На космических задворках: есть ли жизнь на краю Галактики
Выбор между центром и окраинами волнует не только жителей мегаполисов, но и астрономов, размышляющих о жизни во Вселенной. Многие считают, что на пустынных задворках Млечного Пути практически невозможно возникновение органических веществ, а значит, и жизни. Но неожиданное открытие органики в этом регионе космоса позволяет надеяться, что жизнь возможна чуть ли не во всей Галактике.
Взгляд со стороны
Обитатель другой галактики, разглядывающий Млечный Путь в телескоп, увидел бы огромный диск, состоящий из нескольких спиральных рукавов. Здесь сосредоточено 80% звезд, включая Солнце, и почти весь межзвездный газ, из которого рождаются новые светила. Этот космический блин окружен разреженной сферой, состоящей из прохладных и очень древних звезд, немногим младше самой Галактики. Наконец, все это погружено в шарообразное облако невидимой темной материи.
Теснее всего светила расположены в центре диска Млечного Пути. При движении от центра спирали к окраинам звезды встречаются все реже и реже. Диск не имеет четкой внешней границы, поэтому ему трудно приписать точный радиус. Чаще всего эксперты называют цифру в 50 000 световых лет. Но, согласно исследованиям последних лет, отдельные звезды встречаются и вдвое дальше от центра диска Галактики. Так же, как звезды, распределен и межзвездный газ, из которого светила возникают и в который частично превращаются после смерти.
Разные поколения
Где в огромном Млечном Пути можно встретить обитаемую планету? Очевидно, лишь там, где есть химические элементы, из которых состоят землеподобные миры и живые организмы.
Основа всех биологических молекул — это водород, углерод, азот, кислород, фосфор и сера. А 98% массы Земли приходится на кислород, кремний, алюминий, магний, кальций и железо. Из всех названных элементов повсеместно во Вселенной распространен только водород. Дело в том, что сразу после Большого взрыва образовались только простейшие и самые легкие химические элементы: водород и гелий, да еще ничтожное количество лития, бериллия и бора. Все остальные ячейки таблицы Менделеева были заполнены благодаря звездам. В их термоядерных топках легкие атомные ядра сливаются, образуя более сложные и тяжелые. Так образуются все элементы вплоть до железа. Еще более тяжелые ядра формируются во взрывах сверхновых и некоторых других процессах, связанных со звездами.
Элементы тяжелее гелия составляли менее 2% облака, из которого примерно 5 млрд лет назад образовалось Солнце и его планеты, включая Землю. Но и такое количество было достигнуто не сразу. Считается, что Солнце — звезда третьего поколения. То есть вещество, из которого образовалось наше светило, к тому моменту уже дважды побывало в составе звезд, обогащавших его «биологическими» и «геологическими» элементами таблицы Менделеева. Эти звезды умерли, частично превратившись в межзвездный газ. Последний стал материалом, из которого образовались новые светила.
Линия жизни
Понятно, что этот круговорот быстрее совершается там, где больше звезд и межзвездного газа. Именно поэтому едва ли стоит искать обитаемые миры в сферической составляющей Млечного Пути, где газа практически нет и новые звезды просто не рождаются. Эта сфера населена старыми звездами второго поколения, в составе которых элементы тяжелее гелия составляют лишь десятые доли процента. А значит, и их планеты, скорее всего, представляют собой одни только безжизненные водородно-гелиевые гиганты вроде Юпитера.
Скалистые миры, похожие на Землю, должны рождаться в рукавах звездной спирали — в диске Млечного Пути, где находимся и мы сами. Но и там не везде подходящие условия, многие эксперты уверены, что окраины диска совершенно необитаемы. Ведь там межзвездного газа совсем мало и звезды, вырабатывающие «элементы жизни», образуются редко.
С другой стороны, центральные области Галактики — тоже не самое уютное место. Там газа так много, что из него часто образуются массивные светила, в конце жизни взрывающиеся как сверхновые. Подобный катаклизм может уничтожить жизнь на планетах не только самой взорвавшейся звезды, но и ее ближайших соседей. А в самом центре Млечного Пути хозяйничает сверхмассивная черная дыра, чья бурная деятельность не обещает спокойной жизни ни в прямом, ни в переносном смысле.
Получается, что пригодная для зарождения живого область Галактики образует широкое кольцо вокруг центра. В его пределах губительные сверхновые встречаются уже довольно редко, а нужных химических элементов все еще достаточно много. Эта космическая средняя полоса известна как галактическая зона обитаемости.
Общепринятых границ этой Ойкумены не существует. По некоторым оценкам, внутренний радиус «кольца жизни» составляет 6–7 000 световых лет, а внешний — 25–30 000. Даже при консервативной оценке радиуса диска Млечного Пути в 50 000 световых лет получается, что не менее половины Галактики не пригодно для обитания. К слову, Земля находится почти на границе «жилых районов».
«Ученые давно интересуются распространенностью органической химии в нашей галактике, и всегда считалось, что не так уж далеко за Солнцем (если смотреть из центра Галактики — Forbes) нам [уже] не встретится много органических молекул, — комментирует соавтор нового исследования Лилия Келемей из Университета Аризоны. — Широко распространено предположение, что на окраинах нашей галактики просто нет химических веществ, необходимых для образования органики».
Жизнь на задворках
Однако Келемей и еe коллеги опровергли эту пессимистическую гипотезу с помощью наблюдений. Используя радиотелескоп, они обследовали 20 облаков межзвeздного газа, расположенных в самом внешнем спиральном рукаве Галактики — рукаве Лебедя. Эти сгустки материи расположены на расстоянии от 42 до 77 000 световых лет от центра Млечного Пути, то есть на его окраинах. Тем не менее во всех 20 облаках был обнаружен метиловый спирт. Это органическое вещество излучает радиоволны на строго определенной частоте, и его сигнал невозможно ни с чем спутать. Ученые сообщили об этом открытии на 238-й конференции Американского астрономического общества.
Само по себе обнаружение метанола в космосе — далеко не новость. Но еще никогда он не фиксировался так далеко от центра Млечного Пути, в зоне, где само существование органических веществ считалось невозможным из-за нехватки нужного «сырья».
Конечно, органика — еще далеко не жизнь. Но даже простейшие органические соединения состоят из «биологических» химических элементов. Так, молекула вышеупомянутого метанола (CH3OH) построена из атомов водорода, углерода и кислорода. Там, где есть кислород, скорее всего найдется и более легкий элемент азот. Вместе они составят уже две трети «большой биохимической шестерки». Присутствуют ли на окраинах Галактики фосфор и сера, только предстоит выяснить.
Впрочем, для развития биосферы необходима еще и похожая на Землю планета, а такие миры состоят из «геологических» элементов от кремния до железа. Их наличие в нужном количестве на задворках Млечного Пути, среди старых и бедных тяжелыми элементами звезд, по-прежнему вызывает сомнения. Впрочем, недавнее открытие землеподобной планеты у одной из самых древних звезд Галактики внушает осторожный оптимизм. Возможно, жизнь — куда более распространенное явление, чем мы себе представляем.
#пронауку: в галактике Млечный путь могут существовать 36 цивилизаций
Астрофизики Ноттингемского университета сообщили, что выработали новый подход к проблеме «одиночества» землян во Вселенной. Обратившись к гипотезе, что разумная жизнь формируется на далеких планетах аналогично тому, как это происходило на Земле, исследователи получили предполагаемое число развитых цивилизаций в галактике Млечный путь — их должно быть 36.
Профессор астрофизики Ноттингемского университета Кристофер Конселиче, который руководил исследованием, объясняет: «В нашей Галактике должно быть несколько десятков активных цивилизаций, если предположить, что для формирования разумной жизни на других планетах требуется 5 млрд лет, как на Земле». Конселиче также уточнил, что их концепция рассматривает эволюцию в космическом масштабе, опираясь на принцип астробиологического предела.
Метод поиска заключается в том, что разумные формы жизни, сформировавшиеся менее чем за 5 млрд лет, аналогичны земным, которые возникли за 4,5 млрд лет. Для этого требуются звезда наподобие Солнца и набор необходимых химических веществ. Исходя из этих данных, в Галактике могут существовать 36 активных цивилизаций.
«Классический метод оценки числа разумных цивилизаций основан на наборе факторов, формирующих живые организмы, но мнения по поводу этого вопроса существенно различаются. Новое исследование упрощает этот набор факторов, использует новые данные, и это позволяет вычислить цивилизации в Галактике более точно», — говорит соавтор исследования Том Уэтсби.
Зарегистрировать непосредственные следы обитаемости Галактики, например, через радиоизлучение сложно, поскольку мешают огромные расстояния. В среднем нас разделяют около 17 тыс. световых лет — передать привет другому миру невозможно. И есть плохие новости: если сроки жизни разумных внеземных существ действительно так же коротки, как и наши, мы никогда не встретимся.
«Наше исследование показывает, что поиски внеземных разумных цивилизаций не дают информации о существовании форм жизни где-либо во Вселенной, но дают нам подсказки о том, как долго продлится наш век, — говорит профессор Конселиче. — Если мы поймем, что разумная жизнь — обычное явление, то выясним, что мы можем существовать гораздо дольше, чем несколько сотен лет. И наоборот, если выясним, что в Галактике нет активных цивилизаций, задумаемся о том, что это плохой знак для нас. В поисках внеземной жизни — даже если они не увенчаются успехом — мы найдем свою судьбу».
Млечный Путь может быть не самым дружелюбным местом для жизни
Поиск внеземной жизни, безусловно, является одной из важнейших задач, которую мы, люди, пытаемся решить. Но космос огромен, и мы понятия не имеем, какая его часть на самом деле потенциально обитаема. Что, если бы мы могли сузить диапазон поиска? Мы построили первую «космобиологическую модель», на карту которой нанесли галактики нашей местной группы, и попытались понять, какие их части могут быть обитаемы. Оказалось, что наша собственная галактика может быть не самым благоприятным местом для проживания.
Ингредиенты обитаемости
Опираясь на наше понимание жилых зон галактики, мы предположили, что общая потенциальная обитаемость любой галактики зависит от трех основных астрофизических критериев.
Один из них — просто общее число звезд, имеющих планеты под боком, что грубо связано с размером галактики. Другой — общее число строительных блоков планет и жизни — углерода, кислорода и железа — так называемые астрофизические «металлы». Еще один критерий — негативное влияние взрывов сверхновых, чья мощная (и ядовитая) радиация может потенциально уничтожить образование и эволюцию сложной жизни на планетах поблизости.
Что примечательно, крупнейшее исследование в своем роде, Sloan Digital Sky Survey, показало, что более 150 000 галактик поблизости отвечают трем этим критериям. Эти данные показывают, что крупнейшие галактики располагают наибольшими объемами металлов. Просеивая эти данные мы также обнаружили, что гигантские эллиптические галактики, обладающие более скругленной формой, чем наш Млечный Путь со спиральными рукавами, могут быть более благоприятными для жизни.
Каждая гигантская эллиптическая галактика размером в два раза больше Млечного Пути может содержать в 10 000 раз больше потенциально обитаемых планет земного типа. Результаты, опубликованные в Astrophysical Journal Letters, также показывают, что эти галактики имеют относительно невысокий уровень взрывов сверхновых, что говорит о том, что большинство этих планет остаются вне зоны влияния вредоносной радиации.
Это первые проведенные расчеты, которые обращают внимание на жизнь в космологических масштабах, а не в отдельных галактиках вроде Млечного Пути. Таким образом, эта модель открывает новое направление, расширяя наше понимание обитаемости вокруг отдельных звезд до истинного «космобиологического» контекста, позволяющего нам обсуждать обитаемость целой Вселенной.
Одна из наиболее привлекательных особенностей этой модели заключается в том, что эти данные включают всю историю всех галактик во Вселенной, которую мы наблюдаем вокруг.
Отношение между числом звезд, объемом металлов и уровнем взрывов сверхновых выступает своего рода «отпечатком пальца», уникальным образом идентифицируя образование конкретной галактики. Это ключевая часть информации, которой нам недостает для определения шансов на развитие жизни в конкретной галактике.
В той ли мы галактике?
По всем параметрам, наш Млечный Путь является типичной спиральной галактикой средних размеров, которая делает примерно одну звезду, подобную нашему Солнцу, ежегодно. Учитывая то, что эллиптические галактики гораздо более дружелюбны к появлению обитаемых планет, можно поднять интересный вопрос, не оказалась ли жизнь в нашем Млечном Пути скорее случайностью, чем закономерностью.
Или что наличие жизни хотя бы на одной планете Млечного Пути говорит о том, что те огромные эллиптические галактики и вовсе кишат жизнью?
Плохо то, что ближайшая эллиптическая галактика к Млечному Пути, Maffei1, находится так далеко, что любые радиосигналы, испущенные от этого космического соседа, будут идти к нам 9 миллионов лет. Эксперименты SETI (Поиск внеземного интеллекта) неустанно сканируют небеса в поиска аномальных сигналов, и если мы обнаружим такой сигнал в далеком будущем, он вполне может быть сигналом приветствия от наших не таких уж и ближайших соседей.
Скорее всего, галактическая цивилизация найдётся в центре Млечного Пути
Целимся в центр
Млечному Пути уже 13 миллиардов лет. Некоторые из старейших звёзд нашей Галактики родились почти в самом начале существования Вселенной. И за всё это неизмеримое время нам известна минимум одна технологически развитая цивилизация – наша.
Но если Галактика такая старая, и мы знаем, что она способна порождать жизнь, почему же мы больше ни от кого не получаем весточек? Если какая-нибудь цивилизация появилась бы в Галактике раньше нас всего на 0,1% от возраста последней, они бы опережали нас на миллионы лет – и, вероятно, развились бы куда как сильнее нас. Если мы уже почти готовы заселять другие планеты, не должен ли Млечный Путь кишеть внеземными космическими кораблями и колониями?
Возможно. Но, вероятно, мы просто не там ищем. Недавние компьютерные симуляции Джейсона Райта с коллегами говорят о том, что лучше всего искать освоившие космос цивилизации в центре Галактики. Этот регион остаётся относительно малоисследованным проектами по поиску внеземной жизни.
Анимация симуляции заселения галактики. Белые точки – незаселённые звёзды, фиолетовые – заселённые. Белые кубики – корабли в полёте. Спиральная структура заселения образуется из-за движения звёзд в галактике. После достижения центра скорость колонизации радикально возрастает.
Перемешивание
Старые математические модели колонизации космоса пытались подсчитать время, которое цивилизация потратит на распространение по всему Млечному Пути. Учитывая размер Галактики, полномасштабное заселение займёт больше времени, чем она существует. Однако уникальность новой симуляции заключается в учёте движения звёзд в Галактике. Млечный Путь не статичен, как считалось в старых моделях – это крутящаяся и перемешивающаяся масса звёзд. Летательные аппараты колонистов и зонды должны перемещаться между звёздами, которые в свою очередь также перемещаются. Из новой симуляции становится видно, что движение звёзд помогает колонизировать Галактику, внося эффект растворения в процесс распространения цивилизации.
Симуляция основана на предыдущем исследовании Джонатана Кэрролла-Нелленбека с коллегами, предполагавшего, что гипотетическая цивилизация могла бы распространяться внутри динамической Галактики на досветовых скоростях. В симуляции предполагается, что корабли цивилизации движутся со скоростями, сравнимыми с тем, на что способны наши летательные аппараты (около 30 км/с). Когда в симуляции корабль прибывает в обитаемый мир, он считается колонией, и уже сам может запускать новые корабли каждые 100 000 лет, если в пределах досягаемости находится незаселённый мир. В симуляции максимальное расстояние для полёта космического корабля составляет 10 световых лет, а длительность полёта – 300 000 лет. Технология виртуальной колонии должна существовать 100 млн лет перед тем, как угаснуть, однако у неё существует вероятность обзавестись новыми поселенцами, если в пределах досягаемости появится другая колония.
Результат получился совершенно другим. Вращение звёзд в Галактике создаёт «фронт» колонизационной волны. Когда он достигает ядра Галактики, тамошняя плотность звёзд резко увеличивает скорость колонизации. Даже с консервативными ограничениями на скорость космических кораблей большую часть Галактики можно заселить менее чем за миллиард лет.
В прямой видимости
Результаты симуляции поддерживают уже сделанное ранее предложение Вишала Гаджара с коллегами, считавшими, что признаки жизни нужно искать в центре Галактики. Эту область можно не только быстро колонизировать, но и эффективно сканировать в поисках технологий. Галактический центр находится у нас в прямой видимости, и это самый плотный по количеству звёзд участок. Кроме того, поскольку Галактика формировалась изнутри наружу, самые старые планеты находятся в её центре – а, значит, у них было больше времени для развития жизни.
Также центр служит естественной точкой для обмена и распространения информации. А если вам нужно найти сигнал, по той же логике вам лучше искать его ближе к центру. Также Гаджар с коллегами предположили, что развитая цивилизация способна добывать энергию из центральной сверхмассивной чёрной дыры Млечного пути для питания всегалактического маяка.
Вид по направлению к центру Галактики из пустыни Мохаве
Так почему же так тихо?
Все эти соображения не дают ответа на наш вопрос – а где все? Возможная скорость колонизации Галактики усложняет поиск ответа. Более того, Кэрролл-Нелленбек с коллегами отмечают, что в процессе колонизации передовая цивилизация может разработать новые технологии для двигателей, укорачивающие время, необходимое для расселения. При этом предварительное сканирование галактического ядра в радиодиапазоне не обнаружило никаких сигналов. Может быть, ответом является само молчание. Галактика настолько стара, что у жизни было время распространиться повсеместно, поэтому некоторые считают, что такое молчание обрекает все мечты на встречу с разумом на неудачу.
Но надежда всё ещё есть! Исходя из симуляции, возможно, что некоторые части Галактики не будут заселены даже по прошествии значительного времени. Весь вопрос в эффективности. Вспомним, что колонизация идёт по наикратчайшим путям. Со временем некоторые колонии вымирают и становятся утерянными – возможно, из-за катаклизмов или истощения ресурсов. Вместо того, чтобы углубляться в космос, цивилизации решают заново заселить вымершие колонии, поскольку те находятся ближе. Формируются скопления населённых колоний, окружённые необитаемыми планетами, которые никто так и не населит. Достигается статическое равновесие, при котором определённые участки Млечного Пути просто неэффективно будет колонизировать.
Есть и другие способы объяснить молчание. Возможно, долгоживущие цивилизации устойчиво развиваются с меньшей скоростью, чем мы думаем. Возможно, различные цивилизации, колонизируя Галактику, стараются держаться подальше друг от друга. Возможно, цивилизации стараются не вмешиваться в развитие таких планет, как наша, или опасаются биологической несовместимости на других мирах. Всё это может объяснить, почему мы ни с кем до сих пор не встретились – если мы действительно не встретились.
Похороненное прошлое
Кэрролл-Нелленбек с коллегами рассмотрели понятие «временного горизонта» – точки в истории, после которой на Земле уже не могут сохраниться следы предыдущих колонизаций. Допустим, миллиарды лет назад на Землю прибыла галактическая инопланетная цивилизация, прожила тут несколько тысяч лет, и вымерла. За прошедшее с тех пор время не останется никаких свидетельств их существования. Поэтому возможно, что хотя мы и не встречали инопланетян, то их встречала Земля.
Судя по симуляции, и исходя из нашего местоположения в Галактике, существует 89% вероятность того, что между визитами инопланетных кораблей проходит миллион лет – потенциально этого достаточно для того, чтобы стереть все следы предыдущих колонизаций. Симуляция говорит, что между пустой и целиком заполненной Галактикой есть промежуточные варианты – это объясняет молчание, одновременно не исключая возможности существования технологически развитой инопланетной цивилизации.
Шаровая жизнь?
Хотя центр Галактики кажется идеальной целью для будущих исследований SETI, у неё есть и другие участки с похожими благоприятными условиями – шаровые скопления.
Это древние собрания звёзд, вращающихся вокруг центра Галактики на расстоянии в десятки тысяч световых лет от него. Это пережитки периода активного формирования звёзд, подогреваемого слияниями галактик. Всего в Млечном Пути известно порядка 150 шаровых скоплений (ШС) возрастом 10-13 млрд лет.
Трёхмерная модель известных ШС и их местоположение в Млечном Пути
ШС чрезвычайно плотны, звёзды в них расположены гораздо ближе друг к другу, чем в среднем в диске Млечного Пути. Рассуждая о межзвёздных путешествиях или передаче сигналов, мы обычно говорим о тысячелетиях. Однако цивилизации, возникшая в ШС, на межзвёздные перелёты хватит и нескольких лет, а на передачу сигналов – нескольких месяцев или даже недель. Проблема в том, что плотность звёзд в ШС может отрицательно сказаться на формировании планет и их орбитальной стабильности.
Р. Ди Стефано и А. Рэй подсчитали «зону обитаемости ШС». Обычно под «зоной обитаемости» мы понимаем радиус орбиты планеты, при котором на её поверхности может существовать жидкая вода. Земля, по счастью для нас, находится в обитаемой зоне Солнца. В ШС зона обитаемости – это радиус не двумерной окружности, а трёхмерной оболочки с центром в центре скопления. Внутренняя часть этой толстой оболочки начинается там, где плотность ШС падает до такой степени, чтобы звёздные системы могли быть стабильными с учётом гравитационного взаимодействия близлежащих звёзд. Притяжение ближайшей звезды может разрушить планетарный пылевой диск, из которого формируются планеты. Звезда, проходящая близко к другой звезде, может выбить с орбиты одну из её планет.
Внешняя часть оболочки начинается там, где плотность звёзд падает настолько, что среднее расстояние между звёздами становится больше 10 000 а.е., или примерно двух световых месяцев. После этого преимущества нахождения в скоплении – небольшое расстояние для перелёта и быстрые коммуникации – сходят на нет. Зона между двумя «стенками» оболочки идеально подходит для колонизации – звёзды достаточно близко для быстрых перелётов и обмена сообщениями, но не настолько близко, чтобы разрушать системы друг друга.
Нам нужно, чтобы в это идеальное множество входили звёзды небольшой массы, живущие дольше остальных. По счастливому стечению обстоятельств у звёзд малой массы также минимальный радиус обитаемых зон. А чем ближе планета к материнской звезде, тем меньше вероятность, что другая звезда выбьет её с орбиты. В ШС также проявляется эффект «массовой сегрегации», когда наиболее массивные звёзды, с менее всего подходящими для заселения системами, притягиваются к центру. Поэтому сегрегация естественным образом выстраивает звёзды от наименее подходящих к наиболее подходящим по направлению от центра к периферии.
Получается, что в гипотетическом ШС, приближающемся по массе к 100 000 солнечных, в идеальные условия для колонизации попадают 40% звёзд класса G (жёлтые карлики типа нашего Солнца) и 15% звёзд классов К и М (оранжевые и красные карлики). Это довольно много. Существует даже возможность, что планеты, выброшенные из систем, смогут поддерживать цивилизацию благодаря общей энергии всех звёзд, получаемой в скоплении со всех сторон – особенно если у цивилизации будет продвинутая технология её сбора. Представьте – свободно путешествующий в космосе инопланетный мир.
Ди Стефано и Рэй предположили, что даже если у 10% звёзд в ШС будут обитаемые планеты, 1% из них будет пригоден для разумной жизни, а на 1% от последних будут существовать цивилизации, владеющие передачей сигналов, то в каждом ШС Млечного Пути должна будет существовать хотя бы одна такая цивилизация. Если взять чуть более оптимистичные цифры, получится, что в разреженном диске могло бы существовать больше цивилизаций, но они были бы разделены значительными расстояниями в 300 световых лет.
Если бы вы жили в ШС, вы могли бы попытаться связаться с далёким диском Млечного Пути. Нам же ещё пока предстоит найти прямые свидетельства хотя бы существования планет в ШС. Наши технологии поиска экзопланет не дают искать их на таком расстоянии и в таком плотном окружении, как ШС. Однако если всё же в ШС будет существовать цивилизация, способная дотянуться до тысяч звёзд, то Ди Стефано и Рэй считают, что она будет, по сути, «бессмертной».
Мы отправляли радиосообщение в один из таких ШС – красивое звёздное скопление M13 в созвездии Геркулеса. Оно находится в 22 000 световых лет от нас, имеет диаметр в 145 световых лет, и состоит из 100 000 звёзд. В 1974 году сообщение в М13 было направлено с радиотелескопа Аресибо. В сообщении содержались числа от 1 до 10, химические компоненты ДНК, изображение человека, изображение солнечной системы и самого телескопа. Длительность сообщения составила 3 минуты. Дойдёт оно до скопления через несколько тысяч лет.
Вероятно, что когда оно туда доберётся, разобрать его будет уже невозможно. Но, возможно, когда-нибудь мы повстречаем цивилизацию, распространяющуюся по галактике. Или же мы сами станем такой цивилизацией.
