Внеземная жизнь

Есть два способа обнаружить внеземную жизнь: встретиться с ней на Земле или найти в ближнем или дальнем космосе с помощью наблюдений. В первом случае приходится рассчитывать на случай и надеяться, что инопланетяне или споры внеземной жизни прилетят на Землю. Во втором – целенаправленно искать следы жизни в дальнем или ближнем Космосе. Успех подобного поиска зависит от технических возможностей и продуманной стратегия. Выбор последней определяется суммой знаний, которая накоплена наукой о жизни на текущий момент. К сожалению, наши познания о жизни ограничены изучением только одной формы ее существования – углеродной. Это затрудняет разработку эффективной стратегии поиска ее альтернативных форм. Надежным помощником в данном случае является фундаментальная наука, прежде всего, теория саморазвивающихся автокаталитических физико-химических систем с разветвленной кинетикой химических реакций, передачей энергии, вещества и информации. Эта теория строится на основе изучения самых общих принципов функционирования углеродной жизни и ее положения могут служить научной основой для описания других самовоспроизводящихся и самоорганизующихся систем. Применительно к внеземной жизни это означает, что поиск такой жизни будет вестись на основе фундаментальных положений, сформулированных для земной жизни. Как говорится «с’est la vie».

Углеродная жизнь в Солнечной системе. Физические условия, при которых существует углеродная земная жизнь, хорошо известны на примере Земли. Они определяются, прежде всего, участием жидкой воды в основных жизненных процессах. Вода позволяет живым организмам сохранять форму, служит в качестве среды для биохимических реакций, растворения солей и переноса тепла и вещества, участвует в гидролизе белков и углеводов. В жидком состоянии вода сохраняется в сравнительно узком диапазоне температур 0^o — 100^oС. Нижний предел определяется процессом кристаллизации, когда вода переходит в твердую фазу и перестает выполнять функции растворителя и переносчика тепла и массы. Верхний — связан с кипением, когда происходит интенсивное испарение воды из объема. Но еще до температуры кипения происходит распад растворенных в воде белков, в результате чего живой организм гибнет. И хотя открыты живые организмы, которые выживают в условиях гидротермальных источников, можно считать, что белковая жизнь существует в диапазоне от 0^o до 100^oС. Этот диапазон и определяет тепловой режим планеты, на которой может существовать углеродная жизнь. Температура планеты, в свою очередь, зависит от количества тепла, поступающего от светила, состава и толщи атмосферы. В астробиологии введено такое понятие как зона обитаемости углеродной жизни или зона Златовласки. Под этой зоной понимается некоторая условная область вокруг светила, рассчитанная на основе сравнительного энергетического баланса, в которой температура планеты обеспечит существование воды в жидкой фазе. На рис.1. представлена зона обитаемости для Солнечной системы. Из рисунка видно, что область Златовласки для Солнца захватывает только две планеты – Землю и Марс. Таким образом, на основе формального признака можно предполагать, что на Марсе есть жизнь. Однако вопреки ему явные следы жизни на Марсе обнаружить не удалось. Космические экспедиции, направленные к Марсу, по программам «Марс», «Маринер», «Викинг», «Феникс», «Кьюриосити»,» Экзомарс» не нашли убедительных доказательств присутствия органической жизни на планете. Зато в результате исследований было установлено, что на Марсе имеются значительные объемы воды. Она существует в форме льда в приповерхностном слое вечной мерзлоты планеты. Самые массивные пласты льда сосредоточены в полярных шапках. Есть свидетельства, что подо льдом Южного полюса на планете имеется жидкая вода. Все это, а также современный рельеф планеты указывают на наличие в далеком прошлом на Марсе мощной гидросферы. Подтверждением этого могут служить структуры поверхности планеты, похожие на русла высохших рек и крупных водоемов. Планетологи уверены, что 3,5 – 2,5 млрд. лет назад на планете были океан, многочисленные озера, реки, ледники и плотная атмосфера. Затем по мере ослабления тектонической и вулканической деятельности температура на Марсе резко упала и произошла диссипация атмосферы. Причиной этого послужила небольшая масса планеты, неспособная дальше поддерживать повышенный тепловой режим и удерживать газы в поле тяготения.

Почти земные условия, которые были на Марсе 2,5 – 3,5 млрд. лет назад, дают основания предполагать, что в то время на планете могла существовать углеродная жизнь. По мере ухудшения условий она деградировала, но в некоторых районах вблизи экватора, возможно, сохранилась в виде простейших организмов. Подобный вывод является весомым аргументом в организации новых экспедиций на Марс для поиска углеродной жизни или ее следов. Окончательный ответ на вопрос «Есть ли жизнь на Марсе?» очень важен для проверки гипотезы биохимической эволюции жизни. Он поможет уточнить важные исходные положения этой гипотезы.

Зона Златовласки для Солнца оставляет за бортом корабля «Углеродная жизнь» все остальные планеты Солнечной системы и, казалось бы, ставит крест на попытках найти ее в окрестностях нашего светила. Неожиданно приятный сюрприз для астробиологов преподнесли малые планеты: Ганимед, Европа (спутники Юптера), Энцелад и Титан (спутники Сатурна). В ходе космических миссий «Пионера», «Вояджера», «Галилео», «Кассини-Гюйгенса» и «Новых горизонтов» было установлено, что эти небесные тела в значительной степени состоят изо льда воды. Более того, были обнаружены фонтаны паров воды (рис.2), которые били из-под разломов ледяной корки планетоидов, что ясно указывало на наличие подледной воды. Это стало настоящей сенсацией, так как до этого планетологи считали эти планетоиды застывшими и твердыми небесными телами. 

По современным представлениям внутренняя структура планетоидов во многом похожа. На рис. 3. представлено возможное внутреннее строение Ганимеда. Хорошо видно, что соленый жидкий океан является одним из основных объемных элементов планетоида. В связи с наличием на планетоидах подповерхностных океанов возникают два естественных вопроса.

1. За счет чего разогреваются планетоиды до температуры, при которой возможно существование жидкой воды?
2. Возможно ли зарождение и существование жизни в подповерхностных океанах планетоидов?

Проще всего обстоит дело с первым вопросом. Существует два механизма разогрева недр планетоидов. Первый связан с радиоактивным распадом вещества, второй с действием механизма приливного разогрева планетоидов со стороны Юпитера и Сатурна. Значительно сложнее ответить вопрос об обитаемости планетоидов. Для этого необходимы дополнительные исследования состава паров, исходящих из-под ледяной корки планетоидов, на наличие органики в них. Под эти задачи сейчас разрабатываются новые инструменты прямого и дистантного измерения состава выбросов пара на планетоидах, а также прорабатываются различные варианты высадки автоматизированных аппаратов на поверхность планетоидов для их изучения. Астробиологи надеются, что будущие экспедиции на Энцелад, Титан и родственные им планетоиды помогут подтвердить наличие простейшей жизни в далеком Космосе.

Водосодержащие планетоиды Юпитера и Сатурна являются последними небесными телами, на которых можно обнаружить углеродную жизнь. Остальные небесные тела Солнечной системы для этого малопригодны. Это, однако, не означает, что на них отсутствует жизнь вообще. Она, в принципе, может существовать на Венере и других планетах  в неуглеродных формах. 

Альтернативная жизнь в Солнечной системе. Возможности существования таких форм жизни научно не подтверждены, но законы физики и химии не запрещают существование саморазвивающихся и самовоспроизводящихся систем на неуглеродной основе. Проще всего представить подобные системы, организованные на тех же исходных принципах, что и земная жизнь. Про организацию земной жизни известно следующее:

• она существует в виде сверхбольших органических молекул, связанных в единое целое  атомами углерода;
• энергию для своего существования она получает за счет сжигания молекулярного топлива в кислороде;
• она не может существовать без универсального растворителя и транспортера – воды. 

Из сказанного следует простой вывод. Для существования неуглеродной альтернативной жизни на тех же принципах, что и земная, эта жизнь должна вместо атомов углерода использовать другие атомы, обладающие способностью образовывать сверхдлинные молекулярные цепочки (аналоги РНК и ДНК), вместо кислорода – другой «поджигатель» молекулярного топлива и вместо воды – другой жидкий растворитель и переносчик молекул. Выбор атома на роль углерода зависит от общих физико-химических характеристик планеты и ее атмосферы (далее молчаливо предполагается, что варианты  альтернативной жизни рассматриваются только для планет с атмосферой). Понятно, что альтернативная жизнь на Венере будет совсем другая, чем на Уране или Нептуне. Венера очень горячая твердотельная планета с мощной атмосферой из углекислого газа с примесью азота, а Уран и Нептун — газовые гиганты, верхние слои которых состоят из водорода, гелия и примесей метана и аммиака.

Для Венеры, где температура нижних слоев атмосферы достигает 470^oС, наиболее подходящим альтернативным вариантом жизни является силиконовая жизнь на основе атомов кремния. Эти атомы способны образовывать с атомами кислорода молекулярные цепочки – силиконы, похожие на цепочки из атомов углерода (рис. 4). Отличительной особенностью силиконов является их жаропрочность. Жизнь, возникшая на их основе, сможет существовать при температурах превышающих температуру Венеры. Заместителем воды в случае силиконовой жизни могут выступить серная кислота и другие жаростойкие жидкости, с которыми силиконы не испытывают молярных превращений. Приведенная схема организации жизни на основе соединений кремния и кислорода является сугубо теоретической, не подтвержденной заслуживающими внимания экспериментами. В частности, открыт вопрос о наличии каталитических свойств у соединений из кремния, что является необходимой посылкой для создания самовоспроизводящихся систем, аналогичных углеродным.  Тем не менее, применительно к Венере гипотеза кремневой жизни достаточно обсуждаема. Это связано с тем, что имеются, неподтвержденные другими наблюдениями, видеокадры странных движущихся объектов, сделанные видеокамерами аппаратов «Венера».  Эти советские космические аппараты были запущены к Венере в 1975 по 1982 годы для исследования «утренней» планеты. Других экспедиций с посадкой аппаратов на поверхности Венеры, как у АМС «Венера» не было. Таким образом, вопрос о жизни на Венере остается открытым, хотя большинство астробиологов убеждены, что ее на планете нет.

Следующими кандидатами на наличие альтернативной жизни являются планеты Уран и Нептун. Гипотетическая возможность существования жизни на этих планетах связана со способностью атомов азота создавать устойчивые полимерные соединения с атомами водорода при давлениях выше 360000 атмосфер. При этом разнообразие азотноводородных соединений не уступает углеводородам при обычных условиях. Условия благоприятные для образования таких соединений могут иметь место на глубинах в водно-метан-аммиачных океанов Урана и Нептуна. Роль растворителя в этом случае может выполнять вода, которая имеется на глубинах этих планет или жидкий метан. Проверить реальность формирования азотноводородных полимеров трудно из-за сложностей создания экспериментальных установок, способных создать нужное давление.

Жизнь на экзопланетах. Выше были рассмотрены практически все потенциальные обители углеродной и альтернативной жизни в Солнечной системе. Вероятность обнаружить на них даже примитивную жизнь невелика. Это побуждает ученых искать ее за пределами Солнечной системы на экзопланетах – планетах других звезд. В настоящее время открыто более 4600 экзопланет, причем их число очень быстро растет. Можно говорить о настоящем буме в экзопланетологии, который объясняется быстрым развитием инструментальных средств обнаружения этих небесных тел. Как правило, используется следующие методы обнаружения экзопланет:

• транзитный, основанный на изменении светимости звезды при прохождении планеты по ее диску (рис.5);
• допплеровский, основанный на измерении смещения спектра звезды за счет изменения ее радиального движения под воздействием планеты;
• астрометрический, основанный на изучении особенностей движения звезды, вызванных гравитационным воздействием планет;
• прямых наблюдений с помощью искусственного затенения диска звезды;
• гравитационного линзирования, когда впереди находящаяся другая звезда искривляет световые лучи, становясь для них гравитационной  линзой.

С помощью этих методов удалось не только обнаружить большое количество экзопланет, но и определить их размеры, массы и характеристики орбит. На основании этих данных  экзопланеты были разделены на 4 типа. Экзоземли – планеты похожие по своим характеристиками на Землю. Суперземли – планеты с массой в 2 – 10 раз больше земной. Горячие Юпитеры – газовые гиганты с массами соразмерными или большими, чем у Юпитера. Нептуны – газовые планеты с размерами и массами близкими к Нептуну. Принципиальным научным результатом поиска экзопланет стало открытие других планетных систем. Выяснилось, что планетарные системы существуют у подавляющего большинства звезд. Все это дало в руки исследователей очень ценную информацию по экзопланетам, пригодных для поиска внеземной жизни. К сожалению, воспользоваться этой информацией непросто. У человечества нет технических средств для проведения исследований непосредственно на самих экзопланетах. Ближайшие из них находятся так далеко, что современным космическим аппаратам требуется десятки тысяч лет, чтобы долететь до звезд. Это означает абсурдность любой миссии по отсылке космических аппаратов к звездам. Остается только уповать на достижения наблюдательной астрономии. И вот на этом направлении можно ждать интересных открытий. Связаны они в первую очередь с развитием прецизионных оптических наземных и космических измерений. Для этих целей разрабатываются уникальные космические телескопы, высокочувствительные камеры различного диапазона длин волн на матрицах ПЗС, спектрографы высокого и сверхвысокого разрешения, высокоскоростные и сверхчувствительные фотометры, датчики точного наведения. Именно на таком оборудовании работали, и будут работать космические телескопы  «Хаббл», «Спитцер», «Кеплер» (рис. 6), «Хеос», «Уэбб» (рис.7), «Плато» и «Ариэль». Целями «Кеплера являлись исследования структуры и разнообразия планетных систем, «Хеопса» — изучение экзопланет транзитным способом. Для «Уэбба» целями будут изучение экзопланет, протопланетных дисков, водных миров Солнечной системы – Европы и Энцелада и поиски жизни на них, для «Плато» — обнаружение экзопланет всех видов, для «Ариэля» — обнаружение атмосфер экзопланет и признаков жизни на них. Три последних телескопа будут выведены в космос в период с 2021 по 2028 годы. Тогда и можно будет ждать прорывных открытий по проблемам, на решение которых они нацелены.

Уместен вопрос: как искать жизнь на расстоянии многих  световых лет, если поиск самих экзопланет связан с колоссальными трудностями. Ответ на этот вопрос будет дан по видимым проявлениям жизни на экзопланетах, прежде всего, землеподобных. Выбор последних определяется тем, что для них известен решающий признак наличия углеродной жизни – атмосферный кислород. Наличие этого газа в атмосфере экзопланеты однозначно указывает на масштабное присутствие живых существ на ней. Только жизнь является основным поставщиком свободного кислорода в атмосферу.

Для поиска жизни планетоидах с подледной водой, таких как Европа или Энцелад в качестве биосигнатур могут быть использованы метан, метанол, этан и более сложные органические соединения. Эти же биосигнатуру можно использовать для поиска на малых спутниках экзопланет. Подобную возможность сможет представить телескоп «Уэбб». Результативность поисков жизни на экзопланетах в сильной степени будет зависеть от предварительной селекции землеподобных планет, которые имеют близкую с Землей массу, внутренне строение и расположены в зоне жизни. По этой причине в рамках программ «Хеопса», «Уэбба» и «Плато» предстоит определить наиболее подходящие экзопланеты для поиска углеродной жизни.

Программа SETI. Любая развитая внеземная цивилизация должна оставлять в космосе следы своей разумной деятельности. Обнаружению таких следов и служит программа «SETI – Seach for Extraterrestrial Intelligence». Она предназначена для поиска внеземных цивилизаций с помощью радиопрослушивания Космоса. Исходной идеей для SETI было представление о том, что развитые внеземные цивилизации можно обнаружить с помощью радиоволн, которые они излучают в космическое пространство в результате свой техногенной деятельности. Примерами такой деятельности могут быть радиоволны  сантиметрового диапазона, излученные радиолокаторами, радиопередатчиками и системами космической связи. Эти волны слабо поглощаются межзвездным веществом и могут преодолевать гигантские галактические расстояния, сохраняя бесценную информацию о своем происхождении. Названные свойства радиоволн и легли в основу программы SETI. Она началась в шестидесятые года прошлого века и продолжается сейчас на самых крупных радиотелескопах, оборудованных чувствительными приемниками для приема волн на разных частотах. На рис. 8 представлен крупнейший на сегодня радиотелескоп в Гуйчжоу (Китай), задействованный в программе SETI. На этом радиотелескопе будут проводиться исследования по поиску экзопланет и сигналов искусственного происхождения от внеземных цивилизаций.

Более чем полувековые наблюдения по программе SETI пока не выявили ни одного случая приема сигнала искусственного происхождения от иноземных цивилизаций. Этот результат можно толковать по-разному. В частности, можно считать, что жизнь является уникальным явлением во Вселенной. И вероятность обнаружить ее, особенно разумную форму, исключительно мала. Можно также считать, что для инопланетных цивилизаций маловероятно достижение технологического уровня, при котором они могут выйти за пределы своей среды обитания. В качестве примера можно привести гипотетическую планету, полностью покрытую водой или льдом, на которой зародилась жизнь, сумевшая достичь разумной формы. Трудно представить, как носители разума таких планет смогут построить технические устройства, способные вывести их в Космос и обеспечить подключение к SETI, так как этому будет препятствовать сама среда обитания. Можно представить, что в нашей Галактике жизнь развивается по сценарию с обострением, при котором почти все цивилизации практически одновременно выходят на разумную форму. В этом случае, нужно просто подождать до того времени, когда небо «заголосит» на многих инопланетных голосах. Наконец, нельзя проигнорировать предположения, что развитые цивилизации, овладевшие ядерной энергией, роботами и тайнами жизни могут уничтожить себя в огне атомного Армагеддона, подвергнуться уничтожению со стороны разумных роботов или искусственно созданных вирусов. Какое из этих предположений окажется верным покажет время, пока же ученые продолжают радиопрослушивание космоса в поиске внеземных искусственных сигналов и готовятся искать следы разумной деятельности инопланетян в оптическом диапазоне. Современные средства оптических наблюдений позволяют регистрировать свет, создаваемый такими объектами как взрывы атомных и водородных бомб, световые огни мегаполисов и инфракрасное излучение от поясов Кларка, сфер Дайсона и колец Нивена. О сферах Дайсона написано достаточно много, поэтому несколько слов о поясах Кларка и кольцах Нивена. Первые из них были введены в литературу писателем Кларком. Они являются областями околопланетного пространства, заполненными действующими и отслужившими свой срок космическими аппаратами – космическим мусором. В результате постоянного запуска на орбиты все новых и новых аппаратов вокруг планеты может образоваться настоящий металлических рой тел, который можно будет обнаружить по отраженному свету или инфракрасному излучению. Кольца Нивена это гигантские космические сооружения, размещенные на геостационарных орбитах для проживания огромного количества людей, так или иначе связанных с масштабной космической деятельностью. Эти сооружения также можно обнаружить по инфракрасному излучению его конструкций.

Формула Дрейка. Фундаментальные законы физики и химии говорят в пользу того, что жизнь должна быть достаточно распространенным явлением в Космосе. Вместе с тем, они накладывают достаточно жесткие ограничения на условия, при которых жизнь может зародиться. Эти условия, как показывает история Земли и других планет, зависят от того, как образовалась и эволюционировала планета. Практически в каждой эпохе солнечных планет были эпохи, в которых происходили резкие изменения состава атмосферы, вулканической активности, метеоритной бомбардировки, перестройки коры планет или их поверхности. Причем эти изменения зачастую носили случайный характер, что делало зарождения и развития жизни также вероятностным процессом. Из сказанного ясно, что возможность зарождения жизни в Космосе вообще можно оценивать только с позиций теории вероятностей. Подобную попытку предпринял американский астроном Фрэнк Дрейк, предложивший свою, ставшую впоследствии знаменитой, формулу. Эта формула позволяет рассчитывать число внеземных цивилизаций в Галактике, с которыми у человечества есть шанс вступить в контакт. Формула состоит из семи сомножителей, в которых фигурирует три конкретных величины и четыре случайных (последние и являются следствием случайного происхождения жизни). Рассмотрим подробнее саму формулу и заложенные в нее исходные положения. Выглядит формула следующим образом.

N = R · f_p · n_e · f_l · f_i · f_c · L

где N — количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт, R — количество звёзд, образующихся в год в нашей галактике, f_p — доля солнцеподобных звёзд, обладающих планетами, n_e  — среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями для зарождения цивилизации, f_l  — вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями,  fi — вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь, f_c  — отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь, L —  время жизни такой цивилизации (то есть время, в течение которого цивилизация существует, способна и хочет вступить в контакт). Еще 40 лет назад даже такие параметры, как количество звезд, образующихся в нашей галактике в год и среднее количество планет с подходящими для зарождения жизни условиями определялись с большой неопределенностью. Развитие астрофизики и планетологии позволили уточнить не только эти, но лучше представить ситуацию со случайными величинами.  Тем не менее в формуле Дрейка слишком много вероятностных множителей, которые могут быть определены с большой ошибкой по отношению к реальной ситуации. Все это приводит к большой ошибке в определении N. В качестве примера приведем пессимистическую и оптимистическую оценку числа разумных цивилизаций в нашей галактике, взятую из Википедии.

Для оптимистической оценки имеем:

R = 20/год, f_p = 0,1, n_e = 0,5, f_l = 1, f_i = 0,5, f_c = 0,1, и L = 100 000 лет.

N = 20 · 0,1 · 0,5 · 1 · 0,5 · 0,1 · 100 000 = 5000 (мы, скорее всего, установим контакт).

Для пессимистической оценки имеем:

R = 10/год, f_p = 0,5, n_e = 0,005, f_l = 1, f_i = 0,001, f_c = 0,01, и L = 500 лет.

N = 10 · 0,5 · 0,005 · 1 · 0,5 · 0,001 · 500 = 0,000125 (мы, скорее всего, одиноки).

Как видно из приведенных оценок разброс значений очень велик.

Недавно была опубликована работа Тома Вестби и Кристофера Конселиче, в которой были сделаны оценки верхнего и нижнего пределов числа разумных жизней в нашей Галактике на основе новой информации  по эволюции звезд, распространенности  металлов и наличия солнцеподобных звезд, содержащих земляподобные планеты в зоне жизни. Они нашли, что минимальное число таких звездных цивилизаций может быть равно 4, а максимальное около 60. Приведенные цифры, равно как и данные Википедии следует рассматривать игру чисел, в которой изменение всего лишь одного параметра, например, времени жизни цивилизации может радикально изменить количество высокоразвитых цивилизаций. Как обстоит дело в реальности люди узнать смогут в будущем.