Астробиология: от фантастики к реальности
Астробиология - молодая наука, изучающая формы жизни (на сегодняшний день возможные) на других планетах. Раньше ее еще называли ксенобиологией, но сейчас этот термин имеет несколько другое значение, ксенобиологи и исследуют формы жизни с другой биохимией, в том числе искусственные.
На мой взгляд, астробиология сегодня одна из самых романтических дисциплин, забавно то, что у нее пока нет физического объекта, основная их задача - теоретические исследования по поводу возможности формирования жизни на других планетах, ее развития и способов ее обнаружения. Однако их нельзя назвать теоретиками и книжными червями :-). На Земле они проводят исследования и эксперименты по определению границ жизни, изучая экстремофилов, и, тесно взаимодействия с эволюционистами, определяют необходимые условия для формирования самых ранних форм жизни.
Основная проблема в том, что жизнь может быть очень разнообразна. Разнообразна на столько, что некоторые её формы мы можем просто не осознать и не понять, о чем часто пишут фантасты (особенно хорошо эта тема раскрыта Артуром Кларком в романе « Сад Рамы»). Поэтому данную цель значительно сузили и сейчас все силы астробиологов направлены на поиск жизни, подобной земной. Таким образом, автоматически накладываются следующие ограничения:
- форма жизни должна быть углеродная, так как это один из самых часто встречающихся элементов во Вселенной и может формировать длинные молекулы на подобие белков и ДНК.
- на планете должна быть вода в жидком виде, так как это самое оптимальный растворитель и подходящее для формирования углеродной жизни.
- планета должна находиться около Солнце-подобной звезды, так как их срок жизни достаточно длинный для развития жизни, и они производят достаточно тепла, чтобы планеты могли находиться на достаточно удаленном от неё расстоянии (если планета будет слишком близко к своей звезде, то приливные силы будут настолько сильны, что не о каком формировании жизни в нашем понимании речи быть не может)
Первый шаг в поиске инопланетной жизни - это поиск планеты, пригодной для нее. Сначала ищут подходящую звезду с промежутком температур 4000К - 7000К, и возрастом несколько миллиардов лет. Таких звезд в нашем ближайшем окружении порядка 5-10%. Но не все зоны галактики одинаково подходят для зарождения жизни. Если звезда с планетой расположена в области скопления звезд, то близкие соседи могут значительно влиять на геометрию орбит и вызывать гравитационные возмущения. Однако и полное одиночество тоже нехорошо: так как в далеких закоулках галактики гораздо меньше вероятность образования планеты с более тяжелыми элементами, чем водород и гелий. Также планета должна находиться вдалеке от сильных источников гамма-излучения. В нашей галактике Млечный путь Солнце располагается в Рукаве Ориона, что считается хорошим местом для образования жизни на планетах.
Далее у этих звезд ищут планеты в «зоне Златовласки» (Goldilocks Zone, еще ее называют обитаемая зона) - это расстояние от звезды, где может поддерживаться вода в жидком состоянии. Название идет из сказки про Златовласку, известную у нас как "Три медведя", где девочка попала в дом самьи медведей и пробует использовать три предмета один из которых оказывается слишком большим, другой слишком малеким, а третий "в самый раз". Разумеется, назвать обитаемую зону "зоной трех медведей" было бы немного странно, а "зона Златовласки" - весьма романтично.
Определить её строго достаточно сложно, так как приходится учитывать множество факторов, например маленькие планеты должны находиться к звезде ближе, чем большие, так как на них попадает меньше света; парниковый эффект, прозрачность атмосферы, всё это в значительной степень влияет на количество тепла которое поступает на планету и уходит от неё.
Еще одно условие - это отсутствие в этой зоне планет гигантов, так как это сильно уменьшает вероятность формирования землеподобных планет. Правда, с другой стороны, на лунах таких газовых гигантах тоже могут быть подходящие условия. Но поиск лун далеких планет - это следующий шаг.
Конечно, зона Златовласки - это некое допущение, все понимают, что жизнь может быть вне ее, на тех же спутниках планет-гигантов, которые расположены вне этой зоны. А для формирования жизни может подходить и жидкий амиак или метан. Но мы не можем исследовать все планеты и спутники подряд, надо выбрать те, на которых вероятность формирования выше. Предположим, Вы приехали в неизвестный Вам город, и Вы хотите найти узкоспециализированный антикварный магазин с
древними книгами (при этом Вы даже не уверены, что он тут есть). Куда Вы пойдете? Скорее всего, в центр города на торговую улицу, а не на окраину в спальный район. Здесь тоже самое. Мы выбираем более вероятных кандидатов, чтобы сузить зону поиска.
Как ищут планеты? Если у звезды есть планета, то она, вращаясь вокруг, периодически заслоняет ее (так же как луна заслоняет Солнце во время Солнечного затмения), конечно, она закрывает только маленькую область, но этого достаточно, чтобы можно было зафиксировать изменение интенсивности свечения. Если наблюдать за звездой достаточно долго, то анализируя периодичность таких изменений, можно получить всю необходимую информацию: период обращения, дальность орбиты и размер планеты. На самом деле методов обнаружения планет гораздо больше, о них можно причитать тут.
Планете не достаточно просто попасть в зону Златовласки, есть еще 3 дополнительных условия:
- размер должен быть не меньше 0,3 массы нашей Земли, иначе планета не сможет удерживать достаточно толстый слой атмосферы. Однако, сейчас предполагают, что эта цифра должна быть больше, так как на планетах даже немного меньше Земли очень слабо выражена тектоническая активность и, как следствие, отсутствие вулканов. На первый взгляд, это даже хорошо, если вспомнить Помпеи… Но не все так просто - движение плит и извержение вулканов - необходимая вещь для перераспределения химических элементов и создания магнитного поля, которое не только защищает нас от потока излучения, но и мешает солнечному ветру сдувать нашу атмосферу (считается что Марс, магнитное поле которого гораздо слабее чем у Земли, лишился своей атмосферы именно таким образом).
- орбита планеты не должна быть слишком вытянута, так как это создает к сильным перепадам температур в течение года, у Земли орбита практически круглая, но, к сожалению, у подавляющего большинства найденных планет орбита очень вытянута.
- наклон оси тоже очень важен, так как он обеспечивает равномерный прогрев поверхности и мягкую смену сезонов. Если бы планета была повернута к звезде своим полюсом (а не экватериальной частью, как Земля) то положение солнца на небе такого мира менялось бы лишь с сезонами - представьте себе полярные дни и ночь но на всей планете - это бы приводило к тому, что пока одна сторона планеты получает от звезды тепло, другая находится в постоянном мраке и холоде.
Поиск экзопланет - одна из основных задач миссии Кеплера - мощного космического телескопа НАСА, запущенного в марте 2009 года. На сегодняшний день с его помощью уже обнаружено 962 планеты (По состоянию на февраль этого года было обнаружено всего около 1700). После внедрения нового протокола поиска и подтверждения планет только за этот год Кеплер подтвердил 715, из которых 4 находятся в зоне Златовласки.
По таким параметрам как масса и плотность планеты, удаленность от звезды и температура на поверхности рассчитывает Индекс подобия Земле, а при анализе более сложных параметров, таких как тип поверхности, наличие атмосферы и магнитного поля рассчитывает Индекс обитаемости планеты, который оценивает вероятность обнаружения там жизни.
Но не стоит думать, что жизнь может быть обнаружена где-то в глубинах космоса, в нашей Солнечной системе тоже есть несколько кандидатов.
Первый и самый известный кандидат - Марс. Это землеподобная планета, хоть погода там похолоднее и атмосфера не подходящая, очень разрежена и практически полностью состоит из углекислого газа (хотя на Земле тоже в начале не было кислорода). Однако, благодаря последним данным марсохода Curiosity, можно сделать заключение, что когда-то на Марсе текли реки чистой воды. В начале февраля он пробурил отверстие в скале и взял образцы для спектрального анализа. В образцах были обнаружены ключевые ингредиенты для жизни: азот, сера, кислород, фосфор, углерод и водород и, самое главное, вода. Таким образом, раньше условия на этой красной планете были более благоприятными и возможно, что раньше там существовала жизнь, правда, скорее всего, в виде бактерий.
Другой, тоже достаточно известный объект исследований - Европа, спутник Юпитера. Ледяная поверхность этого спутника удивительно гладкая и ровная, на ней нет кратеров, а только трещины. У Европы есть магнитное поле, причем это поле генерируется электрическими токами внутри планеты, которые в свою очередь индуцируются магнитным полем Юпитера. Следовательно, подо льдом есть слой с хорошей проводимость, предположительно это соленая вода. Европа находится вне зоны Златовласки, но приливы, создаваемые Юпитером, разогревают планету изнутри, создают достаточно тепла, чтобы поддерживать воду в жидком состоянии. А это означает, что потенциально там может быть жизнь. Атмосфера спутника сильно разрежена и состоит в основном из кислорода, кислород образуются из-за разложения воды на кислород и водород под действием солнечной радиации, легкий водород просто улетучивается в космос из-за слабого притяжения. Не смотря на скромные размеры (она чуть меньше луны) это самый тяжелый спутник тяжелый спутник Солнечной системы, что свидетельствует о силикатных породах и, как следствие, схожести с планетами земной группы. Предположительно, в подповерхностном океане есть кислород, растворенный в воде, который попадает туда через трещины во льду, поэтому там может существовать не только анаэробная микро-жизнь, но и аэробная фауна, например аналог земных рыб.
В системе Юпитера есть еще 2 спутника, которые привлекают внимание астробиологов - Ганимед и Каллисто. Ганимед - самый крупный спутник Солнечной системы, а также он единственный имеет свою собственную магнитосферу, вероятно, благодаря жидкому металлическому ядру. Подобно Европе его поверхность состоит изо льда. Приливные силы также разогревают планету изнутри, поэтому можно предположить наличие океана подо льдом на глубине около 200 км.
Каллисто самый удаленный из упомянутых спутников и, из-за очень слабых приливных сил, условия для образования жизни там хуже, однако, теория о том, что под ледяной поверхностью есть океан с жизнью до сих пор популярна.
У другой планеты-гиганта Сатурна, тоже есть интересный спутник - Титан, на котором, помимо водяного льда, есть еще и метан-этановые моря. Наличие жидкой фазы свидетельствует о возможной жизни, правда, так как это не вода, она должна будет очень сильно отличаться от нашей.
Конечно, ученые не могут оставить идею провести более детальное исследование этих объектов, поэтому помимо сегодняшней миссии NASA Curiosity на Марсе, Европейское космическое агентство (ЕКА) запустило программу Аврора. В рамках этой программы планируется запустить 2 марсохода ExoMars в 2016 и в 2018 годах. После 2020г. организовать непилотируемый полет на Марс и с последующим возвращение корабля вместе с образцами. А после 2030г. будет осуществлен пилотируемый полет к красной планете.
Также у ЕКА есть еще одна интересная программа - Jupiter Icy Moon Explorer (наследник закрытой Jupiter Icy Moon Orbiter). Запуск запланирован на 2022г, в 2030г. корабль подлетит к системе Юпитера и в течение 3,5 лет будет облетать спутники: Ганимед, Европа и Каллисто. Основная цель этой миссии - получить данные о геологическом строении и активности спутников, области с подповерхностным океаном, измерить толщину ледяной корки Европы и оценить место для будущих исследований. У NASA есть аналогичная программа Europa Clipper, которая, правда, еще не утверждена.
Ну, а пока добыть образцы с других планет для исследований нельзя, астробиологи находят, чем можно заняться здесь, на Земле. Они активно участвуют в исследованиях черных курильщиков, как модели возможной жизни на Европе. Благодаря экстремофилам ученые могут понять, как должна быть устроена жизнь на других планетах, где условия могут сильно отличаться от наших.
Хотя, я не совсем права, у нас на планете есть образцы из далеких миров - метеориты. Как показывают исследования последних лет, не смотря на холод космоса и жару вхождения в плотные слои атмосферы, на этих космических странниках можно найти то, что привлечет астробиологов. В 2008г впервые на одном из метеоритов была обнаружена аминокислота. С тех пор ученые уже неоднократно находили сложные био-молекулы на подобных гостях из космоса.
Не смотря на свою молодость, астробиология является персептивной наукой, цель которой не столько найти друзей по разуму, сколько узнать больше о нас самих и нашем происхождении на Земле.