Инопланетный смог может привести нас к внеземным цивилизациям
В марте прошлого года, когда Рави Коппарапу (Ravi Kopparapu) еще работал в своем кабинете в Центре космических полетов Годдарда в Мэриленде, он наткнулся на пресс-релиз NASA Earth Observatory. В небе над Китаем уровень диоксида азота резко снизился, так как к тому моменту страна с населением в 1,4 миллиарда человек уже более месяца жила в режиме жесткой изоляции. Он отправил ссылку своему коллеге Джейкобу Хакк Мисра (Jacob Haqq Misra) с текстом: «Техносигнатура?» «О, это интересно», — ответил тот.
Сделанное наблюдение пробудило интерес Коппарапу, и два месяца спустя, все еще размышляя о том, как современные общества загрязняют воздух своей же планеты, он прочитал статью о влиянии на загрязнение атмосферы мер общественного здравоохранения, введенных из-за пандемии. Ученые установили, что сходный эффект наблюдается и на территории других высоко индустриализированных стран, таких как Южная Корея и Соединенные Штаты. С января по апрель 2020 года уровень диоксида азота над городскими центрами снизился на 20-40%, поскольку многие правительства последовали примеру Китая и приказали гражданам оставаться дома. Диоксид азота — один из самых распространенных загрязнителей воздуха, образуется в результате горения и использования ископаемых видов топлива, а также естественных биологических процессов вроде молний и выбросов в почву. Однако Коппрапу заинтересовался диоксидом азота не из-за его влияния на Землю. Его интерес лежал на расстоянии световых лет от нее в атмосфере более четырех тысяч экзопланет, найденных в нашей области галактики Млечный Путь.
Изоляция показала то, что изучающие атмосферу специалисты пытались точно установить ранее: большая часть, около 65%, диоксида азота на Земле поступает из небиологических источников и является совокупным результатом наших поездок на работу, производства, а также переработки металлов и газа. Если все обстоит так, Коппарапу хотел узнать, можно ли обнаружить наличие этого газа в атмосфере далеких экзопланет? Если это возможно, не окажется ли, что мы наблюдаем за цивилизацией, похожей на нашу, которая также смогла использовать ископаемое топливо для технологической революции?
«Мы производим в три раза больше диоксида азота, чем биология и молния вместе взятые, — говорит о нашей планете Коппарапу. — Так что, если мы найдем диоксид азота на планете, похожей на Землю, построим модель со всеми возможными биологическими и атмосферными источниками и все еще не сможем объяснить объем найденного газа, есть вероятность, что мы нашли технологическую цивилизацию».
Коппарапу находится в авангарде формирующегося направления астрономии, целью которого является определение техносигнатур (или технологических маркеров) в космосе. Не ограничиваясь радиосигналами, астрономы ищут пути обнаружения планет или других космических объектов, ориентируясь на такие вещи, как атмосферные газы, лазеры и даже гипотетические окружающие звезды структуры под названием сферы Дайсона. Техносигнатуры можно было бы наблюдать с Земли или использовать для этого некоторые наиболее амбициозные концепты зондов, например, Starshot, световой парус с лазером, который теоретически может достичь Альфы Центавра за два десятилетия.
Стремясь исследовать больше, Коппарапу обсудил идею с коллегами, включая Хакк Мисра, старшего научного сотрудника Blue Marble Space Institute of Science, вскоре ставшего его соавтором. В конце февраля они опубликовали в журнале The Astrophysical Journal статью, где изучали эту проблему на примере компьютерной модели, имитировавшей столб атмосферы похожей на Землю планеты и подсчитавшей вероятность возможности обнаружения диоксида азота на других планетах.
Их модель имитирует воздействие на молекулы атмосферы четырех типов света звезды, смоделированных по образцу нашего Солнца, являющегося оранжевым карликом, и двух звезд М-типа, таких как Проксима Центавра. Каждая звезда излучает свет уникального спектра, взаимодействующий с атмосферой вращающихся вокруг нее планет и вызывающий определенные фотохимические реакции. (На Земле в результате этих реакций мы получаем озон). Когда излучение (или свет) звезды нагревает молекулы атмосферы, они переходят во временное возбужденное состояние, и тогда может произойти несколько вещей: они могут распасться или соединиться, а на поверхности планеты превратиться в пищу для растений. Различные типы излучения других звезд могут заглушить или стимулировать сигнал диоксида азота.
Для определения фотохимических реакций в атмосфере далекой планеты нужен современный и очень точный телескоп со спектрографом. Астрономы должны направить телескоп на (относительно) мелкую и быстродвижущуюся планету, когда она проходит перед своей звездой. В этот короткий промежуток времени телескоп может уловить свет, проходящий через атмосферу планеты, и разложить его с помощью призмы. Полосы на призме расскажут нам о составе атмосферы по уникальной спектральной сигнатуре, отличающий каждый элемент почти как отпечатки пальца. Если инопланетная цивилизация так же, как и мы, загрязнила свое небо диоксидом азота, то это укажет нам на ее существование.
По мнению Коппарапу и Хакк Мисра, используя продвинутые телескопы следующего поколения мы можем найти этот сигнал на подобных Земле планетах, вращающихся вокруг своей звезды в узкой «обитаемой зоне», где вода может существовать в жидком состоянии. Подобные наблюдения можно будет проводить с помощью двух долгожданных телескопов НАСА LUVOIR и HabEx, созданных со значительными улучшениями чувствительности и пространственного разрешения, а также спектрографов, способных сосредотачиваться на нескольких задачах одновременно. С помощью оборудования этих миссий мы сможем с уверенностью заявить о сигнале, пришедшем с расстояния 30 световых лет после примерно 400 часов наблюдений.
Может показаться, что это долго, однако Коппарапу напоминает, что космический телескоп Хаббл в течение трех лет потратил вдвое больше времени для проведения проекта «Пограничные поля». Тогда телескоп сделал наиболее детальные существующие фото ранней вселенной: тысячи галактик, разбросанных по темным просторам космоса возрастом 13 миллиардов лет. «Если мы найдем по-настоящему хорошую планету в обитаемой зоне звезды, похожей на Солнце, тогда мы гипотетически сможем понаблюдать за ней подольше, — говорит Коппарапу. — Кажется, что это много, но это совсем не так, учитывая, что мы делали раньше».
Даже если наблюдения будут вестись достаточно долго, есть вероятность столкнуться с некоторыми сложностями. Облака и аэрозоли в атмосфере планеты поглощают свет на той же длине волны, что и диоксид азота, поэтому они вполне могут полностью сымитировать сигнал. В то же время планеты, вращающие вокруг звезд меньшей величины, чем наше Солнце, тип К и М, могут посылать более сильный сигнал диоксида азота. Дело в том, что такие звезды излучают меньше ультрафиолета, способного расщеплять этот газ в атмосфере. В результате можно преувеличить объем диоксида азота в атмосфере и посчитать его свидетельством цивилизации там, где ее нет.
Биологические процессы вроде нитрификации почвы, лесных пожаров и молний также производят диоксид азота. Однако, по подсчетам ученых, эти процессы вырабатывают намного меньше газа, чем антропогенные источники, как, например, сжигание ископаемого топлива. Кроме того, в Солнечной системе существует всего несколько атмосфер, которые мы изучили и можем использовать для сравнения.
Рэнью Ху (Renyu Hu), ученый планетолог и специалист по атмосфере экзопланет Лаборатории реактивного движения НАСА, считает, что самой большой проблемой для обнаружения диоксида азота в качестве техносигнатуры является химическое время жизни газа в нашей атмосфере. На Земле большая часть диоксида азота распадается под действием солнечного света или «выпадает», превратившись в азотную кислоту, за пять-десять дней после образования. Однако на других планетах этот срок может отличаться. «Так как атмосферные условия на экзопланетах могут отличаться от земных, диоксид азота там может существовать дольше, а значит и накапливаться в больших объемах», — говорит Ху. Если в атмосфере экзопланеты нет таких поглотителей, как на Земле, то это может сымитировать устойчивый, сильный сигнал диоксида азота, который мы воспримем как свидетельство загрязнения и индустриального общества.
Далее команда Коппарапу планирует создать более совершенную трехмерную модель, которая будет более точно имитировать атмосферные изменения, которые мы ожидаем увидеть на другой планете. Вместо одного столба модель будет имитировать атмосферу полностью, включая более точные с физической точки зрения высоты облаков и движений. Это поможет исследователям избавиться от вероятности того, что облака сымитируют сигнал диоксида азота.
Прежде чем что-то из этого станет возможным, НАСА нужно расставить приоритеты и профинансировать хотя бы одну из концепций телескопов следующего поколения, таких как LUVOIR или HabEX. Оба этих проекта изучаются для будущего Десятилетнего обзора планетарной науки, который представит НАСА и Конгрессу рекомендации по исследованиям и финансированию, а также направит усилия более широкого научного сообщества. Обзор будет издан весной 2022 года. Однако, даже если отчет отметит важность обоих проектов, эти миссии не реализуются раньше 2030-ых годов.
Несколько десятилетий назад федеральное финансирование проекта SETI (поиск инопланетного разума) и возможных радиосигналов переживал пик. В 1961 году астроном Фрэнк Дрейк (Frank Drake) опубликовал свое знаменитое Уравнение Дрейка. Это формула, оценивающая вероятность существования обнаруживаемой разумной жизни в космосе с использованием таких данных, как количество планет с подходящей для жизни средой и сколько из них могли бы породить разумную жизнь. Однако при вычислении результат мог варьироваться от нуля до миллиона. (Годы спустя группа ученых из Великобритании с невероятной точностью подсчитала, что только в Млечном пути существует как минимум 36 взаимодействующих разумных цивилизаций.)
В 1984 году для помощи в поиске жизни был основан Институт SETI, в 1999 году исследователи из Berkeley SETI Research Center запустили проект SETI@home, который позволяет владельцам персональных компьютеров помогать анализировать структуры данных радиотелескопов. При этом поступали и обнадеживающие астрономические новости. В 1992 году Александр Вольщан (Alexander Wolszczan) и Дейл Фрейл (Dale Frail), используя радиотелескоп обсерватории Аресибо, впервые обнаружили планеты за пределами Солнечной системы, это были планеты, вращающиеся вокруг пульсара в системе Девы. После введения в эксплуатацию Космического телескопа Кеплер в 2009 году обнаружили еще тысячи таких планет. Следом появился и новый вопрос: существование экзопланет подтверждено, но какие они? Астрономы начали разрабатывать теории о составе внеземных атмосфер, особенно сосредоточившись на ее составе в случае существования жизни. Сегодня в учебниках пишут о физике атмосфер далеких миров, а потенциальные биосигнатуры, химические признаки жизни, которые можно найти в атмосфере экзопланеты, обсуждают в ведущих астрономических журналах.
Однако некоторые астрономы всегда скептически относились к техносигнатурам. Даже если где-то и есть другие цивилизации, как долго будет идти их радиосигнал? Будем ли мы существовать, когда он придет? Только нашей галактике 13,5 миллиарда лет, вполне возможно просто пропустить жизненный цикл другой цивилизации, как корабли ночью. К тому же поиск внеземных радиосигналов недавно был серьезно подорван. В августе прошлого года телескоп Аресибо был серьезно поврежден упавшим кабелем, и теперь его демонтируют. Публичная часть проекта SETI@home была приостановлена в марте 2020 года, теперь исследователи будут разбираться с данными, накопившимися за два десятилетия.
Коппарапу называет свое занятие «атмосферным SETI», альтернативой поиску радиосигналов других цивилизаций. «В случае атмосферных техносигнатур им не нужно ничего активно делать, чтобы связаться с нами. Они могут и дальше заниматься своими делами и совсем не знать, что мы наблюдаем за их планетой», — говорит Коппарапу. — В ближайшие 20 лет мы запустим космические телескопы, которые смогут наблюдать за атмосферой далеких обитаемых планет и, может быть, получать их изображения. Если за 150 лет развития индустриальной цивилизации и 100 лет развития возможностей радиосвязи мы можем сделать это, то сколько других цивилизаций наблюдало за нашей планетой за миллиарды лет ее жизни?»
В августе прошлого года соавтор статьи Хакк Мисра собрал 50 специалистов, включая известных астробиологов и астрофизиков, для участия в Technoclimes. Это онлайн-конференция, где участники говорили о последних исследованиях в области техносигнатур и обсуждали возможные фокус и рамки будущего исследования. «Сейчас мы вступили в эпоху, когда можно задавать такие вопросы и над тобой посмеется не так уж много астрономов», — говорит Хакк Мисра. «Идея жизни на других планетах перешла из области научной фантастики и приблизилась к научной реальности», — считает Коппарапу.
Сейчас Коппарапу и Хакк Мисра работают над статьей, где рассматривается вопрос, можно ли обнаружить экзопланету с существующим на Земле уровнем атмосферных хлорфторуглеродов, озоноразрушающего химического вещества, существующего в старых хладагентах и аэрозолях, при использовании будущих космических телескопов, проводящих исследования на соответствующей длине волны. (Существующие сегодня концепции LUVOIR и HabEX на это не способны.) Однако тут есть небольшая проблема: хлорфторуглероды образуются промышленным способом и могут служить четким показателем технологических возможностей. На Земле мы десятилетиями пытаемся убрать их из атмосферы. Аналогичная ситуация и с диоксидом азота и всеми остальными нагревающими планету загрязнителями. Для выживания нам придется резко сократить выбросы, чтобы планета не стала враждебной для большинства форм жизни. Если это справедливо и для других планет, то их обитатели или очищают атмосферы, или погибают, не сумев этого добиться. Все это сокращает период, когда мы можем обнаружить этот тип сигнала: для хлорфторуглеродов это примерно 50-150 лет, всего лишь доли секунды, с астрономической точки зрения.
Хакк Мисра отмечает, что есть несколько ситуаций, в которых хлорфторуглероды могут существовать и не вредить обитателям планеты. На планете с небольшой атмосферой жители вполне могли бы желать увеличить их объем, особенно если их целью является поддержание воды в жидкой форме, этого можно добиться масштабной планетарной инженерией. «Хлорфторуглероды — газ с мощным парниковым эффектом, так что, если бы мы хотели терраформировать Марс, то нам, вероятно, нужно было бы заполнить ими его атмосферу, — говорит он. — А может быть, хлорфторуглероды не токсичны для этих организмов. Может быть, эти организмы вообще не биологические, может быть, это искусственный интеллект».
Сары Сигер (Sara Seager), астробиолог из МТИ, десятилетиями изучавшая биосигнатуры и экзопланеты, рада, что в арсенале появился еще один инструмент. Однако, по ее мнению, фотохимия — сложная область, а не какое-то чудодейственное средство. В прошлом году она входила в группу исследователей, объявившей об обнаружении фосфина в атмосфере Венеры. На Земле фосфин вырабатывает бактерия, участвующая в разложении, а также часть его производят искусственно для применения в фумигантах или биологическом оружии. Поэтому, когда астроном Джейн Гривз (Jane Greaves) обнаружила нечто, напоминающее сигнатуру фосфина в атмосфере нашей ближайшей соседки, она созвала целую команду из астробиологов и химиков, чтобы подтвердить и изучить этот сигнал. В сентябре 2020 года они опубликовали полученные результаты в журнале Nature Astronomy. Несмотря на то, что далее не последовало ни одной статьи, в которой бы объяснялось, как фосфин мог образоваться в верхних слоях атмосферы Венеры небиологическим путем, ученые до сих пор далеки от консенсуса относительно существования фосфина и этой темы в целом.
«Люди все еще не верят, и те, кто писал статью, тоже не считают это признаком жизни, однако мы не знаем, как еще можно создать фосфин в среде вроде земной или венерианской без жизни, — говорит Сигер. — Мы до сих пор не готовы сказать, что это именно жизнь». Между тем Венера совсем близко. На экзопланетах, расположенных в десятках световых лет, сигнал фосфина определить будет еще сложнее, в первую очередь для этого потребуется более высокое его содержание. «Это проверка в реальных условиях, она показывает, что найти его будет сложно, а даже если мы и получим мощный сигнал, кто-то, вероятно, придумает другое объяснение», — считает Сигер.
Как бы то ни было, поиск жизни в космосе получил новый толчок, и исходит он от Конгресса. В Законопроекте об ассигнованиях Палаты представителей 2018 года Конгресс поручил НАСА включить техносигнатуры в портфель исследований, подобного не случалось уже несколько десятилетий. В том же году НАСА провела трехдневный семинар по техносигнатурам в Хьюстоне, в котором приняли участие ведущие специалисты различных дисциплин, чтобы проанализировать состояние области и наметить путь развития. Администрация Байдена полностью поддержала лунную программу «Артемида» и Космические силы, однако пока неизвестно, распространится ли эта поддержка на поиск жизни в космосе. Между тем Коппарапу оптимистично смотрит на растущую поддержку этого направления исследований, включая поступление частных средств от организаций вроде «Breakthrough Initiatives», многомиллионного пакета космических программ, направленных на поиск внеземной жизни.
Вероятнее всего, обнаружение свидетельств инопланетной жизни (или даже техносигнатур жизни) состоится еще нескоро, а примем мы это еще позже. Тем не менее эта идея заставляет множество исследователей, таких как Коппарапу и Хакк Мисра, продолжать свою работу. Отвечая на вопрос, каково было бы обнаружить мощный сигнал, идущий от далекой планеты, Коппарапу даже не сразу смог подобрать слова. «Вопрос не в том, если это случится, а когда это случится, — говорит он. — А еще, может быть: „Кто в это поверит?"»
