По каким признакам можно найти жизнь в других звездных системах?
За последние три десятилетия астрономы обнаружили более 5000 экзопланет. Новости об очередных открытиях подобных объектов уже не вызывают того энтузиазма, что в начале. Публика искренне надеется услышать о внеземных цивилизациях или просто о наличии жизни хоть на одном из них. Что ж, не исключено, что этот прорыв в исследовании Вселенной произойдет в обозримом будущем. Начал работу космический телескоп «Джеймс Уэбб», а в ближайшее десятилетие к нему присоединятся наземные обсерватории нового поколения. Таким образом, высокоточные и мощные инструменты поиска ученым будут предоставлены. Остается понять, куда направить их взоры.
Поиск инопланетян начался давно. Ещё до того, как были обнаружены первые планеты за пределами Солнечной системы. После изобретения радио люди стали отправлять в космос сигналы, и предположение о том, что представители внеземных цивилизаций делают то же самое, казалось логичным. В 1984 году поиск сообщений этого типа начала программа «SETI». К сожалению, до настоящего времени ни одного из них принято так и не было.
64-х метровый радиотелескоп в Обсерватория Паркса (Австралия)
Впрочем, в этом нет ничего удивительного. Человечество пользуется радио менее двухсот лет, а жизнь на планете возникла миллиарды лет назад. Возможно, наши соседи ещё просто не изобрели эту технологию или успели отказаться от неё за ненадобностью? Естественно, чтобы повысить шансы найти инопланетную жизнь, нужно искать что-то более универсальное. Какой-то сигнал, который зеленые человечки могут отправить, сами того не желая. В частности, тот, что именуется биосигнатурой. При этом надо учитывать, что мы пока не в состоянии узнать заранее, на что будет похожа жизнь на той или иной планете, поэтому ученые вынуждены ориентироваться на земную биологию.
Вид с поверхности землеподобной экзопланеты в представлении художника
Вследствие того, что экзопланеты находятся от нас на огромном расстоянии, исследования ведутся с помощью телескопов. Они улавливают мизерное количество света, исходящего от этих небесных тел, после чего астрономы проводят анализ спектра. По наличию в нем тех или иных цветов можно получить важнейшую информацию об этих далеких мирах. В том числе и биосигнатуры. Но сделать это на практике чрезвычайно сложно. Телескопы вынуждены работать с исчезающе малыми значениями. Так, например, планета размером с Землю выглядит как пятнышко, которое в миллион раз меньше своей звезды, и нередко оно находится внутри того же самого пикселя, что светило.
Картинка иллюстрирует, как ученые используют спектроскопию, чтобы определить, какие вещества присутствуют в атмосфере небесного тела
Без сверхчувствительных обсерваторий вроде «Джеймса Уэбба» здесь не обойтись никак. Этот телескоп уже помог получить спектры атмосфер нескольких экзопланет, в результате чего там обнаружились, в частности, вода и углекислый газ. Пока он рассматривает горячие газовые гиганты, которые, как считается, непригодны для известной нам жизни. Однако эти результаты являются убедительным доказательством работоспособности метода. Можно надеяться, что, обратив внимание на планеты земного типа, мы сможем разглядеть биосигнатуры и там.
Данные о составе атмосферы экзопланеты WASP-96 b полученные телескопом Джеймса Уэбба
Их можно разделить на категории, и к первой из них мы отнесем атмосферные. Некоторые газы производятся преимущественно живыми существами. По крайне мере, вероятность их биологического происхождения гораздо выше абиотического. Чтобы быть замеченными в спектре экзопланеты с Земли, они должны присутствовать в атмосфере в достаточно высокой концентрации. Кроме того, их сигнатуры внутри спектра не должны пересекаться с сигналами других абиотических субстанций. Речь, в частности, идет о кислороде и метане, которые как минимум у нас являются побочными продуктами метаболической деятельности живых организмов. Это самые перспективные атмосферные биосигнатуры, так как их легче всего обнаружить с помощью имеющихся в распоряжении науки технологий.
Кислород вырабатывается растениями, водорослями и бактериями во время фотосинтеза, а производством метана занимаются разновидности бактерий, прижившиеся в средах с низким содержанием кислорода, например, на дне океана. Оба газа могут образовываться также вследствие абиотических процессов. Кислород генерируется при расщеплении молекул воды ультрафиолетовым светом, а метан в вулканической среде. Таким образом, если «Джеймс Уэбб» обнаружит планету, в атмосфере которой есть названные газы, это не будет автоматически значить наличие жизни на данном космическом объекте. Но если там будет значительный их объем, сохраняющийся в течение длительного времени, это уже довольно жирный намек.
Kepler-442 b в представлении художника
Кислород и метан охотно вступают в реакции с другими веществами. Первый делает это с материалом, например, горных пород, а второй расщепляется солнечным светом. Они также легко взаимодействуют друг с другом, образуя углекислый газ и воду. Устойчивое присутствие в атмосфере будет означать, что их запас постоянно пополняется. Вполне возможно, что биологическими жизненными формами. Естественно, здесь все проистекает из предположения, что последние способны к фотосинтезу или метаногенезу. Но, если задуматься, почему бы и нет? На Земле есть растения, люди, индейки, осьминоги, грибы, бактерии... Их метаболизм генерирует те или иные побочные продукты, поэтому было бы логично предположить, что на других планетах происходит ровно то же самое. Причем искать следует не только кислород и метан.
Бромметан
К числу более экзотических атмосферных биосигнатур относится, в частности, бромметан. Это газ, вырабатывающийся микробами, водорослями, растениями и грибами, пытающимися избавиться от токсичных металлов, а также галогенидов. На Земле единственным крупным абиотическим источником бромметана является промышленность. Что, конечно же, говорит само за себя. Также в этом ряду достоин упоминания оксид азота (веселящий газ), который генерируется бактериями и грибами, расщепляющими некоторые соединения азота. Абиотическими его производителями выступают разряды молний и интенсивная солнечная активность, но ученые могут идентифицировать эти «примеси», так как параллельно с ними образуются другие вещества, заметные в спектре.
Впрочем, у альтернативных биосигнатур есть существенный недостаток. Они генерируются в гораздо меньших объемах, чем кислород или метан, и легко разрушаются ультрафиолетовым излучением. Но это не значит, что их нельзя увидеть при всем желании. Эти соединения были бы заметнее в спектре экзопланеты, вращающейся вокруг не похожей на Солнце звезды. А именно намного менее массивной и яркой. Также необходимо, чтобы светило было более красным и не производило лишнего ультрафиолета. Этим условиям вполне удовлетворяет система TRAPPIST-1, которая располагается совсем неподалеку от нас. Здесь вокруг древнего красного карлика вращаются целых семь планет земного типа.
Иллюстрация системы TRAPPIST-1
К сожалению, выделить слабые экзотические биосигнатуры на них может оказаться не под силу даже «Джеймсу Уэббу». Возможно, в данном случае ученым придется подождать до появления телескопов следующего поколения. Это, например, обсерватория «PLATO» Европейского космического агентства, запуск которой намечен на 2026 год. Предполагается, что она будет наблюдать за отдельными звездными системами гораздо дольше, благодаря чему данные спектроскопии станут более обстоятельными. Возлагаются надежды и на обсерваторию «LUVOIR-A», которая будет мощнее и «Хаббла», и «Уэбба». Диаметр её зеркала составит 15 метров. Но это далекая перспектива, так как проект находится на стадии первоначального рассмотрения и будет реализован в лучшем случае в 40-х годах этого столетия.
Возможный вид космического телескопа LUVOIR-A
Биосигнатуры могут поступать и с поверхности планеты. Если посмотреть на Землю из космоса, то присутствие человечества можно заметить хотя бы по искусственному освещению. Виды, не достигшие такого уровня технологического развития, способны заявить о себе посредством биолюминесценции. А ещё можно присмотреться к биосигнатурам, возникающим в результате взаимодействия жизни со звездным светом. Почему Земля с небольшой высоты кажется зеленой? Потому что она покрыта растениями. Почему мы видим именно этот цвет? Из-за фотосинтеза. Растительные клетки, осуществляющие его, заполнены пигментом, поглощающим солнечный свет на одних длинах волн и отражающим на других. В первом случае это красный и синий, а во втором – зеленый.
Однако охотнее всего растения отражают инфракрасный цвет, который человеческий глаз не воспринимает. Если бы инопланетяне посмотрели на Землю в телескоп со своей планеты, то увидели бы эффект, который именуется «красным краем» фотосинтеза. Если эта внеземная цивилизация хоть чем-то похожа на нас, то её астрономы должны знать, что воспроизвести его способны лишь считанные абиотические источники. Естественно, ничто не мешает и нам искать эту характерную биосигнатуру во Вселенной. Проблемой в данном случае может стать облачность, которая закрывает «источник информации». Согласно имеющимся представлениям, фотосинтез наиболее вероятен на теплых, богатых водой небесных телах, то есть именно тех, чья атмосфера скорее всего будет наполнена облаками и тучами.
Напоследок упомянем временные биосигнатуры, которые генерируются и в атмосфере, и на поверхности экзопланеты. Чтобы выявить их, требуется очень длительное наблюдение. Здесь предстоит искать регулярно повторяющиеся паттерны, которые позволяют обоснованно допустить смену жизненных циклов по мере движения небесного тела вокруг звезды. Это могут быть сезонные изменения концентрации газа в атмосфере, указывающие на расцвет и увядание жизни на поверхности. На Земле, например, уровень углекислого газа снижается летом, когда его активно потребляют растения, и вновь повышается зимой. Также от времени года зависит интенсивность упомянутого выше красного края.
Избегать поспешных выводов следует и в случае с временными биосигнатурами. Сезонные колебания уровня метана, например, могут быть вызваны абиотическими причинами. Молекулы этого газа распадаются быстрее при более высокой влажности воздуха, которая склонна изменяться при смене времен года. Кроме того, не будем забывать, что на расстоянии в десятки и сотни световых лет сезонные колебания не слишком различимы – получаемые данные неумолимо стремятся к усреднению, так как лето в одном полушарии означает зиму в другом.
Как видим, с детекцией инопланетной жизни все и вправду обстоит очень непросто. Перспективы вроде бы есть, но все они туманны. Будем надеяться, что уже существующие телескопы и те, которые только строятся, создаются не зря. Вселенная огромна, и искать жизнь в ней невероятно сложно. Но если она все-таки будет найдена, это станет величайшим открытием за всю историю человечества.
Спасибо за внимание! Если вам понравилась статья, то можете поддержать ее "плюсиком" или подписаться на этот канал. Также хотелось бы упомянуть, что у нас есть свой Телеграм канал. Там мы постоянно публикуем интересные посты о космосе и астрономии.
Мы искренне ценим каждого нашего читателя. Если вы захотите поддержать нас материально (по кнопке ниже), то ваше имя/никнейм будут указаны в конце следующей публикации. Это наш маленький способ сказать "спасибо" за вашу доброту и поддержку!
Выражаем благодарность пользователю Пикабу под ником besiaka79 за поддержку!