§ 12.4. Жизнь и разум во Вселенной

Определения и обозначения

Жизнь — форма существования материи, для которой характерны обмен веществом и энергией, саморегуляция, рост, размножение и передача наследственной информации. Отдельный признак не всегда позволяет отличить живое от неживого, поэтому рассматривают их совокупность. Это определение помогает понять, какие процессы искать при изучении других миров.

Внеземная цивилизация — предполагаемое общество разумных существ за пределами Земли, способное создавать технологии и, возможно, передавать сигналы. Пока существование таких обществ не подтверждено наблюдениями. Понятие нужно, чтобы отделять поиск простейшей жизни от поиска разумных существ и следов их деятельности.

Зона обитаемости — область вокруг звезды, где на поверхности планеты при подходящих условиях может существовать жидкая вода. Её положение зависит от энергии звезды: слишком близко вода может испаряться, слишком далеко — замерзать. Это ориентир для выбора планет, которые стоит изучать, а не граница, внутри которой жизнь гарантирована.

Уравнение Дрейка — оценочная модель числа цивилизаций в Галактике, способных вступить в контакт. В ней перемножают оценки частоты образования звёзд, доли планетных систем и вероятностей появления жизни, разума и обнаружимых сигналов; учитывают также время существования цивилизаций. Модель нужна, чтобы разложить сложный вопрос на отдельные факторы, хотя многие из них пока неизвестны.

Как это устроено

Воду считают важным ориентиром, потому что в известных земных организмах она служит средой для химических реакций и переноса веществ. Для возникновения и поддержания жизни нужны также источник энергии и элементы, из которых строятся сложные молекулы, например углерод, водород, кислород и азот. Если хотя бы одного из этих условий нет, привычная нам биохимия может быть невозможна, но это не исключает иных форм жизни. Поэтому учёные ищут не один признак, а сочетание подходящих условий.

Температура поверхности планеты зависит от мощности излучения звезды, расстояния до неё и свойств атмосферы. Звезда большей светимости может обеспечить подходящий нагрев на большем расстоянии, а плотная атмосфера способна удерживать тепло или, наоборот, отражать часть излучения. Поэтому одну только дистанцию нельзя использовать как достаточное описание климата. Зону обитаемости оценивают с учётом звезды, а условия конкретной планеты уточняют отдельно.

Экзопланетами называют планеты, обращающиеся вокруг других звёзд. Их обнаруживают, например, по небольшому периодическому изменению движения звезды под действием гравитации планеты или по ослаблению света, когда планета проходит перед звездой. Такие наблюдения позволяют выяснить, что планетные системы распространены, и отбирать миры для дальнейшего изучения. Однако сам факт обнаружения планеты ничего не говорит о наличии на ней воды, подходящей среды или живых организмов.

В уравнении Дрейка N = R × fₚ × nₑ × fₗ × fᵢ × fᶜ × L множители описывают последовательные этапы. R — число звёзд, образующихся за единицу времени, fₚ — доля звёзд с планетами, а nₑ — среднее число потенциально подходящих планет в такой системе. Далее fₗ оценивает вероятность появления жизни, fᵢ — вероятность возникновения разума, fᶜ — вероятность появления обнаружимых сигналов, а L — среднее время, в течение которого цивилизация их подаёт. Произведение даёт ориентировочное число цивилизаций, а не точный подсчёт: особенно неопределённы вероятности появления жизни и разума.

Отсутствие зарегистрированных сигналов может объясняться тем, что расстояния между звёздами огромны, а радиосигнал ослабевает по мере распространения. Цивилизация может передавать сигнал редко, недолго или способом, который мы пока не умеем распознавать. Наблюдатели также исследовали лишь часть неба, диапазонов частот и возможных периодов. Значит, отрицательный результат поиска ограничивает наши знания о сигналах, но не доказывает отсутствие внеземной жизни.

Факторы, связанные с возможностью жизни и её обнаружения

Таблица помогает различать условия, которые могут поддерживать жизнь, и признаки, которые астрономы способны зарегистрировать. В последнем столбце указано, что именно можно узнать по наблюдениям, а не какой окончательный вывод они гарантируют. Сопоставляй несколько факторов: отдельное наблюдение обычно недостаточно для подтверждения обитаемости.

Разбор задач

Задача 1. Планета обращается вокруг звезды на расстоянии 1 а.е. Достаточно ли этого, чтобы считать её обитаемой? Расстояние в астрономических единицах само по себе не сообщает ни о светимости звезды, ни об атмосфере планеты. Поэтому нужно отделить возможное положение в зоне обитаемости от доказательства жизни.

1. Уточняем, что 1 а.е. — это расстояние от Земли до Солнца, а не универсальное условие обитаемости.
2. Сравниваем расстояние с зоной обитаемости именно этой звезды: при другой светимости подходящий диапазон будет иным.
3. Даже при подходящем нагреве учитываем атмосферу, давление, состав поверхности и наличие воды.
4. Отдельно проверяем, есть ли свидетельства жизни: одно расчётное положение планеты таких свидетельств не даёт.

Ответ: нет, расстояния 1 а.е. недостаточно. Оно может соответствовать подходящим условиям только при определённых свойствах звезды и планеты; обитаемость и наличие жизни требуют дополнительных данных.

Задача 2. В условной Галактике 100 млрд звёзд; у половины есть планеты, а у каждой десятой такой системы — планета в зоне обитаемости. Найдём число таких планет. Здесь последовательно применяем обе заданные доли к исходному количеству звёзд, не принимая найденное число за число обитаемых миров.

1. Систем с планетами: 100 млрд × ½ = 50 млрд.
2. Доля систем с планетой в зоне обитаемости равна 1/10, поэтому 50 млрд × 1/10 = 5 млрд.
3. Проверяем смысл результата: он относится к планетам в зоне, а не к планетам с подтверждённой водой или жизнью.

Ответ: по заданным условиям получается 5 млрд планет в зоне обитаемости. Это оценка числа возможных кандидатов, а не количества планет, населённых организмами.

Задача 3. Требуется определить среднее время существования цивилизации L, если известны остальные множители уравнения Дрейка и задано число цивилизаций N. Пусть уравнение записано как N = R × fₚ × nₑ × fₗ × fᵢ × fᶜ × L. Чтобы найти L, нужно отделить его от произведения остальных множителей.

1. Обозначаем произведение известных величин через A = R × fₚ × nₑ × fₗ × fᵢ × fᶜ.
2. Тогда уравнение принимает вид N = A × L, откуда L = N/A.
3. Подставляем заданные значения и проверяем единицы: если R измеряется числом звёзд в год, результат для L выражается в годах.
4. Повторяем расчёт с другими допустимыми оценками множителей: при меньшем A для того же N время L получается больше.

Ответ: L = N/(R × fₚ × nₑ × fₗ × fᵢ × fᶜ). Без численных значений вычислить время нельзя, а неопределённость любого множителя меняет полученную оценку.

Типичные ошибки

Ошибка: считать каждую планету в зоне обитаемости населённой. Зону принимают за готовую гарантию, потому что её название звучит как характеристика пригодной среды. Но это только диапазон возможного существования жидкой воды на поверхности при дополнительных условиях. Проверь себя: перечисли, какие сведения об атмосфере, воде и жизни ещё нужны.

Ошибка: считать уравнение Дрейка точным прогнозом. Удобная формула создаёт впечатление, будто достаточно подставить числа и получить достоверный ответ. На деле вероятности появления жизни, разума и цивилизаций известны плохо или не известны вовсе. Проверь себя: выясни, какие значения измерены, а какие являются предположениями.

Ошибка: заключать, что внеземной жизни нет, раз сигналы не обнаружены. Так рассуждают, принимая ограниченный поиск за наблюдение всей Вселенной. На деле сигналы могут быть слабыми, редкими, направленными в другую сторону или передаваться неизвестным способом. Проверь себя: уточни, какие участки неба и диапазоны сигналов уже исследованы, а какие нет.

Ошибка: смешивать обнаружение экзопланеты с обнаружением жизни. Планету часто находят по её гравитационному влиянию на звезду или по изменению яркости звезды, а не по наблюдению её обитателей. Такие методы подтверждают существование планеты, но не присутствие организмов. Проверь себя: спроси, является ли полученный признак свидетельством планеты, подходящих условий или самой жизни.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении Солнечной системы, свойствах звёзд и планет, а также о том, при каких условиях вода остаётся жидкой. Поиск экзопланет связан с гравитационными методами обнаружения и наблюдательной астрономией: выводы делают по свету и движению далёких объектов. Изучение зон обитаемости подводит к поиску биосигнатур — возможных признаков биологической активности в атмосфере или на поверхности. Эти идеи пригодятся при дальнейшем знакомстве с астрофизикой и происхождением жизни.

Что запомнить

• Жидкая вода считается важным, но не единственным условием возможной жизни.
• Зона обитаемости определяется свойствами звезды и расстоянием до неё.
• Наличие планеты в зоне обитаемости не доказывает существование жизни.
• Уравнение Дрейка помогает организовать оценку, но не даёт точного числа цивилизаций.
• Поиск внеземного разума связан с регистрацией возможных сигналов.
• Пока отсутствие обнаруженных сигналов не позволяет утверждать, что разумной жизни вне Земли нет.