Мы уникальны. И, вероятно, одиноки

Каждому, кто убеждён (пусть и в душе) в своём превосходстве над другими и в величии своего жизненного пути, нужно почаще смотреть на эту фотографию:

Та самая pale blue dot. Это Земля, какой её увидел в 1990-м году «Вояджер-1», к тому моменту улетевший на 6 млрд километров от Солнца. Никто не сказал ещё об этой фотографии лучше Карла Сагана. Человеческая цивилизация невообразимо незначительна даже в масштабах Солнечной системы, что уж говорить о Млечном Пути или ещё более крупных звёздных скоплениях… Одиноки ли мы как цивилизация? Или хотя бы как жизнь, возникшая на планете? У сторонников ответов «да» и «нет» есть пачки аргументов, от «если мы не одни, то где все?» до «мы такие примитивные, что пока не можем никого заметить». 

Недавно в журнале «Ежемесячные заметки Королевского астрономического общества» опубликовали исследование, которое добавляет монеток в копилку тех, кто считает, что кроме нас во Вселенной вряд ли есть цивилизации. Потому что им мало где можно возникнуть.

Гипотеза уникальной Земли

Каждому, кто интересуется темой внеземной жизни, знаком парадокс Ферми. Остальным напомню. В 1950-м году физик Энрико Ферми, работавший в Лос-Аламосе и Манхэттенском проекте, задался вопросом: в Галактике несметное количество звёзд и планет, и есть большая вероятность того, что должны были возникнуть технически развитые цивилизации, освоившие межзвёздные перелёты и колонизировавшие Галактику; но почему тогда мы до сих пор никого не увидели в телескопы и не услышали в радиодиапазоне? Где все?

Ответов на парадокс Ферми за прошедшие с тех пор 70 лет предложили немало. В какой из них верить, выбирайте сами. Например, «Великое Молчание» объясняют «гипотезой уникальной Земли»: мы — единственная жизнь в Галактике. Или хотя бы единственная, создавшая цивилизацию. Сторонники этой гипотезы считают, что, несмотря на обилие экзопланет в Млечном Пути, подходящие условия для возникновения и развития сложной экосистемы встречаются очень редко. И ещё не факт, что жизнь там обязательно возникнет, не говоря уже о появлении развитой цивилизации. То есть мы все выиграли в уникальной лотерее.

Если задуматься, то это вовсе не такой самонадеянный вывод, как может показаться. Предположение о распространённости разумных форм жизни строится на двух идеях:

• изотропности Вселенной, которая на макроскопическом уровне неизменна во всех направлениях;

• принципе Коперника, согласно которому если какой-то образец был выбран случайным образом, то велика вероятность, что он представляет некое большинство. Применительно к космологии это означает, что планеты земного типа должны быть распространены во Вселенной.

А если принцип Коперника в нашем случае не соблюдается? Вдруг Земля относится к очень редкому типу планет? Что если мы — пиковый всплеск? Учитывая, что с нашими возможностями по наблюдению за космосом в разных диапазонах излучения мы до сих пор не нашли никаких доказательств существования внеземного разума, гипотеза уникальной Земли вовсе не выглядит надуманной.

Гипотезу сформулировали в своей книге Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe Питер Уорд (профессор палеонтологии) и Дональд Браунли (профессор астрономии). Они предположили, что в планетарных системах часто встречаются микробные формы жизни, а развитые формы (животные) — редко. То есть на нашей планете сложилась крайне редкая цепочка причинно-следственных связей, которая привела к формированию столь сложной биосферы.

Противники этой гипотезы часто приводят в качестве аргумента формулу Дрейка. Её предложил 1960-м году профессор астрономии и астрофизики Фрэнк Дрейк для вычисления количества технологически развитых цивилизаций в Млечном Пути, с которыми мы можем встретиться. 

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;

• f_i — 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, в течение которого разумная жизнь существует, может вступить в контакт и хочет этого.

Слабое место этой формулы в том, что она очень субъективна и с её помощью можно получить любые результаты: сегодня мы просто не можем подставить точные значения большинства переменных — мы их не знаем. Да, с развитием науки и техники учёные постепенно уточняют расчёты. Например, сейчас считается, что в Млечном пути 250-500 млрд звёзд. В 2013 году учёные предположили, что планет земного размера в зонах обитаемости может быть порядка 40 млрд, из них 11 млрд могут вращаться вокруг звёзд наподобие Солнца.

Однако как быть с такими субъективными переменными из этой формулы, как «вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями» и «вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь»? Да, на Земле 4 млрд лет назад возникли одноклеточные организмы, от которых произошли все известные нам существа, в том числе и мы. Является ли это неизбежным, или хотя бы распространённым сценарием? Или очень редким? Как оценить вышеупомянутые вероятности?

Уорд и Браунли предложили свою версию формулы Дрейка:

Где:

• N — количество звёзд в Млечном Пути;

• n_e — среднее количество планет в зоне обитаемости звезды;

• f_g — доля звёзд в галактической зоне обитаемости;

• f_p — доля звёзд с планетами в Млечном Пути;

• f_pm — доля каменных планет;

• f_i — доля обитаемых планет с микробными формами жизни;

• f_c — доля планет со сложными формами жизни;

• f_l — доля времени жизни планеты, в течение которой на ней существуют сложные формы жизни;

• f_m — доля обитаемых планет с большим спутником;

• f_j — доля звёздных систем с большими газовыми гигантами;

• f_me — доля планет с малым количеством событий, приводящих к вымиранию жизни.

Да, многие переменные здесь тоже субъективны. Но если взять в качестве примера Землю и применить принцип Коперника, то становится очевидно, насколько сложно найти планеты, удовлетворяющие всем этим критериям. Более того, Уорд и Браунли предложили ещё три фактора, которые, по их мнению, помогли возникновению и эволюции жизни на Земле.

Тектоника плит. Благодаря обилию радиоактивных изотопов под земной корой генерируется достаточно тепла, чтобы поддерживать мантию в вязком состоянии и стимулировать тектонику плит. Этот процесс позволяет связывать углерод в виде карбонатных пород и периодически высвобождать CO2 через вулканическую активность. Благодаря этим механизмам в нашей атмосфере поддерживается относительно стабильный уровень двуокиси углерода, что помогло сохранять стабильность климата, а средний уровень температур оставался в допустимых пределах. 

Вторые два фактора: глобальные оледенения. За историю Земли она дважды сильно охлаждалась и полностью покрывалась льдом (гипотеза «Земли-снежка»): 2,2 млрд и 635 млн лет назад. Как ни парадоксально, но эти экстремальные оледенения способствовали развитию жизни. Первое стимулировало развитие фотосинтезирующих микроорганизмов, что привело к сильном уменьшению уровня парниковых газов в атмосфере и высвобождению кислорода — Кислородная катастрофа (или революция) в период 2,4-2,2 млрд лет назад. После второго оледенения произошёл Кембрийский взрыв (570-530 млн лет назад): бурное развитие видов и возникновение почти всех существующих сегодня эволюционных веток животных. 

Но за прошедшие 20 лет накопились новые научные открытия, которые пошатнули гипотезу уникальной Земли. Например, среди известных нам экзопланет почти 1,5 тысячи приходится на каменные, и многие из них вращаются вокруг красных карликов. Уорд и Браунли утверждали, что на других планетах Солнечной системы нет тектоники плит, но признаки тектонического движения ледяного покрова обнаружили на Плутоне и его спутнике Хароне, на спутниках Юпитера. Есть много свидетельств, что когда-то активное геологическое движение было и на Марсе — так называемая «Марсианская дихотомия». Так что не факт, что тектоника плит обязательна для формирования жизни. 

С наличием больших спутников тоже не всё однозначно. Некоторые учёные считают, что они встречаются вовсе не так редко, как думали Уорд и Браунли. Критикуют и такую переменную в их формуле, как наличие газовых гигантов в планетарных системах. Раньше считалось, что Юпитер оттягивал на себя крупные тела, способные погубить всю жизнь на Земле, но есть мнение, что он только усугублял ситуацию.

Кроме того, в учёной среде нет единства и по поводу размеров зоны обитаемости. Одни считают, что она гораздо у̒же, чем считалось, другие — что шире. Быть может, Земля вообще не располагается на самом выгодном расстоянии от Солнца и есть гораздо более пригодные для жизни планеты. Наконец, геологи справедливо указывают, что в древности состав атмосферы и климат сильно отличались от современных, однако это не помешало возникновению жизни и её эволюции.

Свет всему голова

Сегодня нам известно больше 4 тысяч экзопланет в нашей галактике (1, 2). Но планеты земного типа, да ещё и в зоне обитаемости — диапазоне удалений от звезды, когда тепла достаточно для существования жидкой воды на поверхности — встречаются в разы реже. Мы знаем лишь про небольшое количество потенциально пригодных для обитания каменных экзопланет. Но пригодными они считались до упомянутого выше исследования. Его авторы решили выяснить, на каких известных нам экзопланетах есть условия, которые нужны для протекания биохимического процесса, сделавшего возможной жизнь на Земле — кислородного фотосинтеза. 

Конечно, это уже само по себе является субъективным допущением, ведь жизнь не обязана возникнуть и развиваться в кислородной среде, мы так судим лишь потому, что не знаем иных условий. Но тем не менее. Сочетая двуокись углерода с водой и светом, растения на нашей планете способны синтезировать сахар и кислород. Причём газ в этом процессе является побочным продуктом. Сам биохимический процесс протекает сложно, но общая формула простая:

6CO₂ + 6H₂O + свет → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

Многие учёные предполагают, что фотосинтез широко распространён в галактике благодаря доступному количеству излучения от звёзд, сравнительной простоте процесса и изобилию исходных химических элементов. Однако авторы исследования пошли дальше и проанализировали, получают ли уже известные нам экзопланеты в зоне обитаемости достаточно фотосинтетически активной радиации (photosynthetically active radiation, PAR) — космического излучения с длиной волны в пределах 400-800 нм, — которую может использовать большинство земных растений для поддержания жизни. На основе этого параметра авторы исследования оценили, на скольких известных нам экзопланетах может поддерживаться биосфера земного типа. Для этого рассчитали долю потока фотонов в диапазоне 400-800 нм. У Солнца на них приходится 34 % излучения.

Вот сравнение уровня фотосинтетически активной радиации на Земле и некоторых экзопланетах, расположенных в зоне обитаемости:

Красные линии — уровень эксергии, синие — полный поток энергии в диапазоне PAR. Графики построены по функциям эффективных температур соответствующих звёзд. Сплошные линии обозначают внутренние границы зоны обитаемости, пунктирные — внешние. Оранжевыми точками обозначены расчётные значения потока энергии на поверхностях планет земного типа:

• Trappist-1e 

• Trappist-1f

• Trappist-1g

• Kepler-186f

• Kepler-62f

• Kepler-442b

• Kepler-1229b

• Kepler-1649c

• TOI-700d

• Proxima Cen b

Оказалось, что по этому критерию в Млечном Пути трудно найти подходящий для жизни дом. Звёзды, излучающие половину потока энергии Солнца, не дают достаточно энергии даже для возникновения богатой биосферы. Ещё хуже обстоят дела с красными карликами — самым многочисленным типом звёзд в нашей галактике, — которые втрое холоднее Солнца: они вообще не могут поддерживать фотосинтез. На другом конце шкалы находятся огромные и яркие звёзды, дающие достаточно энергии для протекания биосинтеза. Но их ядерное топливо быстро истощается, они либо выгорают, либо взрываются до того, как появившаяся на их планетах жизнь успевает эволюционировать. 

Плохие новости для всех, кто ищет признаки внеземной жизни, ведь для поддержания богатой биосферы требуется соблюдение ещё более жёстких ограничений, чем считалось раньше. Земля — достаточно крупная планета с наивысшим уровнем потока PAR-фотонов и наивысшей эксергией. Впрочем, у Kepler-442b уровень PAR-фотонов даже чуть выше, чем нужно для поддержания большой биосферы наподобие земной. К тому же эта планета вращается не синхронно, да ещё и вокруг звезды спектрального класса К, так что она хороший кандидат на поиски признаков жизни. Впрочем, нельзя забывать, что на Земле генерирование биомассы ограничено не только потоком света нужных длин волн, но и доступностью необходимых веществ. Кроме того, процесс фотосинтеза сложен и нелинейно зависит от потока света. То есть сравнимая по размеру с нашей биосфера может возникнуть и на планетах с более низким уровнем PAR-потока. Наконец, исследователи не учитывали эффект поглощения атмосферой части излучения. 

Есть и ещё один аргумент, смягчающий неутешительные результаты исследования. Авторы отталкивались от «принятого» на Земле диапазона длин волн 400-800 нм, но в других мирах могут возникнуть организмы, способные преобразовывать в органические вещества свет других длин волн. Например, рядом со звёздами красной части спектра могут жить существа, потребляющие почти инфракрасное излучение длиной 1050 и 1400 нм, то есть процесс фотосинтеза будет протекать с использованием трёх или четырёх фотонов, а не двух, как на Земле. А ещё возможна биосфера на основе бескислородного фотосинтеза, когда вместо воды используется другой донор водорода. Скажем, на Земле есть анаэробные пурпурные бактерии, которые заменили воду на H₂S. Подобные организмы способны использовать свет с большей длиной волны, что могло бы стать эволюционным преимуществом на планетах, вращающихся вокруг холодных звёзд. 

_______________________________________________________________________________

Формально, ставить крест на поисках внеземной жизни рано. Хотя исследование сильно сократило количество потенциально пригодных для развития жизни планет, их количество всё же не исчезающе мало.