Поиск жизни за пределами Солнечной системы

Вопросы о том, существуют ли внеземная жизнь в общем, и разумная жизнь, в частности, являются двумя из самых интригующих в современной науке. Открытие внеземной жизни, несомненно, приведет к революции, которая будет конкурировать с открытиями Коперника и Дарвина. Так какова же вероятность того, что Земля уникальна в возникновении и поддержании жизни? Недавние наблюдения с помощью космического аппарата Кеплера (рис. 1) и космических телескопов Хаббл и Спитцер позволяют сделать хотя бы приблизительную оценку этой вероятности. Астрономы, использующие Кеплер, обнаружили, что примерно одна из пяти (22%) звезд Солнца в Млечном Пути имеет планету размером с Землю в так называемой обитаемой зоне вокруг этой звезды.

Рисунок 2: «Зона обитаемости» вокруг звезды соответствует области, которая позволяет жидкой воде существовать на поверхности планеты. Источник : Petigura / UC Berkeley, Howard / UH-Manoa, Marcy / UC Berkeley.

Обитаемая зона (рисунок 2) – это окружность вокруг звезды, которая не слишком горяча и не слишком холодна, и жидкая вода может существовать на поверхности планеты. Это, конечно, не означает, что на этой планете реально возникнет жизнь, но планета в обитаемой зоне удовлетворяет хотя бы некоторым из необходимых условий для ее существования. Сколько таких планет существует в Млечном Пути? В нашей Галактике насчитывается около 100 миллиардов солнценоподобных звезд, что означает, что количество пригодных для жизни планет вокруг этих звезд около 20 миллиардов. Теперь оценим, сколько галактик существует в космосе? Оценки, полученные от Хаббл дали ученым число примерно в 200 миллиардов в наблюдаемой части Вселенной. Не все из этих галактик столь же велики, как Млечный Путь, но некоторые из них намного больше. Если мы используем закон больших чисел, и существует только одна планета (Земля) с жизнью на ней, вероятность того, что планета будет поддерживать жизнь, должна быть такой же маленькой, как одна из четырехсот миллионов триллионов, или 2,5 × 10 -21. Более того, любое отклонение от этой вероятности (скажем, в 1000 раз, что возможно) привело бы к тому, что вообще не было бы планет с жизнью на них. Это делает маловероятным то, что мы – единственные во Вселенной.

Информация, полученная из результатов исследований Кеплера, говорит нам о том, что ближайшая из обитаемых планет, возможно, находится примерно в 12 световых годах от нас. Это делает такие планеты первоочередными мишенями для космического телескопа “Джеймс Уэбб” и для будущих оптико-ультрафиолетовых телескопов при поиске биомаркеров – признаков жизни в их атмосферах. Тем не менее разумные цивилизации могут быть достаточно редкими, что сделало бы среднее расстояние между такими цивилизациями в Млечном Пути довольно большим.  Что думает современная наука о характеристиках внеземной жизни?
Астробиология – это быстро развивающаяся междисциплинарная область исследований, которая исследует происхождение, частоту и эволюцию жизни во Вселенной. Однако учитывая, что до сих пор мы знаем только один пример жизни – тот, что на Земле – астробиология, как правило, исходит из предположения, что с точки зрения основных требований внеземная жизнь должна напоминать земной “шаблон”.
Ингредиенты, которые, как представляется ученым, имели решающее значение для возникновения жизни на Земле, были такими: определенный уровень экологической стабильности (например, не слишком много упавших астероидов); наличие жидкой воды; температуры и уровни излучения должныбыть не слишком экстремальны; надежный источник энергии (Солнце); и наличие определенных элементов, таких как кислород, углерод и фосфор. Разумно предположить, что многие или, возможно, даже все эти ингредиенты необходимы для возникновения жизни в любом месте (в конце концов, углерод, например, совершенно уникален по своей способности образовывать сложные молекулы), но пока мы не нашли инопланетную жизнь. И не знаем наверняка, какие из них абсолютно необходимы.

Рисунок 3: Структура ДНК. Пары оснований, AT и GC образуют ступени двойной спирали. Источник: Wikimedia Commons.

Рисунок 4: Черный курильщик. Источник: Wikimedia Commons.

Вся жизнь на Земле зависит от ДНК (рис. 3) и РНК для поддержания воспроизводства, выдачи инструкций на молекулярном уровне и обеспечения наследственности. Означает ли это, что наша земная ДНК универсальна во всем космосе? На самом деле трудно поверить, но исследования показывают, что даже наша ДНК могла бы продолжать функционировать даже после введения лабораторно созданных оснований в ее молекулярную структуру. Аналогичным образом, различные генетические коды могут быть использованы для создания аминокислот, которые являются строительными блоками белков. Кроме того, одним из столпов теории эволюции Дарвина посредством естественного отбора является концепция общего предка – по его словам, «все органические существа, которые когда-либо жили на Земле, произошли из какой-то изначальной молекулы». Это означает что тот факт, что вся жизнь на Земле использует одну и ту же ДНК, не удивителен, и это не обязательно означает, что это единственный способ для жизни развиваться. Биохимия, участвующая в возникновении жизни, также  может быть не уникальной. В то время как мы обычно обсуждаем процессы, основанные на углероде и кислороде, некоторые исследователи предположили, что сера и железо являются потенциальными альтернативами (например, в средах гидротермальных отверстий океанского дна, рис. 4). Существование экстремофильных форм жизни, которые выживают и даже размножаются в условиях, которые для нас кажутся экстремальными (например, очень холодные или очень жаркие температуры, высокая степень засоления), также предполагает, что жизнь может удивлять. Это означает, что единственная известная нам форма жизни  может сделать наши представлении о других возможных ее формах предвзятыми.

Какие шаги предпринимают астробиологи, чтобы обнаружить биомаркеры на  экзопланетах? Хотя трудно представить, что внеземная жизнь не существует в нашей галактике Млечный Путь, даже ближайшая планета, имеющая жизнь, может быть удалена от нас на десятки световых лет. Это означает, что наш лучший выбор в обнаружении такой жизни – это дистанционные наблюдения большими телескопами. В частности, будущие телескопы будут изучать экзопланетные атмосферы экзопланет для  поиска характерных биомаркеров, которые производятся только жизненными процессами.

Можно задаться вопросом, как другая цивилизация могла бы понять об обитаемости Земли, если бы эта цивилизация наблюдала Землю с расстояния десятков световых лет? Одним из показателей может быть относительно высокое содержание кислорода (около 21% ) и наличие озона (молекула, состоящая из трех атомов кислорода). Несмотря на то, что небольшое количество этого кислорода изначально было выброшено в атмосферу Земли за счет диссоциации воды излучением Солнца, подавляющее большинство было создано в результате фотосинтеза растениями и бактериями. Озоновый слой, вероятно, сыграл решающую роль в блокировании ультрафиолетового излучения Солнца, что позволило образовать более сложные молекулы. Водяной пар в атмосфере Земли (и связанный с ним выход жидкой воды на поверхность) стал бы еще одним положительным индикатором потенциального существования жизни на Земле для удаленного наблюдателя. Самое главное, однако для биорегуляции жизни – это атмосфера, которая выходит за пределы термохимического равновесия. Другими словами, астробиологи, наблюдая за атмосферой экзопланет, будут искать газы, обилие которых  несоответствует ожидаемым при равновесных химических процессах.

Рисунок 5: Телескоп ТЕСС. Источник: команда TESS.

Рисунок 6: Космический телескоп Джеймс Уэбб. Источник: Wikimedia Commons.

Рисунок 7: Концепция дизайна для 16-метрового космического телескопа (называемого ATLAST). Авторы: Northrop Grumman Aerospace Systems & NASA / STScI.

Два из самых перспективных телескопов для этого типа поисков в ближайшем будущем – это спутник Suriting Exoplanet Survey Satellite (TESS, рис. 5), который планируется запустить в 2017 году, и космический телескоп Джеймс Вебб (JWST, рис. 6), который планируется запустить в 2018 году. В то время как TESS не сможет обнаружить планеты размером с Землю вокруг солнцеподобных звезд, скорее всего, он найдет по крайней мере несколько планет размеров Земли, вращающихся вокруг  меньших звезд –  М-карликов, в обитаемой зоне вокруг этих звезд. JWST сможет детально изучить состав атмосферы этих планет.

Однако даже совместная работа TESS и JWST, работающих в тандеме (TESS, приводящее к обнаружению и JWST к атмосферным характеристикам последующего наблюдения), вряд ли найдет биосигналы. Тем не менее, вероятность найти жизнь все же не равна нулю. В частности, если при наличии нужных условий жизнь возникает всегда, тогда JWST, возможно, может найти жизнь на подходящих кандидатах, определенных TESS.

 

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментарии закрыты.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: