Астрономы обнаружили уже тысячи планет, в том числе десятки потенциально пригодных для жизни.
В 1960 г, готовясь к первому совещанию по поиску внеземного разума (SETI), легендарный астроном и пионер SETI доктор Фрэнк Дрейк представил своё вероятностное уравнение для оценки количества возможных цивилизаций в нашей галактике — оно же «уравнение Дрейка». Ключевым параметром в этом уравнении было ne — количество планет в нашей галактике, способных поддерживать жизнь, т.е. «пригодных для жизни». В то время астрономы ещё не были уверены, что у других звёзд есть системы планет. Но благодаря таким аппаратам, как «Кеплер», было подтверждено существование 5 523 экзопланет и ещё 9 867 ожидают подтверждения!
На основе этих данных астрономы сделали различные оценки количества пригодных для жизни планет в нашей Галактике — по одной из оценок, их не менее 100 миллиардов! В недавнем исследовании профессор Пьеро Мадау представил математическую основу для расчёта популяции пригодных для жизни планет в пределах 100 парсек (326 световых лет) от нашего Солнца. Предполагая, что Земля и Солнечная система являются репрезентативными для нормы, Мадау рассчитал, что в этом объёме пространства может находиться до 11 000 скалистых экзопланет земного типа размером с Землю, вращающихся в пределах зон обитаемости своих звёзд.
Профессор Мадау является профессором астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крузе (UCSC). Центральное место в его исследованиях занимает принцип Коперника, названный в честь знаменитого польского астронома Николая Коперника, изобретателя гелиоцентрической модели. Этот принцип, известный также как космологический принцип (или принцип посредственности), гласит, что ни человек, ни Земля не находятся в привилегированном положении для наблюдения за Вселенной. Короче говоря, то, что мы видим, глядя на Солнечную систему и на космос, является типичным примером происходящего по всей Вселенной.
В своём исследовании Мадау рассмотрел, как факторы, зависящие от времени, сыграли важную роль в возникновении жизни в нашей Вселенной. К ним относятся история звёздообразования в нашей галактике, обогащение межзвёздной среды тяжёлыми элементами (образовавшимися в недрах первой популяции звёзд), формирование планет, распределение воды и органических молекул между планетами. Как пояснил Мадау, центральная роль времени и возраста в уравнении Дрейка явно не подчёркивается:
«Уравнение Дрейка представляет собой полезное педагогическое резюме факторов (вероятностей), которые могут влиять на вероятность обнаружения вокруг нас сегодня пригодных для жизни миров, а в перспективе и технологически развитых внеземных цивилизаций. Но эта вероятность и эти факторы зависят, в частности, от истории звёздообразования и химического обогащения местного галактического диска, а также от сроков возникновения простой микробной и, в конечном счёте, сложной жизни».
Земля — относительный новичок в нашей Галактике, она образовалась вместе с Солнцем примерно 4,5 млрд лет назад (что составляет менее 33% от возраста Вселенной). При этом для возникновения жизни из первобытных условий, существовавших на Земле около 4 млрд лет назад, потребовалось около 500 млн лет. Примерно через 500 млн лет после этого возник фотосинтез в виде одноклеточных организмов, метаболизирующих углекислый газ и выделяющих в качестве побочного продукта газообразный кислород. Это постепенно изменило химический состав нашей атмосферы, вызвало Кислородную катастрофу около 2,4 млрд лет назад и, в конечном счёте, появление сложных форм жизни.
Затем последовал длительный и сложный процесс химической и биологической эволюции, который в конечном итоге привёл к созданию условий, пригодных для существования сложной жизни, и появлению всех известных видов. Учитывая важность этих этапов, зависящих от времени, Мадау утверждает, что уравнение Дрейка — это только часть истории. Заглянув за его пределы, он создал математическую основу для оценки времени формирования «умеренных земных планет» (УЗП) в нашем уголке Галактики и возникновения на них микробной жизни.
Уравнение Дрейка — математическая формула для определения вероятности обнаружения жизни или развитых цивилизаций во Вселенной.
Эта схема позволяет астрономам определить, какие потенциально интересные нам звёзды (с учётом массы, возраста и металличности) могут быть оптимальными кандидатами для поиска атмосферных биосигнатур. По словам Мадау, его подход заключается в рассмотрении локальной популяции долгоживущих звёзд, экзопланет и УЗП как ряда математических уравнений, которые могут быть решены численно как функция времени:
«Эти уравнения описывают изменение темпов формирования звёзд, металлических, гигантских и скалистых планет, а также пригодных для жизни миров за всю историю солнечной окрестности — места, где более детальные расчёты оправдываются лавиной новых данных, полученных с помощью космических и наземных средств, и которое является целью нынешних и следующих поколений звёздных и планетарных обзоров. Уравнения носят статистический характер, т.е. описывают не рождение и эволюцию отдельных планетных систем, а изменение (во времени) популяции (по числу) УЗП в пределах 100 парсек от Солнца».
В конечном итоге анализ Мадау показал, что в радиусе 100 парсек от Солнца может существовать до 10 000 каменистых планет, находящихся в зоне обитаемости своей звезды. Он также обнаружил, что формирование УЗП вблизи нашей Солнечной системы, скорее всего, носило эпизодический характер, начавшись со всплеска звёздообразования примерно 10-11 млрд лет назад, за которым последовало другое событие, достигшее пика около 5 млрд лет назад и приведшее к образованию Солнечной системы. Ещё один интересный вывод из математической схемы Мадау состоит в том, что большинство УЗП в радиусе 100 парсек, скорее всего, старше Солнечной системы, что подтверждает, что мы относительно поздние гости на этом празднике!
Не менее интересно и то, как это исследование может повлиять на поиск внеземной жизни. Используя общепринятую хронологию возникновения жизни на Земле (абиогенез) и применяя консервативную оценку распространённости жизни на других планетах — параметр fl уравнения Дрейка — Мадау также определил, на каком расстоянии от Земли может находиться ближайшая экзопланета, на которой есть жизнь:
«Таким образом, если микробная жизнь возникла так же быстро, как и на Земле, более чем на 1% УЗП (а это большое "если"), то можно ожидать, что ближайшая планета, пригодная для жизни, будет находиться на расстоянии менее 20 пк [65 световых лет], — сказал он. — Это может стать поводом для осторожного оптимизма в поисках маркёров обитаемости и биосигнатур с помощью следующего поколения крупных наземных установок и приборов. Само собой разумеется, что обнаружить биопризнаки будет крайне сложно. Не исключено также, что жизнь может быть настолько редкой, что в радиусе 1 кпк и более мы не сможем обнаружить никаких биопризнаков».
На этом рисунке изображена планета Проксима b, вращающаяся вокруг красной карликовой звезды Проксима Центавра — ближайшей к Солнечной системе звезды.
Конечно, нет никаких гарантий, что на каких-либо УЗП вблизи нашей Солнечной системы может существовать жизнь. Причины и закономерности абиогенеза — одна из наименее понятных научных задач, главным образом из-за недостатка данных. Вооружившись лишь одним примером (Земля и земные организмы), учёные не могут с уверенностью сказать, какое сочетание условий необходимо для возникновения жизни. Мадау также подчёркивает, что его подход (как и уравнение Дрейка) является статистическим по своей природе. Тем не менее, его работа может иметь значительные последствия для астробиологии в ближайшем будущем.
Используя в качестве ориентира нашу Солнечную систему, а также многие другие параметры, по которым имеется большой объём данных (например, образование звёзд, масса, размер, металличность, количество близлежащих экзопланет, вращающихся в пределах зоны обитаемости звезды), учёные смогут определять приоритеты звёздных систем для исследования с помощью телескопов следующего поколения. Мадау сказал:
«Поиск и определение характеристик планет, похожих на Землю, станет основным научным показателем для будущих флагманских космических миссий. В связи с быстро приближающейся возможностью поиска пригодной для жизни среды и жизни на экзопланетах возникает реальная задача разработки оптимальной стратегии наблюдений. Детальные спектральные исследования атмосфер нескольких экзопланет должны сопровождаться популяционными исследованиями, направленными на выявление тенденций в свойствах планет, и статистическими исследованиями, которые позволят оценить вероятность обнаружения биосигнатур».
