[Перевод] Можем ли мы быть одинокими во Вселенной?
Этот вид с воздуха на Большой призматический источник в Йеллоустонском национальном парке — один из самых знаковых гидротермальных объектов на суше в мире. Цвета обусловлены различными организмами, живущими в этих экстремальных условиях, и зависят от количества солнечного света, попадающего в различные части источников. Гидротермальные поля, подобные этому, являются одними из лучших мест для возникновения жизни на молодой Земле, а также могут быть местом изобилия жизни на различных экзопланетах.
Вселенная, как мы её понимаем сегодня, — это огромное пространство, усеянное звёздами, галактиками и, вполне вероятно, планетами; мы видим её такой, насколько это возможно с помощью современных приборов. Кроме того, вероятно, существует гораздо большее количество ненаблюдаемой нами «Вселенной», а также инфляционная мультивселенная, в которую вписана вся наша Вселенная. Однако, несмотря на то что наши научные усилия позволили выявить огромное количество деталей о Вселенной, в которой мы живём (и, возможно, даже за её пределами), нам ещё предстоит найти другой обитаемый мир, где есть даже простая микробная жизнь, не говоря уже о жизни сложной и дифференцированной, или даже разумной и технологически развитой. Вопрос о том, насколько мы «одиноки» во Вселенной, остаётся без ответа.
Именно на этот вопрос — возможно, самый большой из всех экзистенциальных вопросов — хочет получить ответ наш читатель, спрашивая: «При непостижимо огромной Вселенной и правдивости теории мультивселенной, может ли наша планета действительно быть единственной планетой с высокоразвитой разумной жизнью?»
Хотя существует огромное количество хорошо продуманных возможных ответов на этот вопрос, у нас совершенно нет данных, чтобы знать наверняка. В настоящее время ответ таков: и Вселенная с повсеместно распространённой разумной жизнью, и Вселенная, где «земляне» являются единственными жителями, находятся в пределах возможного, и для того, чтобы узнать ответ наверняка, потребуется огромный рост наших нынешних знаний. Вот что мы имеем на сегодняшний день.
Как выглядят планеты за пределами нашей Солнечной системы, или экзопланеты? На этой иллюстрации показаны различные варианты. Учёные обнаружили первые экзопланеты в 1990-х годах. По состоянию на 2023 год число подтверждённых экзопланет составляет чуть более 5 000. Известно, что ни одна из них не является обитаемой, но несколько вызывают интерес, и в основном это планеты размером с Землю, а не значительно превосходящие её.
Давайте начнём с того, что разделим нашу базу знаний на три отдельных раздела:
что точно известно на 2023-й год,
что ещё не известно, но предполагается, что это так, исходя из наших текущих знаний,
и то, что остаётся неизвестным, даже сегодня, даже с самыми лучшими знаниями в нашем распоряжении.
Что касается истинных вещей, то они представляют собой полный набор огромных достижений, как экспериментальных/наблюдательных, основанных на конкретных доказательствах, так и теоретических, которые являются просто экстраполяцией от того, что успешно объясняется нашими лучшими теориями, к необходимым следствиям этих теорий.
Мы знаем, сколько существует звёзд, в том числе какой процент из них подобен Солнцу, какой процент содержит достаточно тяжёлых элементов для того, чтобы вокруг них могли существовать каменистые планеты и жизнь на них, сколько таких систем существует в наблюдаемой Вселенной в настоящее время и сколько из них мы можем наблюдать сегодня, если бы у нас была произвольно развитая технология для работы. Совершенно удивительно, что всего около 30 лет назад мы не знали ответов ни на один из этих вопросов, а сегодня мы узнали окончательные ответы на все из них.
Современная система спектральной классификации Моргана-Кинана, над которой указан температурный диапазон каждого звёздного класса в кельвинах. Подавляющее большинство современных звёзд — это звезды М-класса, и только одна известная звезда О- или В-класса находится в радиусе 25 парсеков. Наше Солнце — звезда класса G. Однако в ранней Вселенной почти все звёзды были звёздами класса O или B, со средней массой в 25 раз больше, чем у современных звёзд.
В нашем собственном Млечном Пути насчитывается около 400 миллиардов звёзд, но сам Млечный Путь — особенно большая, эволюционировавшая галактика позднего времени по сравнению со средней галактикой во Вселенной. Мы можем определить так называемую металличность звёзд в нашей Галактике — долю тяжёлых элементов, элементов тяжелее водорода или гелия, которые присутствуют в звезде, — и посмотреть, какая связь существует между металличностью звезды и её шансами на наличие планет вокруг неё. Кроме того, мы можем сортировать звёзды по их массе и спектральному типу и посмотреть, какая часть этих звёзд имеет вокруг себя планеты, возможно, похожие на Землю, причём «похожие на Землю» на данный момент означает только:
каменистые, как Земля,
примерно той же массы и радиуса, что и Земля,
примерно на таком же расстоянии от родительской звезды, чтобы получать сопоставимое количество энергии, как Земля получает от Солнца,
И наконец, мы можем взять то, что знаем о звездообразовании во Вселенной, и весь набор наблюдаемых галактик —, а также теоретические ожидания для галактик, которые слишком тусклы, слишком малы по массе, слишком близки к большим галактикам и слишком далеки, чтобы мы могли непосредственно наблюдать их, — и составить оценку того, сколько потенциально обитаемых миров содержится в пределах наблюдаемой Вселенной. Вся эта информация попадает в первую категорию «того, что известно», чтобы быть правдой на конец 2023 года.
В плотных средах с большим количеством звёзд, таких как молодые звёздные скопления, галактический центр или центры шаровых скоплений, гравитационное взаимодействие может возмущать орбиты экзопланет, делая их нестабильными. Однако это не может быть объяснением того, почему в шаровых скоплениях не было обнаружено планет; возможно, причина отсутствия планет кроется в бедной металлами природе изученных скоплений.
Если вам интересно, вот несколько цифр.
Всего в пределах видимой нами Вселенной существует примерно 2,2 секстиллиона, или 2,2 × 10^21, звёзд всех типов, масс и появившихся в разное время.
Из них только около 4%, или 8 × 10^19, можно наблюдать с Земли, так как большинство звёзд были созданы в поздние времена в галактиках, которые мы можем видеть только сегодня, когда они были ещё очень молодыми.
Из всех существующих звёзд около 3–5% относятся к тому же классу (G-типу), что и наше Солнце. Около 15–20% звёзд более холодные и с меньшей массой (K-тип), а около 75–80% всех звёзд — это самый холодный и наименее массивный класс «красных карликов» (M-тип). Лишь около ~2% звёзд — яркие, голубые и очень недолговечные.
Для того чтобы звёзды могли иметь каменистые планеты, они должны содержать достаточное количество тяжёлых элементов. Средний предел, по-видимому, составляет ~25% от количества тяжёлых элементов в нашем Солнце; выше этого уровня находится ~98% известных планет, а ниже — только ~2% всех известных планет.
Даже с учётом этих ограничений во Вселенной остаётся огромное количество планет, которые, по крайней мере, являются «планетами-кандидатами» на существование жизни: возможно, ~10^19 планет (или даже больше, по некоторым оценкам), которые потенциально доступны для наблюдения здесь, на Земле, при условии, что мы достигнем бесконечно мощного уровня технологий, но всё ещё будем ограничены законами физики.
На этой цветной карте представлены данные о содержании тяжёлых элементов в более чем 6 миллионах звёзд в пределах Млечного Пути. Звёзды красного, оранжевого и жёлтого цветов достаточно богаты тяжёлыми элементами, чтобы иметь планеты; звёзды зелёного и голубого цветов лишь изредка имеют планеты, а звёзды голубого и фиолетового цветов не имеют вокруг себя планет. Обратите внимание, что центральная плоскость галактического диска, простирающаяся до самого галактического ядра — потенциальное местонахождение обитаемых каменистых планет.
Теперь нам придётся перейти в область предположений, так как у нас есть только один пример известного мира, на котором есть жизнь в какой-либо форме: Земля. Всё, что выходит за эти рамки, требует от нас отступления в область неизвестного, а это обязывает быть честными и открытыми в отношении предположений, которые мы делаем.
Мы предполагаем, что жизнь возникла в результате какого-то естественного процесса из не-жизни и что любая планета с подходящими химическими ингредиентами-предшественниками и условиями окружающей среды — как похожая на Землю, так и отличающаяся от неё по ряду важных параметров — может считаться планетой-кандидатом для жизни.
Мы предполагаем, что законы физики, которые мы ощущаем и воспринимаем здесь, на Земле и в нашей Солнечной системе, идентичны основным законам физики, которые управляют существованием во всей остальной Вселенной.
И мы предполагаем, что жизнь, по определению — это то, что может каким-то образом извлекать энергию из окружающей среды, может использовать этот источник энергии для осуществления какого-то жизненного процесса (то есть имеет метаболизм) и может либо создавать свои копии, либо иметь какое-то родственное себе потомство (то есть может размножаться каким-то образом).
Хотя это общие предположения биологов, астробиологов и большинства учёных, изучающих происхождение жизни, часто встречаются люди, которые делают другие предположения относительно одного или нескольких из них, поэтому важно недвусмысленно сформулировать «натуралистическую» позицию.
Поверхности шести различных миров нашей Солнечной системы — от астероида до Луны, Венеры, Марса, Титана и Земли — демонстрируют широкое разнообразие свойств и истории. В то время как только Земля содержит жидкие водные осадки и скопления жидкой воды на своей поверхности, другие миры имеют другие формы осадков и поверхностных жидкостей, как в настоящее время, так и в далёком прошлом. Возможно, давным-давно к Земле присоединились другие миры, такие как Марс и Венера, обладающие жидкой водой и, возможно, жизнью на поверхности планеты.
Кроме того, в игру вступают и космологические предположения. Мы предполагаем, что ненаблюдаемая нами часть Вселенной не только подчиняется тем же базовым правилам, но и обладает схожими или даже идентичными условиями с той частью Вселенной, с которой мы знакомы. Мы предполагаем, что процесс, который создал и предшествовал горячему Большому взрыву для нас — космическая инфляция — не только создал горячий Большой взрыв в объёме пространства, гораздо большем и обширном, чем то, что охватывает наша наблюдаемая Вселенная (то есть создал большую ненаблюдаемую Вселенную), но и что:
существует ненаблюдаемая Вселенная, которая по меньшей мере в 400 раз больше по радиусу (и в 64 миллиона раз больше по объёму) нашей сегодняшней наблюдаемой Вселенной,
что она наполнена теми же «вещами», которые существуют в нашей Вселенной, включая компоненты для галактик, звёзд, планет и жизни,
и что существует инфляционная мультивселенная, отделяющая друг от друга различные «карманы» пространства, или различные наблюдаемые Вселенные.
по крайней мере так предсказывает теория инфляции и какие ограничения на возможные варианты накладывают наши наблюдения и измерения той части Вселенной, которую мы можем наблюдать
В целом это должно создать огромный набор разрозненных «вселенных», которые находятся не только за пределами нашей наблюдаемой Вселенной, но и за пределами нашей ненаблюдаемой Вселенной. Однако мы относим «обнаруживаемую» внеземную жизнь только к той части нашей Вселенной, которая находится в пределах нашего светового конуса — то есть там, где мы потенциально можем принимать сигналы, которые были испущены после Большого взрыва.
Пример светового конуса — трёхмерной поверхности всех возможных лучей света, приходящих в точку пространства-времени и уходящих из неё. Чем больше вы перемещаетесь в пространстве, тем меньше вы перемещаетесь во времени, и наоборот. Только вещи, содержащиеся в вашем прошлом световом конусе, могут повлиять на вас сегодня; только вещи, содержащиеся в вашем будущем световом конусе, могут быть восприняты вами в будущем. Это иллюстрирует плоское пространство Минковского, а не искривлённое пространство общей теории относительности. В пределах нашей реальной Вселенной в настоящее время можно наблюдать только ~4% звёзд и звёздных систем, образовавшихся после Большого взрыва.
И уже, к сожалению, мы должны покинуть царство «известного» и «достоверно предполагаемого» и перейти в царство спекулятивного. Теперь мы вынуждены задавать трудные вопросы, на которые наука не дала ответа. Вот некоторые из них.
Каков механизм, с помощью которого жизнь возникла из не-жизни на Земле?
Каковы другие механизмы, с помощью которых может возникнуть жизнь, и насколько распространены все эти механизмы?
Где возникает жизнь, как часто она сохраняется в течение длительных периодов времени, и как часто жизнь уничтожается после появления на планете?
Там, где жизнь возникает и сохраняется, как часто и через какое время она становится тем, что мы бы назвали сложной и дифференцированной: многоклеточной, состоящей из специализированных компонентов и обладающей множеством различных структур, которые выполняют множество различных биологических функций?
А если жизнь становится сложной и дифференцированной, как часто она становится разумной и/или технологически развитой, и как долго сохраняются виды, которые нас «интересуют» в этом смысле?
К сожалению, у нас нет никаких доказательств, указывающих на ответ ни на один из этих вопросов, и мы должны узнать ответы на все из них, прежде чем будем готовы ответить на вопрос: «Можем ли мы действительно быть одиноки?»
На этом концептуальном изображении показано, как метеориты доставляют на древнюю Землю все пять нуклеобаз, используемых в процессах жизнедеятельности. Все нуклеобазы, используемые в процессах жизнедеятельности — A, C, G, T и U, — были обнаружены в метеоритах, а также более 80 видов аминокислот: гораздо больше, чем 22, которые, как известно, используются в процессах жизнедеятельности на Земле. Подобные процессы, несомненно, происходили в звёздных системах большинства галактик на протяжении всей космической истории.
Однако наше невежество никогда не мешало нам строить здравые догадки, и мы не позволим недостатку конкретных знаний остановить нас здесь.
На данный момент ведущей теорией возникновения жизни из не-жизни является процесс, называемый коэволюцией пептид-РНК. Идея заключается в том, что некий набор аминокислот — строительных блоков белков — образовался в водной среде в присутствии источника энергии естественным образом. Мы считаем это вероятным, учитывая, что в протопланетах — объектах вроде астероидов и комет, оставшихся после формирования нашей Солнечной системы, — обнаружено большое количество воды, а также значительное количество и типы аминокислот.
Если на Земле в жизненных процессах участвуют всего 22 аминокислоты, имеющие одинаковую «направленность» или хиральность, то в ледяных и скалистых телах их более 80, имеющих обе «направленности» или хиральности. Когда аминокислоты синтезируются, образуя пептид или белок, эти новые молекулы могут выполнять метаболические функции. Если к пептиду добавить ион, он может вести себя как фермент. А если к ним присоединить какую-нибудь нуклеиновую кислоту — на основе рибозных сахаров (РНК), пептидов (ПНК) или других «ксено» (от греческого слова «чужой») нуклеиновых кислот (ХНК), — можно наделить их способностью к размножению.
Если бы жизнь началась со случайного пептида, который мог бы метаболизировать питательные вещества/энергию из окружающей среды, то репликация могла бы произойти в результате коэволюции пептида и нуклеиновой кислоты. Здесь показана ДНК-пептидная коэволюция, но она могла бы работать и с РНК или даже ПНК в качестве нуклеиновой кислоты. Утверждение, что для возникновения жизни необходима «божественная искра», является классическим аргументом «Бога белых пятен», но утверждение, что мы точно знаем, как жизнь возникла из нежизни, также является заблуждением.
Но теперь, к сожалению, мы должны вступить в сферу полных спекуляций — то, что я бы назвал нездоровыми спекуляциями, — если мы хотим начать вычислять вероятности. В настоящее время нет никаких научных оснований для утверждения какой-либо вероятности или правдоподобности следующего:
возникновения жизни из не-жизни,
поддержания жизни на планете в течение миллиардов лет или более,
эволюции жизни до уровня сложности и дифференциации,
превращения этой сложной, дифференцированной жизни в разумную и потенциально технологически развитую.
У нас есть только один пример, свидетельствующий о том, что всё это имело место: здесь, на Земле. На Земле жизнь возникла из не-жизни рано (не позднее 3,8 миллиарда лет назад), поддерживала себя в течение всего времени с момента возникновения, стала сложной и дифференцированной по крайней мере ~600–700 миллионов лет назад и имеет по крайней мере один пример интеллекта в человечестве сегодня.
Если каждый из этих этапов достаточно вероятен — скажем, на 1–10% всех планет-кандидатов это происходит, — то существует от 10^11 до 10^16 наблюдаемых нами миров, на которых в какой-то момент возникнет разумная жизнь.
С другой стороны, если один или два из этих этапов относительно маловероятны — скажем, вероятность их возникновения составляет всего 1 на миллиард, — то можно предположить, что в том, что касается разумной жизни, мы можем быть одиноки: по крайней мере, в том, что касается достижения и обнаружения такой системы.
Митохондрии, окрашенные в жёлтый цвет на этом изображении эукариотических клеток, имеют собственные нуклеиновые кислоты и когда-то в далёком прошлом были не органеллой внутри эукариотических клеток, а самостоятельным организмом. Хотя эти митохондрии могут вернуть нас на миллиарды лет назад, с точки зрения эволюции они все ещё слишком развиты, сложны и дифференцированы, чтобы считаться ранним примером жизни на Земле.
Однако, несмотря на то, что нас больше всего интересуют разумные, технологически развитые инопланетные существа — и да, их поиск с научной точки зрения вполне оправдан, — важно не ограничивать себя поисками того, на что мы больше всего надеемся. Если бы мы нашли планету, где самая разумная форма жизни похожа на дельфина, собаку, аллигатора или даже паука, мы бы не только обрадовались, но и стали бы изо всех сил учиться, чтобы понять, как общаться с таким инопланетным разумом.
Даже если бы мы нашли мир с микробной (или даже более простой) жизнью — что, по нашим расчётам, должно быть самым распространённым явлением на обитаемых планетах, — мы бы узнали, что Земля не уникальна и что жизнь действительно есть во Вселенной. Пока мы являемся единственным известным примером жизни, мы действительно можем быть нереальным победителем в космической лотерее биологии. Но если мы найдём второй пример, у нас не только появятся основания полагать, что существует множество других, но и мы сможем начать оценивать частоту, с которой жизнь может появляться на других мирах.
Я думаю, что очень маловероятно, что Земля окажется единственной планетой, на которой вообще есть жизнь; как и большинство учёных, я считаю весьма вероятным, что только в Млечном Пути существуют тысячи, миллионы или даже миллиард с лишним миров, населённых той или иной формой жизни. Но очень многие ключевые вопросы остаются без ответа:
Повезло ли Земле в том, что наша биосфера ни разу полностью не разрушилась?
Являются ли 3–4 миллиарда лет, которые потребовались нам для того, чтобы пройти путь от зарождения жизни до сложной и дифференцированной жизни, типичными, или же существовали особые обстоятельства, которые позволили нашей планете достичь этого?
И является ли человекоподобный интеллект такой редкостью, что шансы найти другой астрономические? Или же разум, подобный нашему, встречается относительно часто: как здесь, на Земле, так и на других планетах?
Сегодня на эти вопросы не может ответить ни один учёный, но множество учёных так или иначе работают над поиском доказательств. Возможно, когда мы впервые обнаружим обитаемый мир за пределами Земли, мы наконец начнём отвечать на эти вопросы единственным известным нам удовлетворительным способом: с помощью данных, а не априорных рассуждений.
