Отправить жизнь к звездам: ученые обдумывают запуск крошечных форм жизни в межзвездное пространство
Возможность межзвездных путешествий появилась на горизонте, она уже не только в области научной фантастики. Хотя мы, возможно, не увидим это при нашей жизни — по крайней мере, не увидим какой-нибудь реальной версии сверхскоростного, сворачивающего пространство двигателя — ученые рассуждают о том, как жизнь может вырваться из нашей Солнечной системы, используя технологию, которая находится в пределах досягаемости.
Для профессоров Калифорнийского университета в Санта-Барбаре Филипа Любина и Джоэла Ротмана сейчас плодотворное время для работы. Рожденные в поколении, которое увидело захватывающий дух прогресс в освоении космоса, они несут безудержный оптимизм и творческую искру ранней космической эры, когда люди впервые обнаружили, что могут покинуть Землю.
«Полёты Аполлона на Луну были одними из самых важных событий в моей жизни, и созерцание их до сих пор поражает меня», — сказал Джоэл Ротман, профессор кафедры молекулярной клеточной биологии и «космический фанат».
С той эпохи прошло всего 50 лет, но знания человечества о космосе и технологиях для его исследования значительно улучшились, и этого достаточно, чтобы Ротман вместе с космологом-экспериментатором Филипом Любином начал обдумывать, что потребуется живым существам, чтобы отправиться в путешествие по космосу на огромное расстояние, отделяющее нас от нашего ближайшего соседа по галактике. Результат их совместной работы был опубликован в журнале Acta Astronautica.
«Я думаю, что наша судьба — продолжать исследования», — сказал Ротман. «Посмотрите на историю человечества. Мы исследуем материю на все меньших и меньших уровнях вплоть до субатомных уровней, а также проводим исследования во все более крупных масштабах. Такое стремление к непрерывным исследованиям лежит в основе того, кем мы являемся как вид».
Мыслить масштабно, начиная с малого
Самая большая проблема для межзвездных путешествий в человеческом масштабе — это огромное расстояние между Землей и ближайшими звездами. Миссии «Вояджер» доказали, что мы можем отправлять объекты на расстояние миллиардов километров, необходимое для выхода из пузыря, окружающего нашу солнечную систему, гелиосферы.
Но зондам, движущимся со скоростью более 55 000 км в час, потребовалось 40 лет, чтобы добраться туда, и их расстояние от Земли составляет лишь малую часть от расстояния до ближайшей звезды. Если бы они направлялись к ней, им потребовалось бы более 80 000 лет, чтобы добраться до нее.
Эта задача является основным направлением работы Филипа Любина, в которой он переосмысливает технологию, необходимую для достижения других звезд. Традиционная химическая двигательная установка не подходит; она не может обеспечить достаточно энергии для быстрого движения корабля, а его вес и текущие системы, необходимые для движения, не подходят для релятивистских скоростей, которых должен достичь корабль. Требуются новые двигательные технологии — и именно здесь вступает в действие программа исследования направленной энергии UCSB по использованию света в качестве «двигателя».
«Никогда не делалось раньше того, чтобы толкать макроскопические объекты со скоростью, приближающейся к скорости света», — говорит Филип Любин, профессор кафедры физики. На самом деле масса является таким огромным барьером, что исключает любые полеты человека к звездам в обозримом будущем.
В результате его команда обратилась к роботам и фотонике. Небольшие зонды с бортовыми приборами, которые воспринимают, собирают и передают данные на Землю, будут разгоняться до 20-30% скорости света за счет самого света с помощью лазерной установки, размещенной на Земле или, возможно, на Луне.
«Мы не выходим с ним из дома», — объяснил он, имея в виду, что основная двигательная установка остается «дома», в то время как космический аппарат «выстреливает» на релятивистских скоростях. Основной двигательный лазер включается на короткое время, а затем готовится к запуску следующий зонд.
«Вероятно, это будет похоже на полупроводниковую пластину с пленкой, чтобы защитить ее от радиации и бомбардировки пылью, когда она проходит через межзвездную среду», — сказал Любин. «Возможно, для начала она будет небольшого размера». По мере развития программы космические аппараты будут становится больше с расширенными возможностями.
Базовая технология также может использоваться в модифицированном режиме для приведения в движение гораздо более крупных космических кораблей в пределах нашей Солнечной системы с более низкими скоростями, что потенциально позволит пилотируемым миссиям достигать Марса всего за один месяц. Это еще один способ распространения жизни, но уже в нашей Солнечной системе.
На релятивистских скоростях — примерно 150 миллионов км в час — небольшой аппарат достигнет следующей Солнечной системы, Проксимы Центавра, примерно через 20 лет. Чтобы достичь такого уровня технологий, потребуются постоянные инновации и совершенствование как космических пластин, так и фотоники, которая показывает сейчас «экспоненциальный рост» в развитии. Базовый проект по разработке дорожной карты для достижения релятивистского полета с помощью направленного энергетического движения поддерживается НАСА и частными фондами, такими как программа Starlight, и инициативами Breakthrough, такими, как программа Starshot.
«Когда я узнал, что масса этих кораблей может достигать грамма или больше, стало ясно, что они могут вместить живых существ», — сказал Ротман, который понял, что существа, которых он изучал в течение десятилетий, называемые C. elegans, могли бы станьте первыми земными существами, совершившими путешествие между звездами. По словам Ротмана, эти тщательно изучаемые круглые черви могут быть маленькими и простыми, но они созданы экспериментально.
«Исследования этого маленького животного на сегодняшний день привели к Нобелевским премиям шести исследователям», — отметил он.
C. elegans уже являются ветеранами космических путешествий, так как были объектом экспериментов, проводимых на Международной космической станции и на борту космических челноков, и даже пережили трагическую гибель шаттла «Колумбия».
Другие потенциальные межзвездные путешественники, которых изучает Ротман, это тихоходки (или водяные медведи) могут быть помещены в анабиоз, при котором практически все метаболические функции останавливаются. Тысячи этих крошечных существ можно было поместить на пластину, перевести в анабиоз и отправить в полет в таком состоянии до достижения желаемого пункта назначения.
Затем их можно было бы разбудить в их крошечном StarChip и точно отслеживать любые обнаруживаемые эффекты межзвездных путешествий на их биологию, а наблюдения передавать на Землю с помощью фотонной связи.
«Мы можем спросить, насколько хорошо они помнят тренированное поведение, когда улетают от своего земного происхождения со скоростью, близкой к скорости света, и изучить их метаболизм, физиологию, неврологические функции, размножение и старение», — добавил Ротман. «Большинство экспериментов, которые можно провести на этих животных в лаборатории, можно провести на борту StarChips, когда они летят по космосу». Влияние таких долгих путешествий на биологию животных может позволить ученым экстраполировать их на потенциальное воздействие на людей.
«Мы могли бы начать думать о конструкции межзвездных кораблей, какими бы они ни были, таким образом, чтобы учесть проблемы, обнаруженные у этих миниатюрных животных», — сказал Ротман.
Конечно, возможность отправлять людей в межзвездное пространство — простое дело в фантастических фильмах, но на самом деле это все еще далекая мечта. К тому времени, когда мы доберемся до этого момента, мы, возможно, создадим более подходящие формы жизни или гибридные человеко-машины, которые будут более устойчивыми, говорят ученые.
«Это программа поколений», — говорит Филип Любин. Ученые грядущих поколений в идеале внесут свой вклад в наши знания о межзвездном пространстве и его проблемах, а также улучшат конструкцию корабля по мере совершенствования технологий. Поскольку основная силовая установка основана на свете, базовая технология находится на кривой экспоненциального роста, очень похожей на электронику с «законом Мура».
Планетарная защита и внеземное распространение
Мы привязаны к нашей Солнечной системе в обозримом будущем; людям очень сложно выжить вдали от родной планеты. Но это не помешало Любину, Ротману и их исследовательским группам задуматься как о физиологических, так и об этических аспектах отправки жизни в космос — и, возможно, даже о ее размножении в космосе.
«Есть этика планетарной защиты, — объясняет Филип Любин, — в которой серьезно рассматривается возможность переноса жизни либо с нашей планеты на другие, либо наоборот. «Я думаю, если бы вы начали говорить о направленном распространении жизни, которое иногда называют панспермией, — об этой идее о том, что жизнь пришла откуда-то еще и оказалась на Земле с кометами и другими обломками, или даже преднамеренно от другой цивилизации, — идея о том, что мы целенаправленно можем посылать жизнь действительно поднимает большие вопросы».
Авторы утверждают, что пока нет риска прямого загрязнения, поскольку зонды, приближающиеся к любой другой планете, сгорают в их атмосфере или уничтожаются при столкновении с поверхностью. Поскольку планируемые сверхскоростные аппараты летят в один конец, нет никакого риска, что какие-либо внеземные микробы вернутся с ними на Землю.
Несмотря на то, что теория панспермии все еще находится на периферии науки, она, похоже, привлекает к себе серьезное, хотя и ограниченное внимание, учитывая, как легко размножается жизнь при подходящих условиях. Есть также нескольких открытых экзопланет и других небесных тел, которые могли быть, или может быть, поддерживают жизнь, какой мы ее знаем.
«Некоторые люди размышляли и публиковали такие идеи, как «является ли Вселенная лабораторным экспериментом какой-то развитой цивилизации», — сказал Филип Любин. «Поэтому люди, безусловно, готовы думать о развитых цивилизациях. Вопросы хороши, но ответы лучше. Прямо сейчас мы просто размышляем над этими вопросами, пока не находя ответов».
Еще один вопрос, который в настоящее время обсуждается в более широком сообществе исследователей космоса: какова этика отправки людей на Марс и в другие отдаленные места, зная, что они могут никогда не вернуться домой? Как насчет отправки небольших микроорганизмов или человеческой ДНК? Эти вопросы так же важны, как первые миграции людей и морские путешествия к другим континентам, и ответы на них, скорее всего, придут в тот момент, когда мы будем готовы к этим путешествиям.
«Я думаю, что мы не должны и не будем подавлять стремление к исследованиям, присущее нашей природе», — сказал Джоэл Ротман.