Маркеры жизни на экзопланетах

Сейчас известно огромное количество экзопланет, речь идет о многих тысячах. Если считать и кандидатов в экзопланеты, то их количество перевалило уже за 20 тысяч, то есть их действительно много. Мы думаем, что часть из них, даже из известных планет, потенциально являются обитаемыми. Всего в Галактике, как мы думаем, существуют десятки миллионов потенциально обитаемых планет — это довольно большое количество. Но возникает вопрос: как же мы можем убедиться в том, что на этих планетах есть или может быть жизнь?

Давайте на секунду перевернем ситуацию и представим себя инопланетянами, изучающими Землю откуда-то издали. Причем мы не будем эгоистично думать, что инопланетяне прямо сейчас сидят и смотрят на Землю. Земля существует примерно 4,5 миллиарда лет, и в любой момент ее истории они могли смотреть на нас — такая паранойя в геологических масштабах. Что они видели бы? Конечно, они не видели бы никакой технической цивилизации. Более того, даже если они смотрят прямо сейчас, но с расстояния 200 световых лет, то, с их точки зрения, радио на Земле еще не изобретено.

И вот мы смотрим на Землю. Например, Солнце только образовалось, появилась Земля — она еще даже необитаема. Проходят миллионы, десятки, сотни миллионов лет — Земля остается необитаемой. Проходят миллиарды, наконец, примерно миллиард лет назад Земля становится более или менее обитаемой планетой. Мы смотрим на нее издали и видим маленькую голубую точку. Жизнь эволюционирует, выходит из океанов на сушу — Земля выглядит как маленькая голубая точка. Жизнь развивается на Земле, появляются динозавры — Земля выглядит как маленькая голубая точка. Падает гигантский метеорит, все динозавры сдохли — Земля выглядит как маленькая голубая точка. Землю захватывают хомячки, развиваются млекопитающие — Земля выглядит как маленькая голубая точка. Жизнь продолжает развиваться, появляются наши человекоподобные предки — Земля выглядит как маленькая голубая точка. Человекоподобные предки научились охотиться на мамонтов, делать каменные топоры — ничего не меняется. Строят пирамиды, строят триумфальные арки в Древнем Риме — Земля выглядит как маленькая голубая точка.

И только 120 лет назад изобрели радио, и первый сигнал куда-то полетел. То есть сейчас он долетел до инопланетян, которые находятся на расстоянии 120 световых лет и не дальше. Мощным источником Земля стала только после Второй мировой войны, когда, во-первых, телевидение начало становиться достаточно массовым, во-вторых, радиолокаторы стали становиться достаточно массовыми, и мы стали много излучать в окружающее пространство.

Таким образом, техническую цивилизацию не видно, и, если мы что-то хотим искать, мы должны искать следы достаточно простой и незамысловатой жизни. Это можно делать, изучая состав атмосферы. Например, учитель входит в класс, дети сидят, но учитель знает, что в классе курили, потому что пахнет. Учитель изучает состав атмосферы, он не видел ни курящих детей, ни пачку сигарет, ничего не видел, и дыма не видно уже, но он чувствуется. Мы надеемся, что точно так же, изучая состав атмосфер других планет, мы можем найти следы жизни. В принципе было бы действительно здорово увидеть там какую-то спектральную линию, связанную с курением, или какую-нибудь спектральную линию, связанную с шашлыком или с картошкой фри. Это были бы хорошие биомаркеры. Но эти линии достаточно слабые. Если мы посмотрим на Землю даже с расстояния в сотни миллионов километров, что делают наши аппараты и получают спектры Земли с этого расстояния, то, конечно, там не видно спектральных линий шашлыка.

Но есть вещества, которых достаточно много, которые довольно четко связаны с жизнью и которые хорошо проявляют себя в спектре. Их называют биомаркерами.

Основных биомаркеров пять — это кислород, озон, вода, метан и углекислый газ.

Если эта пятерка присутствует в атмосфере планеты, которая по массе и радиусу похожа на Землю и находится в зоне обитаемости, то мы можем с очень большой степенью надежности сделать вывод, что там присутствует жизнь земного типа.

Каждый из этих биомаркеров по отдельности может иметь естественное происхождение. Если кислород, или вода, или метан сами по себе присутствуют в атмосфере какой-нибудь экзопланеты, то это не является гарантией того, что там существует жизнь земного типа. Но если, например, мы видим кислород вместе с метаном, то мы знаем, что в больших количествах эти элементы, встречаясь в атмосфере, начинают взаимодействовать и убирают друг друга. Если на Земле мы выключим все процессы, производящие кислород и метан, связанные с жизнью, то за довольно короткое время в атмосфере Земли не останется этих веществ, таким образом состав атмосферы отразит нам тот факт, что исчезла жизнь, которая дает кислород и метан атмосфере.

Поэтому одновременное присутствие биомаркеров является очень надежным свидетельством в пользу того, что идут какие-то биологические процессы, которые постоянно поставляют эти вещества в атмосферу. Что поставляет кислород на Земле, мы хорошо знаем — в основном растения. Что поставляет метан, мы тоже более или менее хорошо знаем — обычно все сразу пальцем показывают на коровок и говорят, что они поставляют весь метан в атмосферу. Действительно, они поставляют очень много метана в земную атмосферу, но, строго говоря, винить стоит бактерии, которые живут внутри коров и производят этот самый метан.

Спектры планет меняются со временем, поскольку жизнь развивается, жизнь эволюционирует. Если мы получили бы спектр Земли 4 миллиарда лет назад или даже 3 миллиарда лет назад, то там почти не было бы кислорода. В принципе современные знания позволяют нам сказать, что если мы видим такую планету, маленькую каменную планету, в зоне обитаемости, в атмосфере которой уже есть вода и метан, то мы можем сказать, что там в будущем появится жизнь. Это очень интересно, то есть действительно в недалеком будущем мы можем открывать планеты, про которые сможем сказать, что жизнь там только-только начинается и спустя миллиарды лет она разовьется во что-то более интересное.

Если кого-то интересуют перспективы переселения всех землян на какую-то другую планету, интересно искать как раз такие планеты, чтобы после прилета туда нам не пришлось бы истреблять какое-то туземное население, а мы бы прилетели на планету, еще не заселенную какими-то разумными или более или менее развитыми существами, но уже подготовленную для жизни нашего типа, то есть примерно такую, какой была Земля сотни миллионов лет назад.

Как же мы можем технически искать эти биомаркеры? Нам нужно получать спектры атмосферы. Существуют три ситуации, когда мы можем получить спектр. Во-первых, планета может светить сама. Если планета находится в зоне обитаемости, значит, температура на поверхности примерно 300 градусов Кельвина. Такая планета является источником инфракрасного излучения, мы можем научиться его фиксировать, строить спектр, изучать и искать там биомаркеры.

Кроме этого, планеты отражают свет своих звезд. Если вы вечером или утром вышли и небо ясное, вы можете видеть очень яркую звезду — это не звезда, а Венера, и вы видите ее потому, что Венера отражает свет Солнца. Соответственно, мы можем ловить отраженный свет звезды, снова строить спектр, снова искать биомаркеры.

Наконец, есть еще одна интересная идея — можно посмотреть атмосферу на просвет. Большую часть экзопланет мы сейчас открываем по так называемым транзитам, когда планета проходит точно между нами и звездой, проходит по диску звезды. Соответственно, в момент прохождения мы видим атмосферу на просвет. Примерно так Ломоносов открыл атмосферу Венеры. Стоит зайти в Google, найти оригинальный текст — он очень смешно выглядит, поскольку язык XVIII века отличается от современного, — и вы узнаете, что Ломоносов «знатный пупырь» наблюдал. В такой ситуации мы можем получить спектр экзопланеты и снова поискать там биомаркеры.

Проблема состоит в том, что наша атмосфера тоже содержит в себе эти биомаркеры. Смотреть на биомаркеры сквозь биомаркеры довольно трудно, поэтому все-таки лучше изучать спектры с целью поиска биомаркеров из космоса. Таким образом, это сразу становится задачей на ближайшее будущее — нужно строить достаточно крупные космические проекты, которые могли бы получать спектры маленьких экзопланет с достаточно высокой точностью, чтобы искать там биомаркеры.

Что мы умеем сейчас?

Сейчас мы умеем получать спектры больших экзопланет и обнаруживать там линии, обнаруживать присутствие воды, метана или углекислого газа.

Но пока речь идет о крупных планетах и часто о планетах, которые находятся очень близко от своей звезды, тогда нам их проще изучать: во-первых, они нагреты звездой уже не до 300 градусов Кельвина, а до тысячи с лишним, во-вторых, они могут чаще проходить перед своей звездой, будет больше транзитов, мы будем быстрее накапливать данные. Но хотим мы все-таки изучать маленькие экзопланеты, и пока это находится за пределами досягаемости.

Есть одна очень любопытная возможность узнать состав маленькой каменной планеты. Это похоже вот на что: допустим, у вас есть купюра в 100 долларов, и вы не знаете, настоящая она или нет, у вас нет специального оборудования ее проверить. Вы можете сделать замечательную вещь — вы можете взять ее и сжечь. Если пепел останется рифленым, с рисунком, значит, у вас была настоящая купюра в 100 долларов. Так вот, если маленькая каменная планета упадет на свою звезду — лучше на белый карлик, — то в спектре белого карлика мы обнаружим все правильные элементы. Мы сможем сказать: ага, у этого белого карлика существовала маленькая каменная планета, которая когда-то наверняка была обитаемой, и такие данные есть. Некоторые люди даже считают, что первые надежные данные о существовании экзопланет были получены именно таким способом. Люди уже давно начали получать аномальные спектры белых карликов, которые никак не удавалось объяснить, пока не поняли, что на их поверхность недавно выпадали небольшие каменные тела размером порядка крупных астероидов, обогатившие атмосферу такими нетипичными для белых карликов элементами, которые должны входить в состав каменных планет. Способ, как вы видите, достаточно экзотичный, нас все-таки интересуют экзопланеты, где сейчас может быть жизнь, а не где она когда-то была в прошлом.

Кислород можно искать, как ни странно, и с помощью наземных телескопов, но телескопы нужны довольно крупные. И, по всей видимости, крупные наземные телескопы следующего поколения с диаметром зеркала порядка 30–40 метров смогут за несколько лет наблюдений обнаружить кислород в атмосфере планеты типа Земли. Поскольку это будет только кислород без такой пары, как, например, метан, это не будет очень надежным доказательством существования там жизни, но будет, конечно, все равно важным и серьезным результатом.

Но все-таки нужно делать специальные проекты, они качественно уже разработаны и Европейским космическим агентством, и НАСА. Проблема скорее в финансировании — проекты получаются очень дорогими, они технологически очень сложные, это, конечно, сразу увеличивает стоимость проекта. В самом ближайшем будущем в космос должен быть запущен следующий космический телескоп, который придет на смену Хабблу, — телескоп имени Джеймса Уэбба. Он будет работать в инфракрасном диапазоне и сможет строить спектры экзопланет, в том числе, может быть, достаточно мелких. В поддержку этого проекта будет запущен спутник, который будет искать маленькие каменные планеты около ближайших звезд, и, может быть, эта пара космических аппаратов успеет еще в 20-е годы сообщить нам о том, что на каких-то экзопланетах существует жизнь. По всей видимости, в 30-е годы полетит новое поколение спутников, которые смогут с достаточной точностью получить спектры десятков планет типа Земли в зонах обитаемости и обнаружить одновременно все биомаркеры в их атмосферах. И тогда это будет надежным доказательством того, что на этих планетах существует жизнь земного типа.