Если Бы Инопланетяне Существовали Где-То Еще Во Вселенной, Как Бы Они Себя Вели?

Ученые, ищущие внеземную жизнь во Вселенной (выше: радиообсерватория в Нью-Мексико), ищут ответ на так называемый парадокс Ферми: «Где все?» плюс 49 /Строительная фотография / Авалон / Getty Images

Мы все помним детскую сказку «Златовласка и три медведя». Мы с удовольствием рассказываем нашим детям и внукам о том, что каша папы Медведя была слишком горячей, каша мамы Медведя была слишком холодной, но каша Медвежонка была очень вкусной. Поэтому неудивительно, что, когда ученые начали задумываться о том, что океаны Земли должны оставаться жидкими в течение миллиардов лет, чтобы жизнь могла выжить — температура планеты должна была быть не слишком горячей и не слишком холодной, но в самый раз — они окрестили ее первой «планетой Златовласки».

Посмотрите на это так: как и все звезды такого типа, наше Солнце постепенно становилось ярче в течение 4,5 миллиардов лет с момента его образования. Когда океаны впервые образовались на Земле, около 4 миллиардов лет назад, Солнце было примерно на 30 процентов тусклее, чем сейчас, поэтому планете приходилось удерживать гораздо больше поступающей солнечной энергии, чтобы ее океаны не замерзали. По мере того как шло время и Солнце изливало на Землю все больше энергии, состав атмосферы планеты также менялся, влияя на температуру через парниковый эффект. Тем не менее, несмотря на все это, похоже, что океаны оставались всего на несколько градусов выше точки замерзания на протяжении всей истории Земли. Не слишком холодно и не слишком жарко.

Чтобы привести лишь один пример атмосферных изменений, мы знаем, что 3,5 миллиарда лет назад океаны Земли были домом для процветающих колоний цианобактерий — очень похожих на то, что мы называем зеленой прудовой пеной. В то время в атмосфере практически не было свободного кислорода, но бактерии выделяли кислород в качестве отходов фотосинтеза (как это делают растения до сих пор). Сначала этот кислород удалялся химическими реакциями, такими как ржавление железа в поверхностных породах, но около 2,5 миллиардов лет назад его количество начало увеличиваться в результате того, что некоторые ученые называют Великим событием окисления. Предположительно, многие коренные жители планеты, которые не могли переносить кислород, затем вымерли, утонув в собственных отходах. Другие, однако, адаптировались и смогли использовать кислород для управления дыхательным циклом, который поддерживает вас и всех других животных на планете в живых сегодня.

В 1978 году астрофизик Майкл Харт, работавший тогда в Университете Тринити в Техасе, опубликовал компьютерную модель, описывающую историю земной атмосферы. В этой модели слабому теплу раннего Солнца способствовал парниковый эффект, создаваемый аммиаком и метаном в атмосфере (оба они, как и более знакомый углекислый газ, CO2, являются парниковыми газами). По мере того как Солнце становилось ярче, кислород, вырабатываемый живыми организмами, разрушал эти соединения, уменьшая парниковый эффект и таким образом компенсируя повышенное излучение Солнца. В конце концов, возникла наша нынешняя атмосфера с парниковым эффектом, вызванным углекислым газом и водяным паром. По сути, Земля прошла по лезвию ножа между превращением в беглую теплицу с одной стороны и твердым замерзанием с другой.

Однако наиболее важная часть расчетов Харта, с нашей точки зрения, была основана на рассмотрении того, что произошло бы, если бы Земля находилась на другом расстоянии от Солнца, чем там, где она находится на самом деле. Согласно его модели, если бы Земля была на один процент дальше или на пять процентов ближе к Солнцу, хрупкое равновесие, которое позволяло океанам оставаться в жидкой форме, было бы потеряно. Таким образом, соображения об эволюции атмосферы нашей планеты привели к идее о том, что вокруг звезды существует полоса, в которой поверхностные океаны могут оставаться жидкими в течение миллиардов лет. Эта полоса называется околозвездной обитаемой зоной (CHZ) и стала одной из центральных идей, определяющих мысли ученых о жизни на экзопланетах.

Воображаемая жизнь: Умозрительное Научное путешествие среди Экзопланет в поисках Разумных Инопланетян, Ледяных существ и Животных в условиях супергравитации

Эта книга — не вымышленный полет фантазии: ученые Джеймс Трефил и Майкл Саммерс берут то, что мы знаем об экзопланетах и жизни в нашем собственном мире, и используют эти данные, чтобы выдвинуть гипотезу о том, как, где и какие виды жизни могут развиться. Воображаемая жизнь — обязательное условие для любого, кто хочет узнать, как реалии нашей вселенной могут оказаться гораздо более странными, чем вымысел.

Как и все звезды такого типа, наше Солнце постепенно становилось ярче за 4,5 миллиарда лет, прошедших с момента его образования. Когда океаны впервые образовались на Земле, около 4 миллиардов лет назад, Солнце было примерно на 30 процентов тусклее, чем сейчас, поэтому планете приходилось удерживать гораздо больше поступающей солнечной энергии, чтобы ее океаны не замерзали. Джон Грейм/LightRocket через Getty Images

Околозвездные обитаемые зоны и обитаемость

Первое, что мы можем сказать о CHZs, это то, что у каждой звезды будет по одной. Другими словами, вокруг звезды всегда будет полоса, в которой энергетический баланс может поддерживать температуру поверхности планеты между точками замерзания и кипения воды. Для маленьких, тусклых звезд полоса узкая и тесная. Например, многие из известных экзопланет в ЧЗ своей звезды находятся ближе к этой звезде, чем Меркурий к Солнцу. Аналогично, ЧЗ больших ярких звезд шире и лежит дальше. Кроме того, как отмечалось выше, выход энергии звезды увеличивается с течением времени, поэтому обитаемая зона фактически перемещается наружу по мере старения звезды. Важный момент, однако, заключается в том, что, поскольку у каждой звезды где-то есть CHZ, мы ожидаем, что просто случайно некоторые планеты сформируются в этих зонах.

Сделав это замечание, однако, мы должны добавить, что за последние десятилетие или два ученые пришли к пониманию того, что CHZ следует рассматривать гораздо более тщательно, чем позволяет простой расчет температурного баланса. Как отмечает астрофизик Массачусетского технологического института Сара Сигер, планета в обитаемой зоне не имеет гарантии того, что она действительно пригодна для жизни. На самом деле существует множество факторов, которые могут повлиять на возможность жизни в мирах в ЧЗ.

По мере развития исследований экзопланет обнаружение планеты земного типа в зоне ЧЗ стало чем-то вроде святого грааля в астрономическом сообществе. Но сегодня мы поняли, что обитаемость планеты — это нечто большее, чем расположение ее орбиты. Например, исследователи изучали миры, которые не находились в зоне действия своих звезд, не имели поверхностных океанов жидкой воды, и все же были возможными домами для жизни и даже развитых цивилизаций. Подобные соображения привели ученых к гораздо более широкому взгляду на условия, необходимые для возникновения жизни.

Если бы Земля была на один процент дальше или на пять процентов ближе к Солнцу, хрупкое равновесие, которое позволяло океанам оставаться в жидкой форме, было бы утрачено. Архив универсальной истории/ Группа Universal Images через Getty Images

Тип задействованной Звезды

Тип звезды, вокруг которой вращается планета, может иметь важные последствия для развития жизни, даже для планет в ЧЗ. Маленькие, тусклые звезды, например, которые называются красными карликами и составляют самую большую долю звезд в Млечном Пути, часто переживают периоды экстремальной активности. Звездные вспышки и выброс огромного количества заряженных частиц очень затруднили бы жизнь на любой поверхности планеты, независимо от того, находилась ли планета в зоне ЧЗ или нет. В таких системах, вероятно, жизнь должна была бы оставаться на дне океана или под землей, чтобы выжить. В таких ситуациях ЧЗ просто становится неуместным.

Ученые начинают отказываться от идеи, что жизнь должна развиваться и сохраняться на поверхности планет. Многие современные аргументы, например, приводят к выводу, что любые живые организмы на Марсе будут найдены под поверхностью. Кроме того, если жизнь существует в подповерхностных океанах во внешней Солнечной системе, таких как океаны Европы и Энцелада, она, по определению, будет находиться под поверхностью. Даже на Земле, похоже, под поверхностью планеты может быть больше биомассы, чем на ней. Таким образом, интенсивная радиационная среда, связанная с малыми звездами, не обязательно должна препятствовать развитию жизни, даже если эту жизнь, вероятно, невозможно было бы обнаружить непосредственно с помощью нашей нынешней технологии.

С другой стороны, более массивные звезды обеспечивают более благоприятную радиационную среду, но они могут иметь относительно короткое время жизни. В некоторых случаях они могут жить всего 30 миллионов лет. Маловероятно, что что-либо, кроме простой микробной жизни, могло развиться на планете за такой короткий промежуток времени. Кроме того, такие звезды заканчивают свою жизнь в результате мощного взрыва, называемого сверхновой, который, несомненно, уничтожит любые близлежащие планеты. Таким образом, даже если бы жизнь действительно смогла развиться в ЧЗ такой звезды, все ее следы были бы уничтожены, когда звезда умерла.

Именно из-за этих ограничений охотники за экзопланетами сосредоточили свое внимание на планетах в зоне действия звезд среднего размера, таких как Солнце.

Астрофизик Массачусетского технологического института Сара Сигер отмечает, что планета в обитаемой зоне не имеет гарантии того, что она действительно пригодна для жизни. Уин МакНэми/Getty Images

Эволюция атмосферы

Второй источник сложности в обсуждении обитаемости возникает из-за того, что атмосферы планет не являются стабильными, неизменными системами, а эволюционируют с течением времени. Великое событие окисления Земли — лишь один из примеров такого рода процессов.

Для небольших планет, таких как Марс, гравитационное воздействие атмосферы играет большую роль. Вот как это работает: молекулы, составляющие атмосферу планеты, всегда находятся в движении, и чем выше температура, тем быстрее они движутся. Однако, независимо от температуры, всегда будут какие-то молекулы, которые движутся быстрее, чем в среднем, а некоторые — медленнее. Если более быстрые молекулы наберут достаточную скорость и окажутся движущимися в направлении, перпендикулярном поверхности планеты, они смогут преодолеть гравитационное притяжение планеты и вырваться в космос.

Чем больше планета, тем сильнее ее гравитационная сила и тем легче удерживать атмосферу. На Земле, например, молекула должна была бы двигаться со скоростью около семи миль в секунду (11 км/сек), чтобы вырваться. Важно отметить, что разгонять тяжелые молекулы до высокой скорости сложнее, чем разгонять легкие. Это означает, что более легкие молекулы с большей вероятностью, чем тяжелые, будут потеряны в результате гравитационного ускользания. Земля, например, потеряла большое количество своего первоначального водорода и гелия — самых легких элементов своей атмосферы, — в то время как Марс потерял еще более тяжелые газы, такие как кислород и азот.

Связанный с этим механизм потерь, называемый фотодиссоциацией, особенно важен для молекул воды. Если на поверхности планеты есть вода, то в атмосфере будет немного водяного пара. Ультрафиолетовое излучение звезды планеты разрушит молекулы воды, которые окажутся в верхних слоях атмосферы. Полученный водород, будучи легким, будет потерян в результате гравитационного выброса, а кислород соединится с атомами на поверхности, чтобы создать различные окисленные минералы. Мы считаем, например, что именно так Марс потерял океан, который был у него в начале своей истории, и что красный цвет планеты является результатом окисления (ржавления) железа в его поверхностных породах.

Еще один важный вид изменений касается двуокиси углерода, важного парникового газа (наряду с водяным паром) в атмосфере Земли. Каждый раз, когда на Земле извергается вулкан, углекислый газ выделяется из глубин мантии и закачивается в атмосферу. В ходе сложного процесса, известного как глубокий углеродный цикл, углекислый газ попадает в океан и включается в такие материалы, как известняк, после чего он, помимо прочего, может быть возвращен обратно в недра Земли. Таким образом, общие геологические процессы на планете могут влиять на количество углекислого газа в ее атмосфере, а это, в свою очередь, будет влиять на ее температуру. Мы считаем, что любые поверхностные океаны, существовавшие на Венере в начале ее истории, испарились бы из-за высокой температуры планеты в результате ее близости к Солнцу. Таким образом, Венера не имела возможности удалить углекислый газ из своей атмосферы, и, не имея глубокого углеродного цикла, планета страдала от накопления этого газа в результате так называемого безудержного парникового эффекта.

Эти примеры показывают, что изменения в атмосфере экзопланеты — изменения, которые мы должны отметить, которые мы не можем наблюдать с помощью современных телескопических приборов, — могут оказать глубокое влияние на ее обитаемость. Приведу лишь один пример: планета, которая находилась в ЧЗ своей звезды, но имела очень мало воды, могла бы пострадать от парникового эффекта и превратиться в Венеру. Издалека было бы очень трудно понять, произошло это или нет.

По мере развития исследований экзопланет обнаружение планеты земного типа в зоне ЧЗ стало чем-то вроде святого грааля в астрономическом сообществе. Но сегодня мы поняли, что обитаемость планеты — это нечто большее, чем расположение ее орбиты. Коллекция фотографий из ЖИЗНИ через Getty Images

Интеллект и технологии

Тот факт, что у нас есть довольно хорошее понимание того, как и когда возникла жизнь в одном мире Златовласки (Земля), выводит некоторые догадки из дискуссий о развитии жизни на таких планетах. Хотя химия инопланетной жизни не обязательно должна основываться на той же системе, которая действует в жизни на Земле, не будет слишком большим скачком предположить, что формы жизни в других мирах Златовласки будут аналогичным образом зависеть от сложной информации, содержащейся в больших молекулах на основе углерода. Углерод может образовывать прочные, стабильные цепочки и кольца атомов, которые идеально подходят для использования в качестве биомолекул, несущих информацию.

Кроме того, нам не нужно предполагать, что стандартная научно-фантастическая галактика населена двуногими гоминидами, говорящими по-английски, чтобы понять, как естественный отбор может действовать в других мирах Златовласки. Мы можем посмотреть на развитие интеллекта и технологий на Земле и провести возможные аналогии с аналогичными планетами Златовласки в галактике.

Ключевой момент естественного отбора, на который мы должны обратить внимание, заключается в следующем: это не процесс, который выбирает по достоинству или моральной ценности. Старая шутка подчеркивает этот момент:

Два туриста в горах сталкиваются с явно голодным

медведь гризли. Один из туристов начинает сбрасывать свой рюкзак.

Другой говорит: «Что ты делаешь? Ты не можешь бежать быстрее

чем тот медведь.»

«Мне не нужно бежать быстрее медведя — я просто должен бежать

быстрее, чем ты.

Не имеет значения, если более медленный бегун — добрый человек, который помогает старушкам перейти улицу. Естественному отбору все равно. Единственное, что имеет значение, — это то, что его спутник быстрее. Это гены, которые войдут в следующее поколение.

Ученые начинают отказываться от идеи, что жизнь должна развиваться и сохраняться на поверхности планет. Многие современные аргументы, например, приводят к выводу, что любые живые организмы на Марсе будут найдены под поверхностью. НАСА/JPL-Калтех/Малин Космические научные системы

Формы жизни на мирах Златовласки

Итак, что это говорит нам о типах форм жизни, которые будут развиваться в мирах Златовласки? Мы боимся, что ответ не очень обнадеживающий, поскольку наиболее вероятный результат заключается в том, что они, вероятно, будут не более мягкими и добрыми, чем Homo sapiens. Глядя на историю нашего вида и исчезновение более 20 видов гоминидов, которые были обнаружены в летописи окаменелостей, мы не можем с надеждой относиться к возможности того, что мы столкнемся с передовым технологическим видом, который более миролюбив, чем мы. Любой, кого мы там обнаружим, скорее всего, будет не более нравственным или менее воинственным, чем мы. Страшно!

Взгляните на это так: если мы сжмем историю Вселенной в один год, Земля и наша солнечная система сформировались примерно в День Труда, а развитие науки занимает не более последних нескольких секунд. Крайне маловероятно, что никакие другие существа не развили бы науку за весь «год» до появления Homo sapiens. Законы физики и химии не являются неясными или скрытыми — любая умеренно разумная цивилизация может их обнаружить. По крайней мере, некоторые из этих цивилизаций Златовласки должны были бы это сделать. Какой-то инопланетный Исаак Ньютон где-то, должно быть, положил начало движению к развитой технологической цивилизации. Самым тревожным фактом является то, что мы не можем найти никаких свидетельств существования какой-либо подобной цивилизации. Даже если не будет сверхсветового варп-двигателя и мы не добьемся значительных успехов в технологиях, расчеты показывают, что за 30 миллионов лет — меньше, чем за день в нашем вселенском году — человеческая раса может распространиться по всей галактике. Если мы сможем это сделать, то это сможет сделать и любая другая цивилизация, столь же развитая, как мы.

Так где же эти другие цивилизации? Этот вопрос является выражением так называемого парадокса Ферми (названного в честь Энрико Ферми (1901-1954), одного из ведущих физиков 20-го века). Кто-то однажды упомянул ему расчеты, которые предполагают, что в галактике существуют миллионы развитых цивилизаций. Ферми на мгновение задумался, а затем спросил: «Где все?» Другими словами, почему они еще не здесь? Почему мы испытываем то, что ученые называют «Великим безмолвием» в отношении инопланетян?

Ученые и писатели-фантасты, будучи людьми с богатым воображением, каковыми они и являются, придумали множество возможных объяснений. Вот несколько наиболее популярных:

Проблема, однако, в том, что, хотя мы можем представить себе любой из этих сценариев, разыгрывающихся в нескольких внеземных цивилизациях, действительно трудно рассматривать любой из них как неизбежный результат развития жизни.

В ЧЗ их звезд должно быть много миллионов планет размером с Землю, и эта гипотеза подтверждается тем фактом, что мы уже нашли пару десятков из них в нашей небольшой выборке из нескольких тысяч экзопланет. То, что все они примут что-то вроде главной директивы «Звездного пути», например, крайне маловероятно. Мы боимся, что наиболее логичным ответом на вопрос, почему мы не знаем о существовании развитых внеземных цивилизаций, является то, что этих цивилизаций там нет. Насколько мы можем видеть, единственное объяснение этого, зависящее от законов природы, — это то, которое зависит от действия естественного отбора.

Это приводит нас к очень мрачной возможности относительно судьбы жизни в мирах Златовласки. Учитывая тенденцию естественного отбора производить агрессивные виды — такие виды, как Homo sapiens, — возможно, что вся история Вселенной была занята процессом эволюции, производящей разумные формы жизни на одной планете Златовласки за другой, только для того, чтобы эти формы жизни уничтожили себя, как только они откроют науку. Другими словами, возможно, существовало огромное количество цивилизаций, достигших нашего уровня, но все они уничтожили себя, прежде чем смогли колонизировать свои ближайшие звезды. Этот сценарий конца света является распространенным объяснением парадокса Ферми.

Это пугающая мысль.

Отрывок из воображаемой жизни Джеймса Трефила и Майкла Саммерса © Джеймс Трефил и Майкл Саммерс из книг Смитсоновского института.

https://www.smithsonianmag.com/smithsonian-institution/if-aliens-exist-elsewhere-universe-how-would-they-behave-180973843/