Согласно новой модели, мы должны найти внеземную жизнь в радиусе 65 световых лет
В 1960 году легендарный астроном и пионер SETI доктор Фрэнк Дрейк представил свое вероятностное уравнение для оценки количества возможных цивилизаций в нашей галактике — уравнение Дрейка.
Ключевым параметром в этом уравнении было n e — количество планет в нашей галактике, способных поддерживать жизнь. В то время астрономы еще не были уверены, что у других звезд есть планеты. Но на сегодняшний день подтверждено существование 5523 экзопланет, и еще 9867 ждут подтверждения.
На основе этих данных астрономы дали различные оценки количества обитаемых планет в нашей галактике — по одной из оценок, их не менее 100 миллиардов.
В недавнем исследовании профессор Пьеро Мадау представил математическую основу для расчета количества обитаемых планет в пределах 100 парсеков (326 световых лет) от Солнца.
Предполагая, что Земля и Солнечная система соответствуют норме, он подсчитал, что этот объем космического пространства может содержать до 11 000 экзопланет размером с Землю, вращающихся внутри обитаемых зон своих звезд (HZ, habitable zones).
Пьеро Мадау — профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крус (UCSC). Центральное место в его исследовании занимает принцип Коперника, названный в честь знаменитого польского астронома Николая Коперника, изобретателя гелиоцентрической модели.
Этот принцип, также известный как Космологический принцип, гласит, что каждый наблюдатель в один и тот же момент времени, независимо от места и направления наблюдения, обнаруживает во Вселенной в среднем одну и ту же картину.
В своем исследовании Мадау рассмотрел, как зависящие от времени факторы сыграли жизненно важную роль в возникновении жизни во Вселенной. Сюда входит история звездообразования нашей галактики, обогащение межзвездной среды (ISM) тяжелыми элементами (сформированными в недрах первой популяции звезд), образование планет и распределение воды и органических молекул между планетами. Как объяснил ученый, центральная роль времени явно не подчеркивается в уравнении Дрейка:
«Уравнение Дрейка представляет собой полезное обобщение факторов (вероятностей), которые могут повлиять на вероятность обнаружения миров с жизнью – и, в конечном итоге, технологически развитых внеземных цивилизаций – вокруг нас сегодня. Но эта вероятность и эти факторы зависят, среди прочего, от истории звездообразования и химического обогащения местного галактического диска, а также от сроков возникновения простой микробной и, в конечном итоге, сложной жизни».
Земля — относительный новичок в нашей галактике, она образовалась вместе с Солнцем примерно 4,5 миллиарда лет назад (то есть ее возраст составляет менее 33% от возраста Вселенной).
Между тем жизни потребовалось около 500 миллионов лет, чтобы выйти из первобытных условий, существовавших на Земле около 4 миллиарда лет назад.
Примерно через 500 миллионов лет после этого фотосинтез возник в форме одноклеточных организмов, которые метаболизировали углекислый газ и производили газообразный кислород в качестве побочного продукта. Это постепенно изменило химический состав нашей атмосферы, вызвав Великое событие окисления около 2,4 миллиарда лет назад и, в конечном итоге, возникновение сложных форм жизни.
Последовал долгий процесс химической и биологической эволюции, который в конечном итоге привел к созданию условий, пригодных для сложной жизни и появлению всех известных видов.
Учитывая важность этих зависящих от времени шагов, ученый утверждает, что уравнение Дрейка — это только часть истории. Заглянув за рамки этого, он создал математическую основу для оценки того, когда в нашем уголке галактики сформировались «планеты умеренного пояса» (TTP, temperate terrestrial planets) и могла возникнуть микробная жизнь.
Эта система позволяет астрономам определить, какие потенциальные целевые звезды (в зависимости от массы, возраста и металличности) могут быть оптимальными кандидатами для поиска атмосферных биосигнатур.
Как описал Мадау, его подход состоит в рассмотрении местного населения долгоживущих звезд, экзопланет и TTP как ряда математических уравнений, которые можно решить численно как функцию времени:
«Эти уравнения описывают скорость изменения звезд, металлических, гигантских и каменистых планет, а также формирования пригодных для жизни миров на протяжении истории солнечной системы, региона, где более подробные расчеты оправданы лавиной новых данных с космических и наземных объектов. Уравнения носят статистический характер, то есть они описывают не рождение и эволюцию отдельных планетных систем, а скорее изменение (с течением времени) популяции (по количеству) TTP в пределах 100 парсеков от Солнца».
В конечном итоге анализ Мадау показал, что в пределах 100 парсеков от Солнца может находиться до 10 000 каменистых планет, вращающихся в пределах HZ своих звезд.
Он также обнаружил, что образование TTP вблизи нашей Солнечной системы, вероятно, было эпизодическим, начиная со вспышки звездообразования примерно 10-11 миллиардов лет назад, за которой последовало другое событие, достигшее пика около 5 миллиардов лет назад и создавшее Солнечную систему.
Еще один интересный вывод из математической структуры показывает, что большинство ТТP в пределах 100 парсеков, вероятно, старше Солнечной системы, подтверждая, что мы относительно поздно присоединились к «празднику жизни».
Не менее интересны последствия, которые это исследование может иметь для поиска внеземной жизни.
Используя общепринятую временную шкалу возникновения жизни на Земле (абиогенез) и применяя консервативную оценку распространенности жизни на других планетах (параметр f i уравнения Дрейка), модель Мадау также указала, насколько далеко находится ближайшая экзопланета, на которой может быть жизнь:
«Итак, если микробная жизнь возникла так же быстро, как и на Земле, в более чем 1% TTP, то можно ожидать, что ближайшая планета, похожая на Землю, будет находиться на расстоянии менее 20 парсек от нас (65 световых лет)», — сказал он. «Это может дать повод для некоторого осторожного оптимизма в поисках маркеров обитаемости и биосигнатур с помощью следующего поколения крупных наземных телескопов. Излишне говорить, что обнаружить биосигнатуры будет чрезвычайно сложно. А также возможно, что жизнь настолько редка, что в пределах килопарсек или более не существует биосигнатур, которые мы могли бы обнаружить».
Конечно, нет никаких гарантий, что какие-либо ТТP вблизи нашей Солнечной системы могут поддерживать жизнь. Причины и общность абиогенеза — одно из наименее изученных научных направлений, главным образом из-за скудности данных.
Вооружившись лишь одним примером (Земля и земные организмы), ученые не могут с уверенностью сказать, какое сочетание условий необходимо для возникновения жизни.
Мадау также подчеркивает, что (как и уравнение Дрейка) его подход носит статистический характер. Тем не менее, его работа может иметь значительные последствия для астробиологии в ближайшем будущем.
Используя нашу Солнечную систему в качестве ориентира, а также многие другие параметры, по которым имеются объемы данных (например, звездообразование, массу, размер, металличность и количество близлежащих экзопланет, вращающихся в пределах обитаемой зоны звезды), ученые смогут отдать приоритет определенным звездным системам для исследования с использованием телескопов нового поколения.
«Количество и характеристики планет земного типа станут основным научным показателем для будущих флагманских космических миссий. С быстро приближающейся возможностью поиска обитаемой среды и жизни на экзопланетах возникает реальная проблема разработки оптимальной стратегии наблюдений. Детальные спектральные исследования атмосфер нескольких экзопланет должны сопровождаться популяционными исследованиями, призванными выявить тенденции в свойствах планет, и статистическими исследованиями, которые позволят нам оценить вероятность обнаружения биосигнатур».