Книга: Математика космоса [Как современная наука расшифровывает Вселенную]

* * *

Разум целит высоко. Разумная жизнь, даже инопланетная, должна непременно менять правила игры и среду обитания.

Оценивая шансы на существование инопланетной жизни, очень легко попасть в ловушку, решив, что идеальным местом для инопланетян должна быть планета, во всем подобная Земле, — примерно такого же размера, на схожем расстоянии от схожего с нашим светила, с поверхностью, состоящей частично из камня, частично из жидкой воды (как у нас), и кислородом в атмосфере (опять же как у нас). Да, Земля — единственная обитаемая планета, которую мы знаем, но мы ведь только недавно начали поиск. У нас, в Солнечной системе, все остальные миры кажутся пустынными и негостеприимными, хотя, как мы еще увидим, с такими выводами спешить не следует. Так что, кажется, лучше всего искать жизнь за пределами Солнечной системы.

Шансы на то, что жизнь существует еще где-то, сильно повышает фундаментальный биологический принцип: жизнь приспосабливается к преобладающим условиям. Даже на Земле мы видим поразительное разнообразие мест, где обитают живые существа: они есть и в глубинах океана, и высоко в атмосфере, в болотах и пустынях, в кипящих источниках, под антарктическими льдами и даже под землей на трехкилометровой глубине. Представляется разумным предположить, что инопланетные формы жизни могут обитать в еще более широком диапазоне условий. Возможно, мы с вами не смогли бы жить там, но на самом деле человек и на Земле в большинстве обитаемых мест не выжил бы без посторонней помощи. Критерии обитаемости зависят от того, кто именно там должен обитать.

У нас же даже терминология выдает глубоко въевшиеся предубеждения. В последние годы биологи открыли бактерии, способные жить в кипящей воде, и другие бактерии, способные выносить очень низкие температуры. Вместе те и другие называются экстремофилами — существами, которые любят крайности. Их часто описывают как существа, с неимоверным трудом выживающие во враждебной среде и постоянно балансирующие на грани вымирания, но в реальности они прекрасно приспособлены к своей среде обитания и, будучи перенесенными в нашу, непременно погибли бы. В сравнении с ними нас можно назвать экстремофилами.

Вся жизнь на Земле взаимосвязана; судя по всему, она вся развилась из единственной первичной биохимической системы. В этом качестве «жизнь на Земле» во всем ее богатейшем разнообразии сводится к единственной экспериментальной точке. Принцип Коперника гласит, что ни в человеческих существах, ни в среде их обитания нет ничего экстремально особенного. Если так, наша планета вряд ли окажется уникальной, но это не означает также, что она обязательно должна оказаться типичной. Биохимики получили немало необычных вариантов молекул, представляющих собой основу земной генетики, — это ДНК, РНК, аминокислоты, белки, — когда попытались выяснить, действительно ли задействованные на Земле молекулы являются единственным работающим вариантом. (Выяснилось, что это не так.) Для решения подобных вопросов часто привлекается, помимо биологии, и математическое моделирование, поскольку мы не можем быть уверены в том, что в других местах биология окажется такой же, как здесь. Она может строиться на принципиально другой химии или вообще обходиться без химии, не имея молекулярной основы.

Сделав такую оговорку, весьма разумно будет начать с единственной доступной нам экспериментальной точки, не забывая, однако, что это лишь первый шаг к более экзотическим вариантам. Это неизбежно приводит нас к одной из непосредственных целей охотников за планетами — найти землеподобную планету.

В астробиологических кругах много споров происходит вокруг так называемой зоны обитаемости вокруг звезды. Под зоной обитаемости подразумевается вовсе не область, которая реально может оказаться обитаемой. Это просто та область пространства вокруг звезды, в пределах которой на гипотетической планете с достаточным давлением атмосферы могла бы существовать жидкая вода. Стоит подойти к звезде поближе — и вода вскипит и испарится; стоит отодвинуться — и она замерзнет и превратится в лед. В промежутке же температура «в самый раз», и понятно, что эта область получила неофициальное название «зона Златовласки» или «зона жизни».

В Солнечной системе обитаемая зона лежит где-то между 0,73 и 3 а.е. от Солнца — о точных ее границах ученые спорят. Венера слегка касается внутренней границы этой зоны, а внешняя ее граница доходит аж до Цереры, так что и Земля, и Марс свободно попадают внутрь. Так что «в принципе» на поверхности и Венеры, и Марса могла бы присутствовать жидкая вода. На практике, правда, все сложнее. Средняя температура на поверхности Венеры составляет 462 °C — хватит, чтобы расплавить свинец. Дело в том, что на Венере парниковый эффект вышел из-под контроля и ее атмосфера стала настоящей ловушкой для тепла. Найти там жидкую воду, мягко говоря, шансов немного. На Марсе средняя температура составляет минус 63 °C, так что всегда считалось, что вода там существует только в виде льда. Однако в 2015 году выяснилось, что марсианским летом некоторое небольшое количество льда все же тает, просачиваясь вниз по склонам некоторых кратеров. Ученые и раньше подозревали это, поскольку на склонах видны темные полосы, но решающим доказательством является присутствие летом, когда эти полосы удлиняются, гидратированных солей. Вероятно, около 3,8 миллиарда лет назад на поверхности Марса было полно воды, но затем он потерял значительную часть своей атмосферы, которую унесло солнечным ветром после ослабления магнитного поля планеты. После этого вода частично испарилась, частично замерзла. Она и сегодня по большей части пребывает в этом состоянии.

Таким образом, расстояние от центрального тела не единственный критерий. Концепция зоны обитаемости дает простое и понятное направление поиска, но направления не являются жесткими. Жидкая вода не обязана существовать внутри зоны обитаемости и вполне может существовать за ее пределами. Планета, расположенная близко к звезде, может находиться в слишком горячей зоне, но если она состоит со своей звездой в спин-орбитальном резонансе 1:1, то получается, что она всегда обращена к звезде одной и той же стороной — и тогда на этой стороне очень жарко, а на другой — чрезвычайно холодно. В промежутке при этом имеется переходная температурная зона под прямым углом к экватору. (На раскаленном Меркурии в полярных кратерах, куда никогда не проникают солнечные лучи, есть лед. И эта планета даже не состоит с Солнцем в резонансе 1:1.) У планеты с покрытой льдом поверхностью может быть какой-то внутренний источник тепла — в конце концов, у Земли же он есть, — который расплавляет часть льда. Толстая атмосфера с большим содержанием углекислого газа или метана тоже способна разогреть планету. Неустойчивая ось вращения может помочь планете остаться теплой вне обитаемой зоны, неравномерно распределив тепло. Планета на вытянутой орбите может запасать энергию вблизи звезды и высвобождать ее, отдаляясь, даже если в среднем она и не будет попадать в обитаемую зону. Вблизи красного карлика может находиться планета с толстой облачной атмосферой, помогающей более равномерно распределить тепло.

В 2013 году телескоп Kepler нашел две экзопланеты, похожие на Землю сильнее всех открытых на тот момент. Обе эти планеты обращаются вокруг одной и той же звезды Кеплер-62 в созвездии Лиры и обозначаются Кеплер-62e и Кеплер-62f. Обе они по диаметру примерно на 50 % больше Земли и, возможно, представляют так называемые суперземли — каменные тела тяжелее Земли, но не такие массивные, как Нептун. Или, возможно, они состоят из спрессованного льда. Эти планеты уверенно располагаются в зоне жизни звезды Кеплер-62, так что при подходящих условиях (таких как схожая с земной атмосфера) на их поверхности могла бы быть жидкая вода.

В начале 2015 года NASA объявило об открытии двух новых экзопланет, еще больше похожих на Землю. Кеплер 438b на 12 % больше Земли и получает на 40 % больше энергии от своей звезды, которая находится от нас на расстоянии 479 световых лет. Кеплер 442b на 30 % крупнее Земли и получает на 30 % меньше энергии; до ее звезды от нас 1292 световых года. Их существование невозможно подтвердить по соответствующим колебаниям блеска звезд. Вместо этого астрономы используют тщательное сравнение результатов измерений и их статистический анализ. Судя по размеру, это, вероятно, каменные планеты, хотя их массы нам неизвестны. Находятся они в зоне обитаемости, так что на них вполне может быть жидкая вода.

Среди других подтвержденных экзопланет, похожих по своим характеристикам на Землю, Глизе 667Cc и 832c, а также Кеплер 62e, 452b и 283с. Пока неподтвержденный кандидат в планеты от Kepler KOI-3010.01 тоже относится к земному классу, если существует. Миров, подобных нашему, много — и недалеко, по космическим меркам, но для техники сегодняшнего дня или представимого будущего они совершенно недостижимы.

Питер Бехрузи и Молли Пиплз пересмотрели и заново интерпретировали статистику экзопланет Kepler в контексте нашего знания о том, как возникают звезды в галактиках; они вывели формулу того, как меняется со временем число планет во Вселенной. Долю землеподобных планет тоже можно вывести из этого числа. Добавив в формулу нынешний возраст Вселенной, исследователи получили оценку: они считают, что в настоящий момент существует примерно 100 квадриллионов землеподобных планет. Это приблизительно по 500 млн планет на галактику, так что в нашей Галактике, вероятно, имеется полмиллиарда планет, очень похожих на нашу.

Фокус внимания астробиологов в настоящее время смещается от буквально землеподобных планет к мирам других типов, в которых можно разумно предположить вероятность жизни. По результатам моделирования, которое провели Димитар Сасселов, Диана Валенсия и Ричард О’Коннелл, суперземли могут оказаться более подходящими для жизни, чем наша собственная планета. Причина — в тектонике литосферных плит. На Земле движение материков помогает стабилизировать климат, осуществляя рециркуляцию углекислого газа через океанское дно, субдукцию и вулканы. При стабильном климате у воды больше шансов сохраниться в жидкой форме, а это, в свою очередь, дает жизни, если она основана на воде, больше времени на развитие. Так что дрейф континентов может повышать пригодность планеты для жизни.

Группа Сасселова обнаружила, что, вопреки ожиданиям, континентальный дрейф, вероятно, представляет собой обычное явление и может происходить в том числе и на более крупных, чем Земля, планетах. Литосферные плиты там должны быть тоньше, чем здесь, и двигаться они должны быстрее. Так что и климат на суперземле, по идее, должен быть еще более стабильным, чем у нас, что облегчило бы развитие сложных форм жизни. Вероятное общее число землеподобных планет довольно велико, но, по сравнению с другими, такие миры встречаются редко. Однако суперземель во Вселенной должно быть гораздо больше, что сильно улучшает перспективы для землеподобной жизни. Так что хватит говорить о том, что Земля — «редкая планета». Мало того, Земля не слишком подходит для тектоники материковых плит, она едва-едва укладывается в самый нижний сегмент диапазона подходящих размеров.

Вот вам и Златовласка.