поставив перед собой задачу найти Землю 2.0 — мир, равный Земле по массе и условиям на поверхности, мы задали слишком узкие параметры поиска? Но на основании открытий «Кеплера» мы можем с уверенностью сказать, что землеподобные, обладающие твердой поверхностью планеты, лежащие в пределах зоны обитания, совсем не редкость в нашей Галактике. Нам уже известно несколько десятков таких миров.

Среди них есть такие планеты, как Глизе 667 Cc, достойные фигурировать на страницах самых невероятных научно-фантастических романов. Глизе 667 — тройная звездная система, расположенная в 23 световых годах от Земли. Звезды A и B занимают внутреннюю двойную орбиту, а третья, меньшая по размеру звезда, Глизе 667 C, масса которой равна лишь 30 % массы нашего Солнца, обращается вокруг них с интервалом в несколько сотен лет.

У этой небольшой тусклой звезды есть по крайней мере две планеты, обнаруженные методом доплеровской спектроскопии, и, возможно, еще пять (если вы верите в слабо различимые спектральные признаки, которые вполне могут оказаться шумом) — итого семь. Наше внимание привлекает Глизе 667 Cc, вторая подтвержденная планета в этой системе. Ее масса примерно в четыре раза превосходит массу Земли, и, хотя ее орбитальный радиус в четыре раза меньше, чем расстояние от Меркурия до нашего Солнца, она лежит в пределах зоны обитаемости своей относительно холодной родительской звезды.

Это удивительный и загадочный мир. Он получает лишь на 10 % меньше энергии, чем Земля получает от Солнца, — очень даже неплохо. В этом мире солнце кажется тусклым красным шаром по размеру в два раза большим, чем наше Солнце, большая часть его излучения лежит за пределами той части спектра, к которой приспособилось наше зрение в ходе эволюции. Звезды класса М, обладающие малой массой, характеризуются значительно большей электромагнитной активностью, чем наше Солнце, и регулярно выбрасывают огромные протуберанцы, поэтому близкое расположение зоны обитаемости создает угрозу для любых форм жизни на поверхности планет.

Слишком уж экзотично, на ваш взгляд? Ну, ничто не сравнится с домом, это понятно. Тогда, может, что-нибудь попроще? Скажем, Кеплер 22b. Первый транзит Кеплер 22b был обнаружен телескопом «Кеплер» спустя всего лишь три дня после начала миссии — 12 мая 2009 г. Родительская звезда Кеплер 22 расположена на расстоянии 620 световых лет от Земли и очень похожа на Солнце, лишь немного меньше и холоднее. Радиус Кеплер 22b в 2,4 раза больше Земли, и, по всей видимости, она обладает твердой каменистой поверхностью.

Радиус орбиты Кеплер 22b немного меньше земного, но, поскольку Кеплер 22 чуть холоднее, чем наше Солнце, Кеплер 22b, вероятно, находится в пределах зоны обитания: если подсчитать равновесную температуру для этой планеты, окажется, что она равна 11 °C. Не забывайте, однако, что это минимальная температура на планете без учета атмосферы, которая создает парниковый эффект.

Допустим, Кеплер 22b обладает атмосферой, сходной с атмосферой Земли. В этом случае температура на поверхности будет равна комфортным 22 °C, что немного теплее, чем средняя температура на поверхности Земли, равная 15 °C. Это прекрасно, но что, если атмосфера окажется больше похожей на атмосферу Венеры или даже Марса? Не стоит удивляться, если дополнительный нагрев поверхности за счет парникового эффекта в атмосфере окажется таким, как на Венере (слишком большим), или даже как на Марсе (практически нулевым). Возможно, это хорошая возможность проанализировать, каковы могут быть максимальные и минимальные значения температуры на Кеплер 22b с учетом того, что мы не знаем состава ее атмосферы.

Хотя Кеплер 22b представляет для нас большой интерес, мы, сожалению, не знаем ее массу. Более того, хотя мы предполагаем, что орбита Кеплер 22b круговая, существует вероятность, что она окажется эллиптической, и, двигаясь по орбите, планета будет входить в зону обитания и выходить из нее, что приведет к возникновению разительных колебаний поверхностной температуры.

Иголки и стог сена

Обнаружение потенциально пригодных для жизни миров — мы будем называть их двойниками Земли — всегда вызывало огромный общественный резонанс. Но кроме открытия планет, о которых я рассказал вам ранее, «Кеплер» также дал нам не менее содержательную статистическую картину: оказалось, что количество двойников Земли в нашей галактике Млечный Путь исчисляется миллиардами. Существование таких двойников Земли — главная причина того, почему экзопланеты вошли в первую пятерку моего списка. Специализированные миссии, такие как «Кеплер», а также проведение спектроскопических измерений лучевой скорости звезд позволяют нам обнаружить планетные системы, где могут присутствовать условия для существования жизни.

Я намеренно выразился так осторожно, и слово «могут» тут ключевое. Лишь в нескольких случаях нам удалось измерить плотность планеты, и, следовательно, нельзя с уверенностью сказать, что это каменные миры, а не газовые. Некоторые из этих планет лежат в пределах зоны обитания своих родительских звезд — и, зная это, мы можем хотя бы приблизительно вычислить среднюю температуру на их поверхности. Атмосфера и условия, пригодные для жизни, могут существовать на одной из уже известных нам планет. Но у нас нет на этот счет никакой уверенности. Даже если мы обнаружим 1000 потенциально обитаемых миров, может оказаться, что 999 из них — стог сена и только один — иголка, которую мы ищем. Вероятность обнаружить действительно пригодный для жизни мир, не говоря уже о самой жизни, может оказаться даже меньше, чем это соотношение.

Мне хотелось бы еще раз предупредить, что желание ограничить наши поиски жизни исключительно землеподобными мирами говорит о недальновидности. Стоит лишь вспомнить миры в нашей Солнечной системе, которые совсем не похожи на Землю, но тем не менее представляют большой интерес для астробиологов. Мы только приступаем к поискам жизни на экзопланетах, и нам надо с чего-то начинать, а землеподобные миры в обитаемых зонах своих родительских звезд не хуже любого другого варианта.

На сегодняшний день перед нами «стог» землеподобных миров размером с галактику, и запланированные на следующее десятилетие космические миссии, вероятно, откроют еще больше. Однако после обнаружения подобных планет нас ожидает еще один важный этап — нам надо будет определить, есть ли у них атмосфера. И чтобы показать, зачем это нужно, я приглашаю вас бросить беглый взгляд из космоса на наш земной дом.

«Галилео»: можем ли мы обнаружить жизнь на Земле?

Когда в 1989 г. космический аппарат «Галилео» начал свое путешествие к Юпитеру, он двигался по сложной извилистой траектории вокруг планет внутренней Солнечной системы. «Галилео» облетел вокруг Венеры, а потом вокруг Земли, и даже не по одному, а по два раза, каждый раз совершая гравитационный маневр, увеличивавший его скорость. Прохождение в непосредственной близости от планет представляло собой уникальную возможность. Мог ли этот космический аппарат, построенный и оснащенный для исследования физического окружения Юпитера, повернуть свои камеры и датчики в сторону Земли? Какое представление о ней сложится у этого межпланетного исследователя? Сможет ли «Галилео» установить наличие жизни на Земле?

Карл Саган был среди тех, кто хорошо понимал, что пролет «Галилео» на близком расстоянии от Земли — уникальная возможность смоделировать сближение межпланетного космического зонда с живой планетой. Что же получилось в результате? «Галилео» сблизился с Землей в декабре 1990 г., а еще три года спустя в научном журнале Nature появилась большая статья, написанная группой ученых под руководством Карла Сагана. Статья была озаглавлена «Поиски жизни на Земле с борта космического аппарата „Галилео“». Так что же обнаружил «Галилео»?

Для начала: поверхностность Земли обладает характерным цветом — бортовой панорамный спектрограф обнаружил, что она сильно поглощает синюю и зеленую части видимого света. Инфракрасная область по соседству с видимой областью практически не затронута. Четкая граница поглощения получила название «красный край». Никакая известная нам горная порода или реголит не могли дать такого эффекта — это спектральный признак биологического пигмента хлорофилла, который выработался в результате многих миллионов лет эволюции. Хлорофилл поглощает синие и зеленые лучи солнечного спектра. Инфракрасные фотоны несут меньше энергии и просто отражаются, чтобы избежать перегрева.

Одним из важнейших наблюдений, выполненных «Галилео», был спектральный анализ нашей атмосферы, выявивший присутствие молекулярного кислорода и озона, а также небольших концентраций крайне редко встречающегося газа — метана. Вулканизм, поверхностная химия и реакции, проходящие в атмосфере под воздействием солнечного света, — все вместе не могут породить столько кислорода и метана, сколько присутствует в земной атмосфере. Такой состав атмосферы выглядит очень необычно, если не знать о существовании на поверхности Земли живых организмов, которые влияют на атмосферу посредством целого ряда биохимических реакций, которые мы называем обменом веществ.

Еще одна странная вещь — Земля постоянно генерирует какие-то электромагнитные колебания в радиодиапазоне. И это не короткие вспышки, связанные с молниевыми разрядами, а причудливая какофония пульсирующих узкополосных радиосигналов. И наконец, вы можете задаться вопросом, получил ли «Галилео» снимки поверхности, на которых были бы видны наши города и следы присутствия человечества. Как выяснилось, на таком близком расстоянии, когда можно было разглядеть мельчайшие детали, «Галилео», пролетавший над Западной Австралией и Антарктидой, не заметил ни одного созданного человеком объекта размером более километра.

Эти четыре составляющих наблюдений «Галилео» — цвет поверхности, химический состав атмосферы, радиоизлучение и искусственные сооружения на поверхности планеты — были названы «критериями существования жизни» Сагана. На мой взгляд, не имеет смысла использовать наблюдения «Галилео» как стандартный метод поиска жизни за пределами Земли, поскольку в таком случае мы будем искать жизнь, в точности похожую на современную земную. Но эксперимент «Галилео» позволяет сделать более универсальные выводы, с которыми мы уже сталкивались ранее на Марсе и Титане: биохимические процессы, которые определяют жизнь, и обусловленный ими химический состав атмосферы эволюционируют как единая физическая система. Это тот ключ, которым астробиологи надеются воспользоваться для обнаружения жизни на экзопланетах.

Ослепленные светом

Так что же мешает нам проанализировать спектр какой-нибудь экзопланеты и узнать состав ее атмосферы? Как выяснилось, света для этого вполне хватает. Многие планеты, обращающиеся вокруг видимых невооруженным глазом звезд, достаточно яркие, чтобы их можно было увидеть в наши лучшие телескопы. Газовые гиганты легче заметить, чем меньшие по размеру каменные планеты, поскольку они отражают больше света. Основная проблема связана с яркостью родительской звезды, которая может превышать яркость отраженного планетой света в десятки миллиардов раз. Он затмевает свет экзопланет. Кроме того, существует принципиальное ограничение для всех телескопов, которое не позволяет им получить четкое изображение удаленной звезды. Звезда всегда будет казаться немного размытой, в результате чего экзопланета тонет в ее пятне.

Но когда планета проходит перед диском родительской звезды, ее атмосфера ненадолго подсвечивается. Если атмосфера прозрачна, звездный свет может проходить через нее. И в таком случае какая-то его доля поглощается, но лишь на тех длинах волн, которые соответствуют присутствующим в атмосфере атомам и молекулам. Если в атмосфере есть углекислый газ, водяной пар, кислород, метан и им подобные газы, каждый из них оставит свою линию поглощения в общем спектре проходящего света звезды. Таким образом, транзиты дают нам непродолжительную, хотя и повторяющуюся возможность заглянуть в атмосферу планеты.

Итак, если мы направим самые чувствительные телескопы на самые перспективные из известных нам экзопланет (чьи родительские звезды не слишком ярки и период обращения не слишком долог), чего мы сможем добиться? Сможем ли мы увидеть их атмосферу? Да, сможем: возможности современного спектрального анализа не отстают от нашей способности открывать новые землеподобные миры.

Наше внимание особенно привлекают два мира: HAT-P-11b и GJ1214b. Оба эти мира находятся в диапазоне от Нептуна до сверхземли. Масса HAT-P-11b в 26 раз превышает массу нашей планеты, а радиус — в 4 раза. Масса GJ1214b больше массы Земли в 6 раз, а радиус — чуть меньше, чем в 3. Что интересно, обе экзопланеты имеют ту же плотность, что и Нептун, — примерно 1/3 от плотности Земли, или в полтора раза больше плотности воды. Предположительно, HAT-P-11b — горячий нептуноподобный мир, а GJ1214b представляется нам как теплая, газообразная сверхземля — из-за большой, раздутой атмосферы планета кажется больше, чем на самом деле, и поэтому ее плотность выглядит меньше.

Но что мы можем сказать об их атмосферах? Исследования проводились с использованием камеры для наблюдений в широком диапазоне волн, установленной на «Хаббле», во время транзита каждой из экзопланет перед родительской звездой. Линии поглощения на полученных спектрах получились широкими и нерезкими, и определить состав атмосферы можно только при самых благоприятных условиях. Несмотря на это, можно утверждать, что в спектре присутствуют широкие линии поглощения водного пара. В случае GJ1214b результат одновременно озадачил и раздосадовал ученых: спектр оказался гладким, что может указывать на присутствие плотных облаков, которые практически не пропускают свет родительской звезды.

Пожалуй, так происходит всегда, когда мы пытаемся вырвать у природы ее тайны. Даже беглый взгляд на атмосферы далеких планет требует напряженных усилий на пределе возможностей наших современных телескопов. Каждый отдельный успех — такой как HAT-P-11b или GJ1214b — дает нам лишь маленький кусочек головоломки: как атмосфера зависит от массы, температуры и состава планеты? Где-то среди разрозненных частей этой головоломки может быть спрятана отгадка существования жизни. Но как ее распознать? Как отыскать иголку в стоге сена?

Мечта Лавлока: как нам распознать жизнь на Земле 2.0

Чтобы понять, сможем ли мы распознать жизнь на экзопланете, вернемся к гипотезе Джеймса Лавлока: атмосфера — это химическая система, которая может участвовать в биохимии инопланетной жизни. Атмосфера может служить пищей, как это происходит с углекислым газом в нашей собственной атмосфере: фотосинтезирующие растения используют его для синтеза глюкозы. Она может служить свалкой для отходов метаболизма, как кислород, производимый теми же растениями, или метан, вырабатываемый археями в пищеварительном тракте жвачных животных. В какой бы форме не существовала поверхностная жизнь, по крайней мере на Земле, она меняет состав атмосферы: что-то забирает из нее, что-то добавляет.

А теперь позвольте мне задать вам один вопрос с подковыркой. Что считать главной молекулой жизни? ДНК? А может, РНК? А как насчет хлорофилла? Или чего-то вроде кислорода или метана? Я уже слышу возмущенные возгласы: зачем ограничиваться какой-то одной молекулой? Это как если бы я спросил, какой из химических элементов больше всего необходим для жизни. Углерод? Кислород? Не существует элемента, который бы однозначно ассоциировался только с жизнью и ни с чем иным.

В связи с этим позвольте мне еще один вопрос: какие молекулы мы должны искать в инопланетной атмосфере, чтобы подтвердить наличие жизни? Если следовать вашим весьма разумным возражениям, то получится, что нет такой молекулы, которую бы стоило искать. Ни одна из известных нам молекул не может служить однозначным биомаркером.

А как же насчет атмосферного кислорода? Разве я не убеждал вас, что наличие атмосферного кислорода является четким биомаркером? Давайте представим, что наша межзвездная экспедиция обнаружит Землю 2.0, землеподобную планету, вращающуюся вокруг похожей на Солнце звезды. Мы можем пойти дальше: допустим, транзитная спектроскопия указывает на наличие в атмосфере большого количества кислорода, скажем, 20 % или около того. Будет это указывать на существование жизни на новой Земле? Думаю, это ключевой вопрос. Конечно, для астробиологии такой результат будет убедительным, но станет ли он совершенно точным? Мне бы не хотелось вас расстраивать, но ответ будет отрицательным: это не будет недвусмысленным указанием на существование жизни. Да, действительно, кислород химически высокоактивное вещество, которое стремится прореагировать практически с любыми другими веществами, с которыми контактирует. Наличие его в атмосфере предполагает существование некого дисбаланса, вследствие которого кислород производится быстрее, чем потребляется. Есть множество небиологических процессов, результатом которых может быть молекулярный кислород, хотя в большинстве рассмотренных нами случаев этот кислород быстро вступает в реакцию с окружающей средой и образует новые химические соединения. И пусть нам не очень хочется рассматривать небиологические возможности, но следует отдавать себе отчет, что в нашем нынешнем состоянии почти полного невежества мы плохо себе представляем все то множество ролей, которое природа может отвести кислороду в атмосферах экзопланет.

Таково положение дел на сегодня: четкого ответа у нас нет. Нам придется тщательно изучать атмосферы экзопланет, прежде чем мы поймем, как на них может повлиять присутствие жизни. Каковы последствия небиологических процессов: вулканизма, фотохимии, поверхностных реакций и т. п.? Я не решаюсь называть эти процессы «обычной химией», поскольку, вполне возможно, они будут преобладать на большинстве планет, которые мы будем изучать. Ранее мы не раз убеждались, что главная задача астробиолога — рассмотреть химические свойства инопланетных атмосфер и найти явления, которые не отвечают правилам. Какие данные нельзя объяснить законами физической химии? Указывают ли результаты на странные, но явно небиологические реакции, которые мы раньше не принимали во внимание? Или мы наконец обнаружили признаки живой атмосферы?

Светлое будущее

На наше счастье, экзопланеты остаются в центре внимания как астрономов, так и астробиологов, и поэтому нет недостатка в новых интересных идеях по их изучению. Хоть, вероятно, ни одной миссии не удастся добиться такого же потрясающего эффекта, как миссии «Кеплера», но впереди нас ждет еще много интересного.

Одна из самых многообещающих из планируемых миссий — PLATO[17], которая по праву станет наследницей «Кеплера». На этом искусственном спутнике Земли установят 32 камеры, каждая из которых будет направлена на свой участок неба. В то время как «Кепелер» обозревал одно поле зрения размером 105 квадратных градусов, PLATO будет обозревать два, охватывающие в сумме 4500 квадратных градусов, или 10 % неба. Перед миссией поставлена цель — используя тот же транзитный метод, который применялся «Кеплером», обнаружить до 20 землеподобных планет, обращающихся вокруг солнцеподобных звезд. Хотя это не такое уж астрономическое количество, не стоит забывать, что пока нам не известно ни одной действительно землеподобной планеты, вращающейся вокруг солнцеподобной звезды. Кроме этих желанных экзопланет PLATO должна обнаружить в 40 раз больше планет, чем «Кеплер». Только задумайтесь: больше 100 000 планет! Что очень важно, PLATO — уже профинансированная миссия ЕКА с бюджетом полмиллиона евро. Планируется, что запуск состоится не позднее 2024 г. и телескоп проработает на орбите не менее 6 лет. Хотя, чтобы насладиться видами экзопланет, нам придется подождать до 2030 г., но я уверен, что оно того стоит.

Не можете ждать так долго? Может, в таком случае вас заинтересует TESS[18]? TESS будет проводить обзор всего неба с целью обнаружения транзитных экзопланет около 500 000 самых ярких звезд. Очевидно, он будет делать это не за один заход, а потратит по 27 дней на каждый участок неба, направляя на него свои камеры. Ожидается, что TESS обнаружит до 3000 экзопланет размерами до земного, обращающихся вокруг звезд класса М. Хотя это не такое значительное количество, как 100 000, которых ждут от PLATO, TESS будет рассматривать все транзитные планеты с коротким периодом обращения вокруг всех ярких звезд на небе. Не забудьте, что эти ближайшие к нам яркие звезды и их планеты — идеальные объекты для транзитной спектроскопии. И снова подчеркну: миссия TESS уже получила финансирование — на этот раз общая сумма составила $200 млн — и вполне сможет удовлетворить ваше желание немедленно заполучить десяток-другой недавно открытых экзопланет.

Осталось еще до обидного много удивительных идей относительно возможных способов обнаружения экзопланет, но, к сожалению, у меня нет места, чтобы их тут описать. Мы предприняли первые шаги к созданию наземных телескопов с зеркалами диаметром 30 м и более. Космические телескопы позволяют на протяжении длительного времени поддерживать стабильные условия наблюдения, но их размеры ограничены грузоподъемностью ракеты-носителя. Наземные телескопы достигают поистине огромных размеров — современные гиганты обладают зеркалами диаметром до 10 м — и обеспечивают великолепные наблюдательные возможности и светосилу. Это ключевой фактор в дальнейшем совершенствовании транзитного метода, и 30-метровый наземный телескоп будет в каких-то аспектах даже превосходить космический телескоп имени Джеймса Уэбба с диаметром зеркала 6,5 м, который придет на смену «Хабблу».

А как насчет того, чтобы заблокировать свет родительской звезды? Наверное, самая дерзкая из всех экзопланетных миссий — запустить в космос своего рода гигантский «зонт». Этот «зонт» представляет собой большой диск с лепестками по кругу, который будет лететь на расстоянии 14 000 км перед космическим телескопом, как, например, телескоп Уэбба. Подобно тому, как в яркий солнечный день вы поднимаете руку, закрывая ладонью Солнце, чтобы рассмотреть какие-то удаленные объекты, так и эта хрупкая, похожая на подсолнух конструкция сможет заслонить весь свет родительской звезды, даже тот, который огибает края «зонта». Созданное таким образом искусственное затмение позволит экзопланетам выступить на первый план, чтобы мы могли наблюдать их напрямую.

В начале этой главы мы смотрели на звезды и гадали, есть ли у них собственные планетные системы. Наши робкие попытки представить себе далекие миры были щедро вознаграждены: мы получили подтверждение того, что кроме нашей Солнечной системы существуют еще миллиарды и миллиарды планетных систем.

Как астробиологи мы задавались вопросом, может ли на этих планетах присутствовать жизнь, и обсуждали, как лучше подойти к решению этого непростого вопроса. Даже ближайшие к нам планеты находятся на огромном расстоянии и теряются в слепящем блеске своих родительских звезд. Но мы нашли признаки наличия атмосферы как у каменных, так и у нептунианских миров. Хотя нам еще многое предстоит узнать, мы уже убедились, что атмосферная спектроскопия — это ключ к секретам инопланетной жизни. Начальные страницы этой истории только-только написаны, и я рассчитываю, что в дальнейшем мы встретимся с не менее волнующими открытиями и загадками.

После открытия экзопланет мы можем воображать себе жизнь, рассыпанную среди звезд на ночном небосклоне, — отдельные обитаемые островки в океане космоса. Может так случиться, что каждый из них дает свой, не похожий на другие ответ на вопрос: что же такое жизнь? Или, напротив, окажется, что все ковры жизни сотканы из одних и тех же нитей?

Сейчас многие астрономы и астробиологи задаются вопросом, велика ли вероятность встретить среди звезд разумную жизнь. Поиски инопланетного разума ведут нас в неизведанные и порою туманные области, хоть мы по-прежнему остаемся в царстве науки.

Глава 9. Поиски внеземного разума

Ах, SETI! Вот мы и встретились вновь. Ни один другой раздел астробиологии не вызывает таких разногласий между учеными и теми, кто финансирует их исследования. Но, пожалуй, ни один другой раздел астробиологии не привлекает такого внимания общественности, как поиски братьев по разуму.

Между частотами знакомых радиостанций, которые мы слушаем на Земле, лежит мир электростатического шума. Это шипение и пощелкивание — совместное звучание радиофизических процессов, проходящих на нашей планете, в ближайшем космосе и во всей Вселенной. Но что, если за этой сумятицей радиоволн мы не можем различить самого простого искусственного сигнала: бип-бип-бип?

Молодое поколение радиоастрономов, выросших в эпоху бурного развития технологий, наступившую после Второй мировой войны, неожиданно осознало, что у него есть возможность передавать и получать сигналы на расстояния, превышающие размеры нашей Галактики. Если мы, молодая в техническом плане цивилизация, научились передавать сообщения на такие огромные расстояния, может быть, во Вселенной существуют другие цивилизации, стремящиеся установить с нами контакт? Может быть, в межзвездном эфире идут оживленные разговоры и нам надо только научиться их распознавать?

В то время пока наши поиски элементарной жизни за пределами Земли продвигались маленькими шажками, усилия отыскать высокоразвитые инопланетные цивилизаций продвинули нас далеко вперед. На протяжении всей этой книги я убеждал вас, что, скорее всего, нашим первым контактом с инопланетной жизнью будет контакт с микробами, а не с чуждым разумом. Мы сосредоточили все наше внимание на основополагающих опытах по обнаружению обмена веществ или биохимических структур, которые свойственны самым элементарным формам жизни. Теперь же мы поставим перед собой более высокие и технологичные цели — обнаружение жизни в ее самой высокоразвитой форме.

Разговор через тысячу световых лет

В 1959 г. в журнале Nature вышла необычная статья. Между статьями о роении пчел и воздействии радиации на красные кровяные тельца располагалась публикация с необычным названием: «Поиски межзвездных сообщений». Всего на двух страницах Джузеппе Коккони и Филип Моррисон обрисовали общий план действий, которому следовали практически все проекты SETI на протяжении последующих 50 лет.

Коккони и Моррисон пришли к заключению, что радиотехнологии дают человечеству практическую возможность передачи сигнала между звездами, и это делает их прекрасным инструментом, позволяющим обнаружить технологически продвинутые и, следовательно, разумные инопланетные существа. Радиотелескопы могут не только принимать сигналы, но и передавать их. Если мы, на Земле, передадим мощный сигнал в космос, то это электронное сообщение может быть получено и распознано инопланетным телескопом c такими же характеристиками на расстоянии десятков, а может, даже сотен световых лет. Поскольку радиоволны — это просто длинноволновые фотоны, они перемещаются со скоростью света. Так что, хотя этот обмен сообщениями будет не мгновенным, он вполне может произойти на протяжении одной человеческой жизни.

Но даже в радиодиапазоне электромагнитного спектра существует невообразимое множество частот, на которых может вестись передача. Нельзя ли как-то сузить границы поисков? Коккони и Моррисон сосредоточили свое внимание на частоте 1420 МГц. Эта частота связана с излучением водорода, наиболее широко распространенного элемента во Вселенной. Атомы водорода преобладают в нашей Галактике и в большей или меньшей степени во всех других галактиках, которые мы наблюдали. При возвращении возбужденного атома водорода в стабильное состояние происходит излучение одного кванта света — фотона. Частота излучения фотона равна 1420 МГц (астрономы называют излучение с длиной волны 21 см, соответствующее частоте 1420 МГц, радиолинией нейтрального водорода). Почти как зрители в кинотеатрах, ерзающие на своих местах от возбуждения во время сеанса, атомы водорода постоянно переходят в возбужденное состояние в результате соударения атомов, испуская при этом радиоизлучение длиной волны 21 см.

Таким образом, водород служит вездесущим спектральным маяком, излучение которого должно быть знакомо всем наблюдателям звездного неба, будь то люди или инопланетяне. Более того, частота 1420 МГц лежит между относительно свободными областями электромагнитного спектра, где фоновый шум нашей Галактики почти не слышен. Позднее астрономы прозвали этот диапазон «космическим водопоем»: излучение с длиной волны 21 см, окруженное областями относительной радиотишины, может стать отличным местом встречи, где разбросанные по просторам Галактики цивилизации могут пообщаться и обменяться идеями.

В точности как мы?

Прослушивание отдельных звезд и открытых областей неба в радиодиапазоне, близком к 1420 МГц, стало общепринятой практикой почти для всех проектов SETI, осуществленных за последние 50 лет. К несчастью, существует одна довольно очевидная проблема, которая с самого начала присутствовала во всех проектах SETI. Соображения, представленные Коккони и Моррисоном, можно с тем же успехом сформулировать по-другому: инопланетяне будут использовать радиотелескопы, потому что их используем мы; инопланетяне будут передавать сигнал на частоте 1420 МГц, потому что мы передаем на этой частоте; инопланетяне направят свои передатчики к солнцеподобным звездам, потому что мы бы тоже так поступили.

Похоже, нам известно почти все относительно того, каким образом инопланетяне собираются сообщать о своем существовании во Вселенной. Мы уже сталкивались с подобными соображениями раньше: это называется антропоцентризм — вера в то, что человек есть средоточие Вселенной. Но мы уже не живем в центре Солнечной системы, Галактики или Вселенной. Тогда почему наши представления о межзвездной коммуникации должны быть чем-то единственно верным? Короткий ответ — не должны, как бы нам этого ни хотелось. Хотя я и не думаю, что когда-нибудь в обозримом будущем SETI удастся установить контакт, но, когда мы наконец получим сообщение, антропоцентризму будет нанесен еще один удар — по крайней мере я на это надеюсь.

Однако, несмотря на все эти оговорки, интерес к SETI со временем ничуть не уменьшается. Справедливости ради придется признать, что мы ищем, потому что можем и потому что нам это интересно. Я ранее уже говорил о том, что наши современные попытки обнаружить во Вселенной жизнь — высокоразвитую или элементарную — очень ограниченны по сравнению с невообразимым количеством существующих возможностей. Коккони и Моррисон были среди первых астрономов и астробиологов, которые понимали, что надо начинать с того, что у вас есть на сегодняшний день.

Возможно, принципы SETI идеалистичны и антропоцентричны, но есть ли принципиальная разница между тем, что делает SETI, и попытками найти элементарные формы жизни на «пригодных для обитания» экзопланетах? По-видимому, это и есть главный вопрос, особенно если два подобных проекта борются за финансирование. По старой доброй традиции я отвечу на него другим вопросом: с учетом 50 лет поисков внеземного разума кто-нибудь подсчитывал, каковы наши шансы на успех?

Уравнение Дрейка

В 1961 г., через два года после выхода статьи Коккони и Моррисона, в помещении радиотелескопа «Грин-Бэнк», Западная Виргиния, проходила небольшая конференция. Темой конференции была деятельность SETI, и на ней присутствовало всего 10 человек из таких различных областей науки, как нейробиология, химия и астрономия. Среди них были Филип Моррисон и молодой тогда Карл Саган. Собравшись вместе, они обсуждали, вероятно, многие из тех идей, о которых вы прочли в этой книге.

Среди прочих на встрече присутствовал астроном Фрэнк Дрейк. Он только что закончил проект «Озма» — первую попытку обнаружить с помощью радиотелескопа «Грин-Бэнк» радиопередачу со звездных систем Тау Кита и Эпсилон Эридана. Желая подвести итог главному вопросу, который обсуждали в тот день на конференции, — что нужно знать, чтобы определить количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт в галактике Млечный Путь, — Фрэнк написал на доске обманчиво простую формулу:

N = R_* × f_p × n_e × f_l × f_i × f_c × L.

Смысл уравнения передавался довольно длинным предложением: количество внеземных цивилизаций, присутствующих в нашей Галактике на сегодняшний день (N), равно произведению количества звезд, образующихся за год в нашей Галактике (R_*), доли звезд, обладающих планетами (f_p), среднего количества приходящихся на одну звезду планет с подходящими условиями для жизни (n_e), вероятности зарождения жизни на планете с подходящими условиями (f_l), вероятности возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь (f_i), вероятности существования технической возможности вступить в контакт (f_c) и времени жизни такой цивилизации (L).

Как я уже говорил, уравнение обманчиво просто, но также и обманчиво пугающе. Если начинать с левой стороны, можно подставить значения, относительно хорошо известные. Так, например, количество звезд, образующихся в галактике Млечный Путь за год, — это примерно 4 солнцеподобные звезды в год. Мы можем уточнить это значение, если учтем, что большинство новых звезд меньше Солнца, но, когда я говорю, что это число достаточно хорошо известно, я имею в виду, что наша оценка превышает истинное значение не больше и не меньше чем в 100 раз.

Это хорошие новости. Но, по мере того как мы будем продвигаться слева направо, наши познания относительно каждого параметра в уравнении будут быстро уменьшаться. На самом деле, если рассматривать такие вопросы, как время жизни технологических цивилизаций, мы можем только предположить, что оно больше 80 лет (примерно столько мы находимся на этой стадии) и, вероятно, меньше времени существования Вселенной. В пределах этих значений можно с тем же успехом назвать любое другое число. С учетом такой большой неопределенности уравнение Дрейка не раз подверглось критике, поскольку все попытки подсчитать количество цивилизаций, готовых вступить в контакт, заканчиваются бесплодными спорами.

Сторонники SETI и уравнения Дрейка часто утверждают, что Фрэнк Дрейк вывел эту формулу только для того, чтобы очертить круг вопросов, который предполагалось обсудить на той конференции 1961 г. В таком случае мы можем рассматривать ее как научный список желаний — темы, которые заслуживают дальнейшего изучения, если мы хотим когда-нибудь в будущем оценить наши шансы на установление контакта с инопланетными цивилизациями. Критики уравнения Дрейка указывают, что нам неизвестно значение большинства входящих в уравнение параметров, и даже подвергают сомнению саму возможность установить значения этих величин когда-нибудь в будущем.

Так кто же прав? Неужели исходная концепция SETI в корне неверна или даже хуже того — ненаучна? Если коротко, то это не так. Уравнение Дрейка совершенно верное — даже слишком верное — научное утверждение, демонстрирующее степень нашего неведения. Более того, уравнение Дрейка можно и нужно расценивать как попытку определить, от каких факторов зависит оценка готовых к контакту цивилизаций в нашей Галактике. Не стоит маскировать наличие подобной проблемы уклончивыми ответами. Если мы действительно хотим обнаружить эти цивилизации, нам надо осознать границы нашего невежества и затем начать предпринимать шаги для устранения пробелов в нашем познании. Да, в настоящее время большая часть этих параметров нам неизвестна, но это не означает, что они не значимы или непознаваемы в принципе.

Взять, например, успех миссии «Кеплера». Чтобы понять значение открытий, сделанных «Кеплером», надо отметить, что спустя 20 лет после обнаружения первой экзопланеты мы получили относительно достоверную оценку параметра f_p — доли звезд, обладающих планетами. Впечатляет тот факт, что нам на это потребовалось всего 20 лет. Ответы на фундаментальные вопросы требуют много времени и усилий, и уравнение Дрейка — действенный метод разделить один фундаментальный вопрос на несколько более легких.

Какой из параметров уравнения Дрейка кажется вам наиболее важным? На мой взгляд, тот, что лежит cразу за пределом наших современных знаний. С учетом того, что мы сегодня знаем о переменных Дрейка, следующий неизвестный нам параметр — это количество пригодных для жизни планет на одну звезду. «Кеплер» уже позволил нам сделать предварительную оценку его значения, а TESS и PLATO уточнят ее в будущем.

Мы можем сделать еще один шаг и рассмотреть вопрос о том, на какой части из пригодных для жизни планет может возникнуть жизнь. Это один из самых основополагающих вопросов — возможно, даже самый основополагающий, — поскольку, чтобы решить уравнение Дрейка, нам необходимо обнаружить жизнь за пределами Земли. Этот вопрос стоит перед всеми астробиологами, ищут ли они биомассу на Титане или ждут твитов с Тау Кита. Вероятность успеха или провала в обоих случаях определяется одним и тем же уравнением Дрейка, пусть даже более или менее урезанным по сравнению с первоначальной формулировкой.

Мне самому очень хотелось бы понять, как можно с помощью уравнения Дрейка оценить численность хотя бы элементарных форм жизни, не говоря уже о подсчете количества потенциальных пользователей «Твиттера» в нашей Галактике. Но никому не приходит в голову критиковать другие области астробиологии лишь на том основании, что мы не знаем, какова вероятность зарождения жизни на планете с подходящими для нее условиями. На самом деле попытки обнаружить внеземную жизнь потому и привлекают к себе такое внимание, что это очень важный и совершенно неизученный вопрос.

Надо признать, что применительно к SETI в уравнении Дрейка появляется еще несколько коэффициентов, которые требуют дальнейших антропоцентричных допущений. Тем не менее когда Фрэнк Дрейк писал свое уравнение, он следовал четкой научной традиции. С нашей стороны было бы неблагодарностью жаловаться на то, что он поставил целый ряд фундаментальных вопросов, ответы на которые от нас ускользают. Повестка, заданная им в 1961 г., и сегодня остается значимой и содержит в сжатом виде полный спектр задач астробиологии.

SERENDIP[19]

Как организован поиск внеземных радиосообщений SETI? Как можно «услышать» сигналы внеземных цивилизаций? Один из наиболее масштабных проектов SETI — это SERENDIP V, пятая версия программы «поиска внеземного радиоизлучения от соседних разумных цивилизаций». Программа координируется астрономами из Калифорнийского университета в Беркли и получает данные с гигантского 305-метрового радиотелескопа в Аресибо, Пуэрто-Рико.

Телескоп Аресибо — чудо астрономического мира: его сферическая отражающая поверхность расположена не в поворотной чаше, а лежит в естественной карстовой воронке в горах. Как и у всех радиотелескопов, отражающая поверхность — это не зеркало в привычном для нас смысле: она состоит из перфорированных алюминиевых пластин, уложенных на сетку из стальных тросов.

Как навести телескоп на определенную точку в небе? Приемник установлен на платформе весом 900 т, подвешенной в фокусе телескопа в 150 м от отражающей поверхности. Изменяя положение платформы над отражающей поверхностью, приемник получает отражение немного другого участка неба. Вращение Земли решает все оставшиеся вопросы, и в результате телескоп Аресибо может наблюдать примерно четверть всего неба.

Проект SERENDIP проводит наблюдения методом «дополнительной нагрузки». Детектор SERENDIP работает параллельно с основным приемником и собирает данные, не мешая основной научной работе лаборатории. Таким образом, SERENDIP получает почти непрерывный обзор неба, сканируя диапазон частот шириной 200 МГц с центром на частоте 1420 МГц.

Каждую секунду SERENDIP V собирает гигабайты данных. Поиск сигналов внеземного разума в непрерывном потоке информации — грандиозная задача, сродни отделению зерен от плевел при безостановочном сборе урожая. Большая часть данных SERENDIP V обрабатывается электронной начинкой приемника — только сигналы, представляющие потенциальный интерес, сохраняются для дальнейшего анализа. Поскольку для обработки этого огромного массива данных требуются колоссальные вычислительные ресурсы, в 1999 г. группа астрономов SETI предложила очень интересный подход.

Полагаю, большинство людей никогда не слышали о SERENDIP, но я почти уверен, что вам знаком проект SETI@Home. SETI@Home разбивает записи SERENDIP на небольшие блоки примерно по миллиону байт, которые конвертируются в задания на расчет и рассылаются на компьютеры участников проекта. Обработка выполняется компьютерной программой, которая работает в режиме скринсейвера. В свободную минуту можно смотреть, как она перемалывает массивы данных, и ждать, когда вспыхнет красный сигнал‹‹1››. В проекте SETI@Home со дня его запуска в 1999 г. приняли участие более 8 млн добровольцев, и на сегодня генерируемая им вычислительная мощность превышает мощность всех когда-либо существовавших суперкомпьютеров.

В настоящий момент поиск SETI не выявил никаких достоверно подтвержденных сигналов внеземного происхождения. Но, как и при любом астрономическом поиске, сначала надо понять, что именно мы можем увидеть. Насколько чувствительны наши наблюдения? Проще всего предположить, что инопланетяне используют такую же аппаратуру, как и мы, — 300-метровый радиотелескоп с мощностью сигнала до 1 МВт. В таком случае чувствительность SETI может быть выражена расстоянием, на котором мы можем обнаружить такой сигнал. Для SERENDIP V это расстояние равно приблизительно 100 световым годам, а для выборки, анализируемой SETI@Home, это расстояние примерно в три раза больше.

В таких пределах от нашей планеты находится около 15 000 звезд, большинство из которых немного меньше Солнца (звезды классов G, K и M). Это, конечно, много, но не в астрономическом смысле. Если окажется, что количество цивилизаций, передающих сигналы, астрономически мало, вам вряд ли когда-нибудь удастся их обнаружить. Разумеется, если оборудование, которое используют инопланетяне, гораздо мощнее вашего, мы сможем обнаружить их на большем расстоянии. Хотя никакой уверенности в этом, да и во многих других вопросах, связанных с SETI, у нас нет.

Значение SETI@Home выходит далеко за рамки оптимизации поисков SETI. Вовлекая публику непосредственно в свою деятельность, SETI получает нечто большее, чем вычислительную мощность. Как я уже отмечал раньше, SETI — это хорошо обоснованный с научной точки зрения проект и, как любая научная программа, в которой участвует более 8 млн человек, не вызывает ничего, кроме уважения. Я приветствую вас, пользователи SETI@Home!

Снять с довольствия

Осталось обсудить один непростой вопрос. Представьте, я приду к вам и скажу, что создал инструмент, который позволяет разъяснить природу одного интересного физического явления, и попрошу у вас денег на проведение эксперимента. Что вы ответите? Следует упомянуть еще один важный момент: я не знаю, получу ли когда-нибудь результат. Возможно, это случится почти сразу. А может, и никогда. Думаю, если это будет не слишком дорого, вы скажете: хорошо, давайте попробуем разок, а там видно будет.

Мы ставим эксперимент — и ничего не находим. Потом я снова прихожу к вам и прошу денег на еще одну попытку. Допустим, я попрошу более чувствительную аппаратуру для измерений, но я по-прежнему не смогу сказать, каковы мои шансы совершить открытие. Продолжите ли вы меня финансировать? Или в какой-то момент решите, что это напрасная трата денег?

Вы понимаете, к чему я клоню. Позвольте мне побыть адвокатом дьявола и спросить вас, можно ли применить тот же подход не к SETI, а, допустим, к программе «Викинг» по изучению Марса. Какие новые знания мы приобрели после проведения биологических экспериментов? Что в двух местах не обнаружено форм жизни, которые вели бы себя так, как планировали разработчики биохимического эксперимента?

Как отреагировало НАСА? Оно попросило еще денег, чтобы построить еще два космических аппарата, оснащенных примерно тем же набором оборудования, и отправило их примерно в то же место на поверхности Марса? Нет. Космическое агентство признало, что вопрос жизни на Марсе слишком сложен и решить его с первого раза не получится. Вместо этого НАСА сосредоточилось на остальных нерешенных вопросах: что определяет химический состав марсианского грунта? Что случилось с жидкой водой на планете? Есть ли сегодня на Марсе вода в жидком виде? НАСА изменило свой подход, поставило себе более реальные задачи, и в результате к нам стали поступать ценные сведения о Марсе, в том числе и о том, существуют ли там возможности для жизни.

Что мы узнаем об инопланетянах, которые передают нам сигналы, если и дальше будем слушать пустоту? Вероятно, самая убийственная критика SETI заключается в том, что мы так и не продвинемся ни на шаг вперед в поисках высокоразвитой цивилизации, если не установим значение параметров уравнения Дрейка или полностью не изменим свой подход к проведению эксперимента. Если мы не нашли того, что искали, но получили взамен какие-то ценные знания, то деньги, потраченные на науку, не пропали даром. Но расходовать средства, не приобретая совершенно ничего взамен, попросту непозволительно. НАСА прекратило финансирование проекта SETI в 1999 г. Столкнувшись с нехваткой средств, проект SETI был вынужден обратиться за финансовой поддержкой к частным лицам и корпорациям. Ему удается сводить концы с концами, но и только.

SETI у вас в телефоне

Если вы всей душой переживаете за будущее проекта SETI, не бойтесь за него: чудесные истории случаются и в наши дни. В июле 2015 г. предприниматель и филантроп Юрий Мильнер объявил о выделении $100 млн на финансирование проекта Breakthrough Listen. Вместе с такими научными знаменитостями, как Стивен Хокинг, Мартин Рис (королевский астроном), Джеффри Марси (рекордсмен по числу открытых экзопланет) и, конечно, Фрэнк Дрейк, Мильнер, похоже, осуществил все заветные мечты SETI: на выделенные им деньги будет арендовано время на радиотелескопах «Грин-Бэнк» и «Паркс», в течение которого будет проходить поиск внеземных цивилизаций по протоколу SETI. Два радиотелескопа покроют площадь неба, в 10 раз большую, чем в предыдущих проектах.

Увенчаются ли эти поиски успехом? Если я скажу, что знаю об этом не больше вашего, вы, скорее всего, увидите в моем ответе не попытку отшутиться, а только признание того факта, что на сегодняшний день нам ничего не известно о существовании разумной внеземной цивилизации, желающей вступить в контакт. Если вы уже участвуете в программе SETI@Home, вам, наверно, стоит задуматься о покупке более мощного компьютера, чтобы заранее подготовиться к лавине новых данных, которые предстоит проанализировать. Более того, у SETI@Home теперь появилось приложение SETI@Phone, которое может анализировать данные в ночное время, когда ваш телефон стоит на зарядке. Мы можем только надеяться, что миллионы новых энтузиастов встанут в ряды SETI.

После всех оговорок и критических замечаний, приведенных в этой главе, у вас может возникнуть вопрос, почему SETI вошел в число первых пяти сценариев обнаружения внеземной жизни. На это могу только ответить, что каждый вечер, когда я ложусь спать, у меня в голове мелькает мысль: а вдруг? А вдруг завтра я проснусь, зайду на сайт BBC и прочту набранное огромными буквами сообщение о том, что установлен контакт с инопланетянами? Будет ли это для меня неожиданностью? Несомненно. Но возможно ли такое? А почему бы и нет? И, перефразируя Коккони и Моррисона, можно сказать, что даже если вероятность успеха мала, это не означает, что сама идея SETI ошибочна.

Если бы у меня были $4 млрд, стал бы я финансировать проекты SETI? Нет, по крайней мере до тех пор, пока не прояснятся еще какие-нибудь параметры уравнения Дрейка. Но радует ли меня, что находятся желающие профинансировать их за счет своих личных средств? Конечно же, да! Дай Бог им здоровья!

Глава 10. Зачем нам (внеземная) жизнь?

Я начал эту книгу с вопроса, зачем читать книгу о поисках внеземной жизни, если никакой такой жизни до сих пор не обнаружено. Теперь, когда книга приближается к концу, вам проще ответить на такой вопрос, чем мне. Я знаю, зачем я написал эту книгу: честно говоря, каждый небольшой шаг в расширении наших познаний мне интересен, вероятно даже больше, чем тот воображаемый момент, когда будет обнаружена новая жизнь. Меня воодушевляет каждое новое открытие, даже если, как это иногда случается, оно показывает, что мы двигались не в том направлении. Медленно, фрагмент за фрагментом, мы собираем огромную головоломку — возможно, самую большую в нашей истории.

В этой последней главе речь пойдет не только о поисках жизни на других планетах, но и о нас самих. Это очень эгоистичная точка зрения, но в то же время необходимая и неизбежная. Трудно сохранять полное хладнокровие, если речь идет о поисках жизни за пределами Земли. Если наши усилия увенчаются успехом, мы сможем определить наше место в космосе. Точно так же наши первые экспедиции на Луну были важны не только как шаг на пути освоения Солнечной системы, но и как возможность совершенно по-новому взглянуть на нашу планету.

Что мы узнали на сегодняшний день? Какие вопросы нас волнуют? Какие конкретно вопросы стоят перед астробиологией? Что должно стать нашей целью в следующем году? А в следующем десятилетии? И, кроме того, мы все, и я в том числе, должны решить, как нам потратить наши воображаемые $4 млрд.