Математика космоса. Как современная наука расшифровывает Вселенную - Йен Стюарт

* * *

Разум целит высоко. Разумная жизнь, даже инопланетная, должна непременно менять правила игры и среду обитания.

Оценивая шансы на существование инопланетной жизни, очень легко попасть в ловушку, решив, что идеальным местом для инопланетян должна быть планета, во всем подобная Земле, — примерно такого же размера, на схожем расстоянии от схожего с нашим светила, с поверхностью, состоящей частично из камня, частично из жидкой воды (как у нас), и кислородом в атмосфере (опять же как у нас). Да, Земля — единственная обитаемая планета, которую мы знаем, но мы ведь только недавно начали поиск. У нас, в Солнечной системе, все остальные миры кажутся пустынными и негостеприимными, хотя, как мы еще увидим, с такими выводами спешить не следует. Так что, кажется, лучше всего искать жизнь за пределами Солнечной системы.

Шансы на то, что жизнь существует еще где-то, сильно повышает фундаментальный биологический принцип: жизнь приспосабливается к преобладающим условиям. Даже на Земле мы видим поразительное разнообразие мест, где обитают живые существа: они есть и в глубинах океана, и высоко в атмосфере, в болотах и пустынях, в кипящих источниках, под антарктическими льдами и даже под землей на трехкилометровой глубине. Представляется разумным предположить, что инопланетные формы жизни могут обитать в еще более широком диапазоне условий. Возможно, мы с вами не смогли бы жить там, но на самом деле человек и на Земле в большинстве обитаемых мест не выжил бы без посторонней помощи. Критерии обитаемости зависят от того, кто именно там должен обитать.

У нас же даже терминология выдает глубоко въевшиеся предубеждения. В последние годы биологи открыли бактерии, способные жить в кипящей воде, и другие бактерии, способные выносить очень низкие температуры. Вместе те и другие называются экстремофилами — существами, которые любят крайности. Их часто описывают как существа, с неимоверным трудом выживающие во враждебной среде и постоянно балансирующие на грани вымирания, но в реальности они прекрасно приспособлены к своей среде обитания и, будучи перенесенными в нашу, непременно погибли бы. В сравнении с ними нас можно назвать экстремофилами.

Вся жизнь на Земле взаимосвязана; судя по всему, она вся развилась из единственной первичной биохимической системы. В этом качестве «жизнь на Земле» во всем ее богатейшем разнообразии сводится к единственной экспериментальной точке. Принцип Коперника гласит, что ни в человеческих существах, ни в среде их обитания нет ничего экстремально особенного. Если так, наша планета вряд ли окажется уникальной, но это не означает также, что она обязательно должна оказаться типичной. Биохимики получили немало необычных вариантов молекул, представляющих собой основу земной генетики, — это ДНК, РНК, аминокислоты, белки, — когда попытались выяснить, действительно ли задействованные на Земле молекулы являются единственным работающим вариантом. (Выяснилось, что это не так.) Для решения подобных вопросов часто привлекается, помимо биологии, и математическое моделирование, поскольку мы не можем быть уверены в том, что в других местах биология окажется такой же, как здесь. Она может строиться на принципиально другой химии или вообще обходиться без химии, не имея молекулярной основы.

Сделав такую оговорку, весьма разумно будет начать с единственной доступной нам экспериментальной точки, не забывая, однако, что это лишь первый шаг к более экзотическим вариантам. Это неизбежно приводит нас к одной из непосредственных целей охотников за планетами — найти землеподобную планету.

В астробиологических кругах много споров происходит вокруг так называемой зоны обитаемости вокруг звезды. Под зоной обитаемости подразумевается вовсе не область, которая реально может оказаться обитаемой. Это просто та область пространства вокруг звезды, в пределах которой на гипотетической планете с достаточным давлением атмосферы могла бы существовать жидкая вода. Стоит подойти к звезде поближе — и вода вскипит и испарится; стоит отодвинуться — и она замерзнет и превратится в лед. В промежутке же температура «в самый раз», и понятно, что эта область получила неофициальное название «зона Златовласки» или «зона жизни».

В Солнечной системе обитаемая зона лежит где-то между 0,73 и 3 а.е. от Солнца — о точных ее границах ученые спорят. Венера слегка касается внутренней границы этой зоны, а внешняя ее граница доходит аж до Цереры, так что и Земля, и Марс свободно попадают внутрь. Так что «в принципе» на поверхности и Венеры, и Марса могла бы присутствовать жидкая вода. На практике, правда, все сложнее. Средняя температура на поверхности Венеры составляет 462 °C — хватит, чтобы расплавить свинец. Дело в том, что на Венере парниковый эффект вышел из-под контроля и ее атмосфера стала настоящей ловушкой для тепла. Найти там жидкую воду, мягко говоря, шансов немного. На Марсе средняя температура составляет минус 63 °C, так что всегда считалось, что вода там существует только в виде льда. Однако в 2015 году выяснилось, что марсианским летом некоторое небольшое количество льда все же тает, просачиваясь вниз по склонам некоторых кратеров. Ученые и раньше подозревали это, поскольку на склонах видны темные полосы, но решающим доказательством является присутствие летом, когда эти полосы удлиняются, гидратированных солей. Вероятно, около 3,8 миллиарда лет назад на поверхности Марса было полно воды, но затем он потерял значительную часть своей атмосферы, которую унесло солнечным ветром после ослабления магнитного поля планеты. После этого вода частично испарилась, частично замерзла. Она и сегодня по большей части пребывает в этом состоянии.

Таким образом, расстояние от центрального тела не единственный критерий. Концепция зоны обитаемости дает простое и понятное направление поиска, но направления не являются жесткими. Жидкая вода не обязана существовать внутри зоны обитаемости и вполне может существовать за ее пределами. Планета, расположенная близко к звезде, может находиться в слишком горячей зоне, но если она состоит со своей звездой в спин-орбитальном резонансе 1:1, то получается, что она всегда обращена к звезде одной и той же стороной — и тогда на этой стороне очень жарко, а на другой — чрезвычайно холодно. В промежутке при этом имеется переходная температурная зона под прямым углом к экватору. (На раскаленном Меркурии в полярных кратерах, куда никогда не проникают солнечные лучи, есть лед. И эта планета даже не состоит с Солнцем в резонансе 1:1.) У планеты с покрытой льдом поверхностью может быть какой-то внутренний источник тепла — в конце концов, у Земли же он есть, — который расплавляет часть льда. Толстая атмосфера с большим содержанием углекислого газа или метана тоже способна разогреть планету. Неустойчивая ось вращения может помочь планете остаться теплой вне обитаемой зоны, неравномерно распределив тепло. Планета на вытянутой орбите может запасать энергию вблизи звезды и высвобождать ее, отдаляясь, даже если в среднем она и не будет попадать в обитаемую зону. Вблизи красного карлика может находиться планета с толстой облачной атмосферой, помогающей более равномерно распределить тепло.