Внеземные техносигнатуры: научные аспекты поиска

Ещё в июне 2021 года я публиковал пост «Что варится в пекулярных звёздах» — о звёздах с необычным спектром, явно содержащих не только гелий, водород и следы элементов вплоть до железа и никеля, но и более тяжёлые элементы. Именно в тот пост заглянул уважаемый Андрей Курилов @akurilov, написавший замечательный комментарий, который я поставлю прямо под катом к этой статье. Комментарий Курилова подтолкнул меня к долгим размышлениям о гипотезе «тёмного леса». В дальнейшем я изучил блог этого автора и дозрел до собственного поста об Оумуамуа, в котором словил очередные обвинения в словоблудии и мракобесии от Кьюбертыча. Здорово, что господин Курилов под тем моим постом также высказался. Если вас интересует феномен Оумуамуа — читайте в его блоге, там этому объекту посвящено целых 5 публикаций. Я же сегодня рассмотрю тему техносигнатур — потенциальных маркеров, выдающих существование технологической инопланетной цивилизации. Но сначала — тот самый комментарий.

Размышления о поиске внеземных цивилизаций неизбежно приводят к вопросу: а как мы сами могли бы заявить о себе максимально «громко», чтобы наш сигнал можно было бы выделить в окружающем шуме?

Нет, это не радиопослания. Никакой мощности не хватит, чтобы выделиться на фоне радиошума Солнца. И не лазеры, т.к. нужно знать, куда светить. И опять же, сигнал лазера, даже с учётом своей монохромности, потеряется в шуме Солнца. Затмевать свою звезду, чтобы сделать своеобразный маяк? Нет, слишком дорого строить такое астросооружение, если это вообще возможно.

После некоторых изысканий казалось, что выход есть. Достаточно слегка «загрязнить» спектр своей звезды какими-нибудь нехарактерными химическими элементами. Скинуть на Солнце вагончик-другой плутония или технеция. В принципе выполним даже при текущем уровне развития цивилизации. Не надо повелевать Солнечной Системой и двигать планеты, чтобы привлечь внимание санитаров. Линии технеция или плутония в спектре звезды однозначно бы заявили о присутствии разумной цивилизации на тысячи световых лет во все стороны.

Но нет. Ушлые британские учёные нашли естественное объяснение присутствие любого хим. элемента в спектрах звёзд. От технеция до трансуранов.
См. звезда Пршебыльского.

Уравнение Дрейка

В настоящее время развитие естественных наук во многом зависит от анализа больших данных (статистики и машинного обучения). Данный подход получается тем эффективнее, чем более обширный и разнообразный датасет удастся собрать. Сегодня таким датасетом являются: 1) наблюдения телескопа SDSS (Слоановский цифровой обзор неба), позволяющие классифицировать спектры излучения звёзд и галактик и 2) наблюдения телескопов Kepler и TESS, позволившие открыть и отчасти классифицировать несколько тысяч экзопланет. Такой анализ потенциально позволяет дополнить эмпирическими данными знаменитое уравнение Дрейка.

Это уравнение сформулировал в 1961 году американский астроном Фрэнк Дрейк (1930 — 2022). Всего годом ранее Фримен Дайсон (1923 — 2016) сформулировал идею, позже названную сферой Дайсона. Он рассуждал о целесообразности возведения астроинженерной конструкции, которая позволила бы собирать значительную часть энергии звезды. Сам Дайсон предполагал, что такая структура может представлять собой жёсткую полую ажурную оболочку, но в более поздних моделях сфера Дайсона переосмысливалась как система колец или рой спутников. С тех пор никаких следов действующих или строящихся сфер Дайсона найдено не было, хотя в таком качестве и рассматривалась звезда Табби (KIC 8462852) в созвездии Лебедя; на Хабре есть подробный разбор этой звезды от Зелёного Кота (Виталия Егорова). Что же касается уравнения Дрейка, самым неопределённым показателем в нём является L — в экстремальной версии гипотезы «тёмного леса» L, по-видимому, равен нулю и обнуляет всё уравнение. Поэтому нужен способ избавиться от L или хотя бы не зависеть от него, а искать братьев по разуму объективными методами, не мешая им развиваться или деградировать. Именно в качестве такой компенсации в последнее время разрабатывается поиск техносигнатур. Теоретический и практический базис для такой работы уже накоплен в процессе поиска биосигнатур — признаков обитаемости других планет (наиболее близкие и очень интересные поля для поиска биосигнатур — спутники Юпитера и Сатурна, а также Венера).

При буквальном восприятии уравнения Дрейка может показаться, что биология в Галактике должна быть распространена шире, чем технологии. Однако сообщество SETI постепенно пришло к выводу, что техносигнатуры, как минимум, должны быть обнаружимы легче, чем биосигнатуры, а скорее всего — распространены шире. Ниже я упомяну о проблеме «неоднозначности», а сейчас отмечу, что техносигнатуры должны значительно явственнее биосигнатур опознаваться как аномалия. Более того, если цивилизация освоит межпланетные или межзвёздные перелёты либо займётся отправкой исследовательских зондов, то её техносигнатуры быстро распространятся далеко за пределами того мира, в котором зародились. Возможно, в уравнении Дрейка просто не хватает ещё, как минимум, одного члена, который описывал бы технологический след цивилизации — инженерный или электромагнитный.

Более того, технологическая составляющая цивилизации может сохраниться намного дольше, чем сама эта цивилизация. Ранее я уже публиковал на эту тему переводной пост «Как наши города превратятся в окаменелости». Более явственными техносигнатурами погибшей цивилизации могли бы быть рой необслуживаемых спутников (либо последствия «синдрома Кесслера»), либо остывающие руины АЭС, часть из которых может претерпеть расплавление активной зоны реактора, если останутся без обслуживания. Кроме того, технология вполне может перейти в самовоспроизводящуюся форму, породив машины фон Неймана или зонды фон Неймана (самовоспроизводящиеся космические корабли). Отдельной публикации заслуживает вопрос о том, сможем ли мы безошибочно распознать такие машины как техносигнатуру, а не примем ли за такой рой, который описан в романе «Непобедимый». Итак, потенциал для распространения у техносигнатур, как минимум, не меньше, чем у биосигнатур, а долговечность и устойчивость технологических реликтов должна даже превышать долговечность остаточной жизни.

Как же справиться с неоднозначной трактовкой сигналов: то есть не перепутать искусственные феномены с естественными?

Неоднозначность сигналов и соотношение «сигнал-шум»

Неоднозначность — серьёзная проблема при поиске как биосигнатур, так и техносигнатур. Если применять для такого поиска спектральный анализ или транзитный метод, то такая неоднозначность представляется, как минимум, двоякой. Во-первых, действительно ли данная сигнатура является «сигналом» на фоне шума? Во-вторых, может ли данный «сигнал» иметь абиогенное происхождение. Эти проблемы в большей степени характерны для биосигнатур, чем для техносигнатур – так, узкополосный дискретный периодический радиосигнал с очень высокой вероятностью будет технологическим, в особенности, если будет отличаться от сигналов радиопульсара.  С химической точки зрения об искусственном происхождении вещества может свидетельствовать либо его изотопный состав (например, наличие короткоживущих радиоактивных изотопов), либо само присутствие в атмосфере – если известно, что данное вещество быстро распадается или связывается, поэтому может быть зафиксировано только при условии постоянного возобновления его запасов.

Одна из первых статей, призванных систематизировать возможные техносигнатуры, вышла в 2021 году в журнале «Acta Astronautica» под руководством Гектора Сокаса-Наварры из университета Тенерифе. Авторы статьи вводят термин «ichnoscale» (переведу его как «ихномасштаб»), который характеризует «примерный размер конкретной техносигнатуры в единицах относительно той же техносигнатуры, производимой современными земными технологиями». Авторы полагают, что на некотором расстоянии все техносигнатуры, подобные земным, можно наблюдать в телескоп: то есть, всё равно исходят из того, что типичная технологическая цивилизация должна быть похожа на земную. Тем не менее, давайте рассмотрим эту диаграмму подробнее:

Резюмируя эту таблицу, кратко охарактеризую некоторые из техносигнатур, поиск которых ведётся уже сегодня.

Атмосферные техносигнатуры

Атмосферные техносигнатуры представляют больший интерес, чем астроинженерные как минимум по трём причинам:

1)      Они должны стать заметны гораздо раньше, чем цивилизация попытается выйти в космос

2)      Цивилизация в целом не может их контролировать, поэтому атмосферные техносигнатуры должны быть характерны и для такой цивилизации, которая предпочитает скрываться в «тёмном лесу»

3)      Методы, отработанные на поиске биосигнатур, применимы и для поиска атмосферных техносигнатур

Низкотехнологическая или дотехнологическая цивилизация определённо не изменит атмосферу своей планеты заметным образом. Однако, по всей видимости, промышленная цивилизация не может обойтись без сжигания топлива. В марте 2021 года соавтор вышеупомянутой статьи Рави Копараппу, работающий в Центре космических полетов имени Годдарда, штат Мэриленд, предположил, что спектральный анализ позволил бы выявить смог в атмосферах других планет. Он обратил внимание, что с января по апрель 2020 года уровень диоксида азота в атмосфере крупных городов упал на 20-40%, так как из-за локдауна резко снизилось количество поездок на автомобилях. На Земле более 65% диоксида азота поступает в атмосферу из антропогенных источников, а спектральный анализ позволил бы измерить содержание этого газа в планетарных атмосферах примерно 4000 экзопланет. Диоксид азота особенно интересен в качестве такого маркера, поскольку его небольшой избыток может являться биосигнатурой, а значительный избыток — техносигнатурой. Но для определения степени «избыточности» требуется некоторое референсное значение, желательно — содержание диоксида азота на других планетах изучаемой системы. Поэтому Копараппу предлагает сосредоточиться на многопланетных системах звёзд со спектральными классами K и M, таких как TRAPPIST-1.

Другая однозначно техногенная сигнатура — хлорфторуглероды (фреоны). Если не рассматривать всерьёз существование фторной экзобиологии, как в повести Ефремова «Сердце змеи», то летучие соединения, в особенности трихлорфторметан (CCl₃F) и тетрафторметан (CF₄), могут представлять собой только промышленные выбросы. На Земле особое внимание к таким соединениям связано с тем, что они провоцируют истончение озонового слоя. Однако озоновый слой может образоваться только в богатой кислородом атмосфере, и для гипотетической анаэробной цивилизации хлорфторуглероды могут не представлять такой проблемы, следовательно, и не будут попадать под запрет и выводиться из атмосферы. С другой стороны, переизбыток таких соединений в атмосфере может быть индикатором недавно погибшей цивилизации. Подробнее о таких остаточных явлениях рассказано в книге Алана Вейсмана «Земля без людей».    

Ночные города

Интересная гипотеза была сформулирована в статье Томаса Битти, опубликованной в 2022 году в Университете штата Аризона. Автор предполагает, что развитие цивилизации напрямую связано с ростом городов, для которых требуется ночное освещение. Конечным этапом развития такой тенденции он считает образование «экумениполиса», то есть, города, покрывающего (примерно) всю планету. Далее автор опирается на резкое увеличение светимости агломераций по ночам. В качестве примеров он рассматривает бухту Токио и Нью-Йорк. По расчётам автора, достаточно покрыть городами 4% поверхности такой планеты как Земля, чтобы этот эффект аномальных световых пятен был уловим при помощи современного транзитного метода (минимальная оценка – 0,3% планеты должно быть покрыто городами). Если рассматривать планету у красного карлика, а не у жёлтого (как Солнце), то такая засветка должна проявляться ещё раньше.

Кроме того, автор делает интересное замечание о лампах дневного света. Действительно, логично предположить, что для продления светового дня инопланетяне попробуют воспользоваться наиболее комфортным  спектром, который окажется достаточно узким и соответствующим спектру родной звезды. При всей натянутости этой аналогии, такой спектр должен отличаться не меньшей заметностью, чем явно техногенные радиоимпульсы, а главное — никак не может быть замаскирован.

Экзопояс Кларка

Остановимся и на этой техносигнатуре, так как её практически невозможно скрыть. Этот феномен и термин впервые описаны вышеупомянутым Гектором Сокасом-Наваррой в статье 2018 года. На примере нашей цивилизации можно наблюдать, что уже в первые годы после выхода в космос умеренно развитая технологическая цивилизация начинает заполнять ближнее околопланетное пространство действующими и отработанными искусственными спутниками — когда о возведении сферы Дайсона ещё нет и речи. Этот пояс постоянно разрастается; если же наши приборы имеют достаточную разрешающую способность, то такой пояс ни с чем не перепутаешь.

Пояс должен располагаться вокруг планеты, а не вокруг звезды. Кроме того, он вряд ли будет похож на кольца, подобные кольцам Сатурна, так как обитаемая планета должна располагаться к звезде ближе, чем снеговая линия. Часть этих тел будет давать радиошум, а часть – бездействовать. Даже без присмотра (в случае гибели цивилизации) экзопояс Кларка должен серьёзно пережить своих создателей, но станет ещё заметнее, если его состоянием будут управлять. В частности, цивилизация может сметать отработанные спутники в точки Лагранжа, из-за чего «пояс» будет больше напоминать «архипелаг» неправильной формы. Экзопояс Кларка должен легко идентифицироваться транзитным методом.

LIGO для поиска звездолётов

Наконец, удивительный пример научной синергии — потенциальное использование LIGO для поиска техносигнатур. LIGO — это гравитационно-интерферометрическая обсерватория, расположенная в США. LIGO работает с 2002 года и изначально конструировалась для поиска гравитационных волн, существование которых было спрогнозировано в 1916 году. Открытие гравитационных волн означает, что существует и квант гравитации (гипотетическая частица гравитон), которую пока не удалось наблюдать в изолированном виде и невозможно получить на современных земных ускорителях. Открытие гравитона помогло бы вписать гравитацию в Стандартную Модель или сформулировать теорию квантовой гравитации. В сентябре 2015 года гравитационные волны были наконец-то зафиксированы на LIGO: они возникли в результате слияния двух чёрных дыр, одна из которых имела 29 солнечных масс, а другая — 36. Это был разовый всплеск безусловно естественного происхождения. Но в декабре 2022 года появился препринт статьи американских и израильских исследователей, в котором предлагается искать при помощи LIGO следы звездолётов. Если звездолёт будет идти на варп-двигательной тяге или скользить на гребне солитона, то он должен испускать настоящий «кильватер» из гравитационных волн. Такие серии волн будут совершенно не похожи на следы слияния нейтронных звёзд или чёрных дыр и, более того, позволят выявить «трассы» таких звездолётов. Гипотеза представляется крайне экзотической, но логичной. Сложно сказать, сколько лет наблюдений понадобится, чтобы подтвердить или уверенно исключить такую гипотезу.

Заключение

Возможно, поиск техносигнатур окажется полностью бесплодным по многим причинам: например, потому что сложной жизни в Галактике просто не существует, либо потому, что экспансивное развитие цивилизации не общий тренд. Возможно, уравнение Дрейка полностью спекулятивно, либо, наоборот, единственная действенная стратегия выживания в Галактике — «тёмный лес». Но тем не менее, этот поиск кажется мне полезным и результативным и по-своему двигает науку вперёд. Другой пример ложной гипотезы, которая привела к серьёзному научному прогрессу и развитию естественных наук, я рассмотрю в одной из ближайших статей.

P.S. Астероид Оумуамуа желательно догнать и изучить.

P.P.S. Спасибо, господин Курилов @akurilov, без вас эта статья бы не состоялась.