Мы уже обнаружили тысячи планет лишь в пределах нашего ближайшего окружения во Млечном Пути — в основном благодаря тому, как они воздействуют на звёзды, вокруг которых вращаются. Элементарные расчёты показывают, что в галактике существует несчётное множество таких миров, и миллиарды из них потенциально способны поддерживать жизнь. Однако каким именно формам жизни они могут служить домом и как мы — находясь на Земле — сумеем обнаружить следы этих биологических процессов? Это остаётся одной из главных загадок современной науки об экзопланетах и астробиологии. Какие технологии в будущем помогут нам приблизиться к ответу на вопрос: одиноки ли мы во Вселенной? Об этом — о поисках жизни, об атмосферных «отпечатках» живых организмов и о том, почему высокоразвитая инопланетная цивилизация может предпочесть не вступать с нами в контакт, — астрофизик и астробиолог из Корнеллского университета Лиза Кальтенеггер рассказывает в беседе с Янной Левин.
Янна Левин: На протяжении тысячелетий древние астрономы наблюдали странные светила, чьи движения не вписывались в общий рисунок ночного неба. Пока большинство звёзд смещалось в унисон, лишь немногие описывали на фоне звёздного полотна заметные дуги. Греки назвали эти исключения «блуждающими звёздами» — asteres planetai. Со временем стало ясно, что это вовсе не звёзды, но название «планеты» сохранилось.
С развитием науки мы поняли, что эти объекты вращаются вокруг Солнца, что и Земля — всего лишь одна из планет, а всего тридцать лет назад впервые обнаружили, что подобные тела существуют и за пределами Солнечной системы — мы назвали их экзопланетами.
Сегодня астрономы полагают, что только в нашей галактике могут существовать триллионы экзопланет. А с появлением таких выдающихся инструментов, как космический телескоп James Webb, мы способны находить новые миры быстрее и точнее, чем когда-либо прежде.
Меня зовут Янна Левин, и это подкаст «The Joy of Why» от Quanta Magazine, где мы с моим соведущим Стивом Строгацем поочерёдно обсуждаем самые большие вопросы современной математики и науки.
В этом выпуске астрофизик и астробиолог Лиза Кальтенеггер расскажет о поисках экзопланет и попытках обнаружить внеземную жизнь. Лиза — профессор астрономии и основатель Института Карла Сагана при Корнеллском университете. Она — один из ведущих мировых экспертов по моделированию обитаемых миров, а также автор новой книги Alien Earths: The New Science of Planet Hunting in the Cosmos.
Лиза, спасибо, что присоединились к нам в «The Joy of Why». Мы очень рады вас видеть.
Лиза Кальтенеггер: Спасибо, что пригласили.
Левин: Я с большим нетерпением ждала этого разговора. Эта тема уже давно вызывает у меня личный интерес. Первое убедительное подтверждение существования внесолнечной планеты, или экзопланеты, было получено совсем недавно — в 1995 году. А по научным меркам это практически вчера. Но вот вопрос: почему ещё до 1995 года было логично предполагать, что планеты существуют и в других звёздных системах? Почему это допущение считалось разумным ещё до того, как мы что-то смогли увидеть?
Кальтенеггер: Это действительно интересный момент. На протяжении истории человечества мнения менялись: одни говорили — «должны же быть и другие миры», другие возражали — «ничего подобного, мы единственные и особенные». А потом вновь побеждал оптимизм: возможно, жизнь есть на Венере, возможно, на Марсе, возможно — где-то там, среди звёзд.
Мне кажется, как только стало ясно — как ты так красиво описала — что странные движущиеся точки на ночном небе на самом деле являются планетами, вращающимися вокруг Солнца, эта идея начала укореняться. Но найти планету, особенно такую маленькую, как Земля, рядом с яркой, горячей и массивной звездой — чрезвычайно сложно. Для этого понадобилось время: телескопы должны были стать гораздо более мощными.
Левин: А каким методом для их обнаружения пользовались тогда, в 90-х?
Кальтенеггер: Это то, что мы называем методом колебаний — или, по-научному, методом радиальных скоростей. Суть в том, что мы можем наблюдать, как звезда слегка смещается под воздействием гравитации спутника, анализируя её свет. Если свет немного смещён в красную сторону, это значит, звезда удаляется от нас. Если он смещён в синюю — звезда приближается.
И когда вы видите, что свет звезды периодически краснеет, затем возвращается в норму, потом синеет и снова становится обычным — значит, звезда колеблется. Если эти колебания очень слабы, это говорит о том, что вызывающий их объект сравнительно невелик. А малые тела, в ядре которых не происходит термоядерного синтеза, не излучают собственного света. Именно такие объекты мы и называем планетами.
То есть по сути звезда и планета «танцуют» — планета притягивает звезду, и та описывает крошечную орбиту. И по этим микродвижениям, по колебанию звезды мы можем понять, что она — не одна, что у неё есть спутник. Именно так и была впервые обнаружена экзопланета.
Левин: Значит, метод колебаний позволял находить лишь ограниченное число планет, но с тех пор методы ведь сильно изменились, не так ли?
Кальтенеггер: Да, и это потрясающе, потому что с новыми методами мы можем находить гораздо больше планет. Примерно через несколько лет после первых открытий мы поняли, что если планета проходит очень близко к своему светилу, то для некоторых из них мы можем заметить лёгкое и кратковременное потускнение света звезды. Это происходит в тот момент, когда планета проходит между звездой и нами — она буквально заслоняет крошечную часть горячей звёздной поверхности. И это событие повторяется снова и снова.
Левин: То есть что-то вроде мини-затмения?
Кальтенеггер: Да, это по сути и есть мини-затмение. Наблюдать за звёздами в такие моменты нужно крайне внимательно, чтобы не упустить этот слабый эффект. Но когда NASA вывело на орбиту телескоп Kepler, он начал наблюдать за 150 000 звёзд, отслеживая малейшее затухание их света — и обнаружил тысячи новых миров, ранее невидимых для нас.
Сегодня семь из десяти известных нам экзопланет были найдены именно по этому признаку — по ослаблению света при транзите планеты перед своей звездой. И при этом мы понимаем, что это лишь вершина айсберга: ведь далеко не каждая планета проходит по диску своей звезды с точки зрения земного наблюдателя. Так что всё, что мы находим — это лишь малая доля от того, что действительно существует.
Левин: Телескоп Kepler действительно открыл тысячи планет — это был огромный скачок вперёд. Речь не только о смене метода, но и о кардинальном увеличении количества обнаруженных миров. А как это повлияло на наши оценки — сколько звёздных систем вообще могут содержать планеты?
Кальтенеггер: Миссия космического телескопа Kepler была задумана, чтобы ответить на один простой, но фундаментальный вопрос: у скольких звёзд вообще есть планеты? И выяснилось — практически у каждой. У одних это гигантские планеты, наподобие Юпитера, у других — небольшие каменистые миры, подобные Земле. Более того, Kepler установил: примерно у каждой пятой звезды есть планета, находящаяся на «правильном» расстоянии — не слишком близко к звезде, чтобы не было слишком жарко, и не слишком далеко, чтобы не было холодно. То есть — в зоне обитаемости.
А в нашей галактике, Млечном Пути, около 200 миллиардов звёзд. Если хотя бы у одной из пяти есть потенциально обитаемый мир, это означает миллиарды возможных землеподобных планет. Вот почему эти данные стали настоящим прорывом. Раньше мы не знали, насколько распространены планеты вообще — и особенно маленькие, каменистые миры. А теперь у нас есть телескоп James Webb, впервые в истории способный собирать свет именно от таких малых планет и анализировать его в поисках признаков биосферы.
Левин: Давайте остановимся на этом подробнее — здесь есть о чём поговорить. Зеркало телескопа James Webb, если я правильно помню, в шесть раз больше, чем у Hubble? И, конечно, оно такое большое, что конструкторам пришлось разрабатывать систему, при которой зеркало разворачивается уже в космосе. Но почему размер зеркала настолько важен? Что делает James Webb столь грандиозным шагом вперёд даже по сравнению с фантастическим успехом Kepler?
Кальтенеггер: В астрономии всё просто: чем больше света ты можешь собрать, тем больше ты увидишь. И чем больше телескоп, тем больше фотонов он способен уловить даже от очень тусклых и крошечных объектов — таких, как планеты. А если у тебя достаточно большой телескоп, ты можешь не просто зафиксировать точку света, а разложить её спектр — как радугу — и по нему определить «световой отпечаток» другого мира. По этому спектру можно узнать, из чего состоит атмосфера планеты.
Левин: То есть теперь, впервые, есть возможность не просто косвенно судить о существовании планеты по её влиянию на звезду, а наблюдать саму планету напрямую — благодаря столь мощному инструменту. Это по-настоящему захватывающе.
Кальтенеггер: Это потрясающе. Мы давно готовились к этому моменту, используя телескоп Hubble и наземные обсерватории — они уже могли анализировать спектры огромных газовых планет. Но света от небольших каменистых миров попросту не хватало, чтобы провести тот же анализ. Я обычно объясняю это так: если представить планету размером с Землю как яблоко, то её атмосфера — это тонкий слой, тоньше яблочной кожуры. Именно его мы и пытаемся исследовать. Это крайне слабый сигнал, и именно поэтому сейчас — уникальное время для науки. Мы живём в золотую эпоху космических открытий.
Левин: А как насчёт самой идеи зоны обитаемости и стремления найти «вторую Землю»? Мне казалось, что это направление немного утрачивает популярность. Ведь возможно, наш взгляд на Землю как на единственно возможный тип обитаемого мира слишком ограничен. Может быть, жизнь может существовать на спутниках, или даже в атмосферах газовых гигантов, вроде Юпитера, несмотря на отсутствие твёрдой поверхности. Что вы думаете о такой точки зрения?
Кальтенеггер: Безусловно. Даже не стоит сомневаться. В Солнечной системе мы уже активно исследуем ледяные спутники, такие как Европа и Энцелад, где под ледяной поверхностью может скрываться океан. И мы надеемся, что однажды сможем обнаружить там жизнь. Есть и Титан — крайне холодный мир с озёрами метана и этана, которые, как мы предполагаем, могут выполнять роль воды, поскольку на Титане вода попросту замёрзла бы. Там слишком холодно, чтобы вода могла оставаться в жидком состоянии — а для жизни нужна жидкая среда.
С точки зрения биологии мы считаем, что для зарождения жизни необходима поверхность и жидкость. Наличие твёрдой поверхности помогает образовывать так называемые протоклетки — структуры, которые концентрируют органическую химию. Как только у нас появляется возможность создать везикулу — такой замкнутый пузырёк — мы получаем способность избирательно пропускать молекулы внутрь и наружу. Это принципиальный шаг к жизни. Именно на поверхности, где различные молекулы могут удерживаться и постепенно формировать всё более сложные структуры, вроде клетки, может начаться самоорганизация.
Левин: Это просто удивительно.
Кальтенеггер: Одна из главных трудностей, конечно, в том, что мы не знаем, как может выглядеть жизнь, основанная на совершенно иной, неземной химии. И тем более — какие следы такая жизнь может оставить в атмосфере. По сути, поиск жизни — это поиск признаков биосферы. И у нас есть только один проверенный пример — Земля.
А ведь Земля радикально менялась на протяжении своей истории. В самом начале на ней не было кислорода. Затем, по мере развития жизни, его содержание начало расти, и лишь позже появились мы. Если оглянуться в прошлое, Земля проходила через множество фаз, в каждой из которых напоминала совсем другую планету. И именно этот путь мы используем как шаблон для поиска жизни в других мирах.
Конечно, мы внимательно следим за «странными» сигналами. Но главная проблема в том, что неясно, являются ли эти сигналы биологическими, или же это просто результат геологических процессов. Геология тоже способна создавать множество интересных газов и оптических эффектов. Чтобы заявить, что мы нашли признаки жизни, нам нужно быть уверенными, что никакое иное объяснение, кроме жизни, невозможно. Поэтому сейчас мы действуем весьма осторожно. Это значит, что в приоритете — вода и углерод, как на нашей собственной планете.
Но если посмотреть на Вселенную в целом, углерод, водород и кислород встречаются повсеместно. А если планета находится на подходящем расстоянии от своей звезды — таком, где вода может существовать в жидком виде, — шансы на то, что в ней действительно есть вода, довольно высоки.
Левин: Если представить, что наша Солнечная система простирается примерно на один световой год — то есть расстояние, которое свет проходит за год, — то какова протяжённость галактики Млечный Путь в световых годах?
Кальтенеггер: Если двигаться от одного края до другого, получится около ста тысяч световых лет. Сейчас мы ищем другие миры в радиусе примерно тысячи световых лет. Ближайшая к нам звезда — это тройная система, расположенная примерно в четырёх световых годах. То есть мы видим свет от этой звезды таким, каким он был четыре года назад. Всё, что вы наблюдаете на ночном небе, уже произошло в прошлом — мы только сейчас получаем информацию о событиях, которые там произошли. А если смотреть за пределы нашей галактики, то можно заглянуть ещё дальше в прошлое. Именно так мы и видим молодую Вселенную.
Левин: То есть, хотя мы знаем, что в отдалённых уголках галактики тоже есть звёзды, мы пока не можем сказать, есть ли у них планеты? Это по-прежнему слишком сложно. Фактически, вся работа пока сосредоточена в окрестностях Солнечной системы. Хотя, если подумать, тысяча световых лет — это совсем рядом по космическим меркам.
Кальтенеггер: Совершенно верно — это, по сути, наше «космическое соседство». Но нужно помнить: свет распространяется в виде сферы, и чем дальше объект, тем меньше света мы от него получаем. Даже при наличии самого большого телескопа: чем ближе объект, тем больше света мы можем собрать, а значит, тем больше узнать о нём— будь то планета или звезда. И тем меньшие колебания (например, от планеты, вращающейся вокруг звезды) мы способны зафиксировать.
Но есть методы, которые позволяют заглянуть дальше — например, метод микролинзирования. Он основан на том, что массивные тела искривляют пространство-время, идущий от них свет изгибается. Это позволяет находить планеты гораздо дальше. Однако такие миры мы не можем детально изучить, поскольку не в состоянии собрать достаточно света от их атмосферы, чтобы определить, из чего она состоит. Поэтому я сосредотачиваюсь на ближайших к нам планетах — именно их свет мы можем поймать и проанализировать.
Левин: Системы, которые мы уже открыли, могут казаться… ну, довольно странными. Просто потому, что мы привыкли к нашей собственной. Ведь экзопланетные системы не следуют какой-то универсальной «шаблонной» структуре — они очень разнообразны, а иногда и нестабильны. Можешь ли ты привести пример особенно необычной системы, которая продемонстрировала бы, насколько широка гамма возможных сценариев?
Кальтенеггер: Эти системы оказались невероятно разнообразными — и совершенно не такими, какими мы ожидали их увидеть. В нашей системе есть четыре небольших каменистых планеты, расположенных близко к Солнцу, где из-за высокой температуры остались только тяжёлые элементы. А дальше, где было уже холоднее, сформировались газовые гиганты. Именно такую модель мы и ожидали найти, потому что именно её мы видим у себя и, как нам казалось, понимаем.
Но первая обнаруженная экзопланета, 51 Пегаса b, оказалась Юпитером, обращающимся вокруг своей звезды всего за 4,5 дня. То есть мы сразу же узнали, что массивные газовые планеты могут мигрировать — то есть со временем приближаться к своей звезде.
С тех пор мы открыли такое разнообразие систем, которое, я думаю, никто даже не мог представить. Сегодня мы знаем сотни и сотни систем с множеством планет — ведь планеты, как правило, не существуют поодиночке. Мы нашли каменистые миры, совершающие полный оборот вокруг своей звезды меньше чем за 18 часов. Мы уверены, что на таких планетах настолько жарко, что их поверхность — это буквально океан расплавленной лавы.
А ещё существуют миры, занимающие промежуточное положение между самой крупной каменистой планетой — Землёй — и самой маленькой из газовых — Нептуном. Мы называем их мини-Нептунами или суперземлями. И что особенно интересно — именно такие планеты, которых нет в нашей Солнечной системе, оказались самыми распространёнными из всех обнаруженных.
Кроме того, многие из них вращаются вокруг двойных звёзд. Так что двойные восходы и закаты — это обыденность для огромного числа этих миров.
Левин: Ух ты, это потрясающе. Но, по всей видимости, такие системы с двумя звёздами куда менее стабильны, чем те, где звезда всего одна?
Кальтенеггер: Самое интересное здесь — если мы сегодня можем наблюдать такие планеты, значит, они находятся в устойчивом состоянии. Мы, конечно, получаем лишь мгновенный «снимок», но факт в том, что даже если планета вращается вокруг двух звёзд или только вокруг одной из них, существует зона стабильности, где она может располагаться и спокойно существовать.
Левин: Готовясь к нашей беседе, я вдруг задумалась: а сколько вообще спутников в нашей Солнечной системе? Оказалось — почти 300 известных спутников. Я знала, что их много, но не думала, что настолько. Можно ли считать, что такая ситуация — общая тенденция во Вселенной? Что каждая звёздная система может иметь несколько планет, а у каждой из этих планет — множество собственных лун?
Кальтенеггер: Несомненно. У нас пока есть только пример нашей собственной системы, но все газовые гиганты у нас обладают множеством спутников. А у тех планет, у которых пока найдено мало спутников, всё, скорее всего, объясняется тем, что мы ещё не запускали туда аппараты. Многие спутники могут быть очень маленькими, и мы просто не успели их обнаружить.
Некоторые из газовых гигантов располагаются точно в пределах тёплой, умеренной зоны — так называемой зоны обитаемости. И если бы у такого гиганта был каменистый спутник, то на нём вполне могли бы сложиться условия, благоприятные для зарождения жизни. Вокруг таких планет может существовать ещё миллиарды и миллиарды потенциальных мест обитания. Но пока мы этого не знаем, потому что находить такие спутники ещё труднее, чем планеты.
Ведь обнаружить сигнал от самой планеты — уже чрезвычайно сложно. А найти слабый сигнал спутника на фоне сигнала от этой планеты, — задача ещё более сложная. Так что пока что мы не располагаем такими данными.
Левин: Мы беседуем с астрономом Лизой Кальтенеггер о поисках экзопланет у других звёзд и всё более широкой области исследований, охватывающей не только планеты, но и экзоспутники.
И мне кажется, что мы всё это время как будто подступаем к главному вопросу, ради которого всё и затевалось: одни ли мы во Вселенной? В конечном итоге именно это является главной мотивацией в поиске экзопланет и экзоспутников — попытка найти жизнь. Так вот, как вы представляете себе поиск жизни, если не ограничиваться лишь определением «правильного» расстояния до звезды или наличия каменистой поверхности? Ведь, похоже, наука ушла далеко вперёд.
Кальтенеггер: Действительно, прогресс огромный. Если посмотреть, скажем, на Марс или Венеру, то у каждой планеты в Солнечной системе есть свой уникальный световой отпечаток — то есть спектр света, отражённого или прошедшего сквозь её атмосферу. Этот спектр рассказывает нам, из каких химических компонентов она состоит.
У нас есть преимущество: когда планета проплывает по диску своей звезды (с нашей точки зрения), часть звёздного света проходит сквозь её атмосферу. А когда свет встречается с молекулами, он может вызвать их колебания или вращения. Поскольку каждая молекула имеет уникальную структуру, ей нужна своя, строго определённая энергия для таких движений.
Чтобы понять, какие молекулы есть в атмосфере планеты, я просто расщепляю свет — получаю спектр. Если в спектре не хватает определённых длин волн — это значит, что соответствующие фотоны были «поглощены» молекулами, вызвав их колебания или вращения. Это и есть характерная линия поглощения.
Если температура планеты слишком высокая или слишком низкая (настолько, что наш экспериментальный образец в реальности бы закипел или замёрз), либо атмосфера слишком ядовита, то тогда мы используем квантовую механику, чтобы теоретически вычислить, где именно должны появиться эти линии поглощения.
А если я могу это воссоздать экспериментально — тем лучше. Тогда у меня есть справочная таблица: каждая молекула имеет свой спектр поглощения, и я точно знаю, какие линии ей соответствуют. Сравнивая этот спектр с наблюдаемыми данными, я могу сказать, какие вещества есть в атмосфере планеты.
Но на этом работа не заканчивается. Нужно понять, что именно я вижу. Это геологический процесс? Или же я должна предположить наличие биосферы, чтобы объяснить данные? Или, может, это планета, на которой нет жизни — или жизнь есть, но она не оставляет следов, которые мы способны зафиксировать?
С помощью телескопа James Webb мы впервые можем проводить такой анализ и для каменистых планет, находящихся в пределах зоны обитаемости. Прямо сейчас мы применяем этот метод к уникальной системе — TRAPPIST-1. Это маленькая красная звезда, вокруг которой вращаются семь планет, схожих по размеру с Землёй. Три из них расположены как раз на подходящем расстоянии: не слишком жарко, не слишком холодно.
Как я уже упоминала, мы исследуем все планеты в системе TRAPPIST-1, потому что нас интересуют не только те, что находятся в зоне обитаемости, но и вообще любые «странные» или неожиданные признаки того, какими могут быть каменистые планеты у других звёзд. Мы собираем данные, но приходится ждать — сигнал слишком слабый, поэтому нам нужно накапливать данные множество раз, когда планета проходит перед своей звездой.
Левин: Но ведь тогда очень трудно быть уверенными, что мы действительно обнаружили признаки жизни, верно? Как отличить такой сигнал от, скажем, естественного этапа эволюции самой планеты?
Кальтенеггер: Это потрясающий вопрос — и, по сути, именно с него началась моя карьера в этой области. Я хотела понять: а как мы вообще можем быть уверены? С чего начать? Конечно, с Земли. У нас есть только один достоверный пример — наша планета. Я подумала: «Хорошо, Земля сильно изменилась за свою историю. Это единственный случай, где мы точно знаем, как именно она эволюционировала. А как долго мы, глядя на Землю со стороны, смогли бы распознавать признаки, которые невозможно объяснить только геологией?»
Потому что если мы не можем доказать существование жизни на собственной планете, даже располагая всеми данными, то тем более не сможем сделать это для других небесных тел. Именно поэтому Земля — наш стартовый шаблон.
Вот один из таких признаков: одновременное присутствие кислорода и метана. Эти газы химически нестабильны — они быстро реагируют друг с другом, образуя углекислый газ и воду. Если они существуют вместе, значит, что-то должно их постоянно воспроизводить. Метан может выделяться вулканами. А вот кислород… Если его происхождение не связано с распадом воды или углекислого газа — для чего требуется огромное количество энергии и специфические условия — тогда у нас не остаётся другого объяснения, кроме как биологическое происхождение. Именно в совокупности с метаном кислород становится сильным аргументом в пользу существования жизни. Для планеты, похожей на нашу, это работает.
Но что если геохимия совершенно иная? Вот этим мы сейчас и занимаемся. Мы моделируем разные сценарии: что, если у планеты другой тип пород, другие минералы, более мощная вулканическая активность или бóльшая масса? Какие атмосферные условия могли бы возникнуть? Какие сочетания газов могли бы быть объяснены только существованием биосферы, а какие — чисто геологией?
Это уже область теоретической астробиологии. Мы создаём физико-химические модели планет, меняем параметры: больше серы, меньше воды, меньше вулканов, и смотрим, где начинается граница, за которой невозможно объяснить наблюдаемую атмосферу ничем, кроме жизни.
Именно эти исследования помогают нам выработать критерии, по которым в будущем мы сможем сказать: «Да, на этой планете, скорее всего, есть биосфера».
Да, сейчас мы оперируем именно с комбинациями кислорода и метана — или озона и метана. Всё зависит от того, на какие длины волн мы смотрим, потому что спектральные особенности зависят от диапазона. Эти биосигнатуры до сих пор хорошо работают, но всё решает контекст. Нужно знать, сколько углекислого газа присутствует, чтобы понять, сколько кислорода можно получить иными способами. Нужно знать, сколько воды испаряется: если планета очень горячая и покрыта паром, это тоже может привести к накоплению кислорода.
Именно спектральный анализ позволяет это понять. Мы смотрим на свет, на спектр и на так называемые линии поглощения, и по ним определяем: сколько воды, сколько углекислого газа в атмосфере. Только так можно правильно интерпретировать данные и сказать, действительно ли мы нашли признаки жизни.
Левин: А теперь представим, что вы — цивилизация где-то в этом регионе Галактики. Мы наблюдаем их такими, какими они были тысячу лет назад, они видят нас такими же. Что можно было бы сказать о земной атмосфере тысячу лет назад? Увидели бы они признаки жизни? Ведь это было доиндустриальное время — ни фабрик, ни загрязнения.
Кальтенеггер: Именно это и делает вопрос таким интересным: рассматривать Землю в контексте времени. Если заглянуть на тысячу или пять тысяч лет назад — технологий не было, промышленности тоже. Да, цивилизация уже начала расцветать, но она была локальной, не планетарной.
Однако биосфера — то есть кислород в атмосфере в сочетании с метаном — существовала уже задолго до нас с вами. Эта комбинация газов устойчиво присутствует в атмосфере Земли уже около двух миллиардов лет. И её наличие — надёжный показатель жизни. Да, она не расскажет вам, какая именно это жизнь. Но если бы у нас были дополнительные признаки — например, техногенные газы — можно было бы сказать больше. Хотя для этого нужно ещё больше света, больше времени наблюдений и ещё более мощный телескоп.
Поэтому сейчас разрабатывается новая миссия — Habitable World Observatory. Это будет следующий шаг после телескопа James Webb. В отличие от JWST, который решает множество задач (от изучения чёрных дыр до самых первых галактик), этот телескоп будет специально предназначен для поиска жизни в атмосферах каменистых планет. Это будет важнейший следующий этап.
Левин: А как насчёт того, чтобы представить, какими могли бы быть другие формы жизни? Ведь вы описываете звёздные системы, где звёзды совсем не похожи на наше Солнце. Они могут испускать свет в других диапазонах. Это могут быть и мёртвые звёзды, и очень горячие голубые звёзды. Возможно, формы жизни там вообще выходят за пределы нашего воображения?
Кальтенеггер: Да, именно так я и подумала, когда была в Йеллоустоуне. Я увидела потрясающие цвета — и вдруг осознала, что всё это разные формы жизни на нашей собственной планете, о которых я раньше даже не задумывалась. Я думала только о людях, о зелёных растениях… Поэтому в нашем Институте Карла Сагана мы создали проект Color Catalog of Life. Мы собираем формы жизни из всех уголков Земли, выращиваем их и смотрим, как они выглядели бы через телескоп — чтобы не ограничиваться только поиском «зелёного». Если искать только зелёные растения, можно пропустить множество других форм жизни — даже у нас на планете.
А что может быть на других мирах? Вы правы: от излучения звезды зависит, какую энергию получают её планеты. Цвет звезды указывает на то, какую энергию несёт каждый фотон. Но даже на Земле есть организмы, которые способны существовать в условиях красного света. Обычно это организмы, обитающие в слоистых микробных сообществах — жёлтый свет до них не доходит, а красный проходит. То есть даже на Земле есть существа, адаптированные к другим спектрам.
А до чего они могли бы эволюционировать на другой планете — это уже захватывающий вопрос. Могут ли они превратиться в нечто, похожее на динозавров? Или на людей? Или в нечто, что вообще не вписывается в нашу картину мира?
Представить, как именно будет выглядеть жизнь на другой планете — это гораздо более сложный шаг. Ведь условия будут другими, свет — другим, эволюция — другой. И именно в этом контексте важно, что комбинации вроде кислорода с метаном или озона с метаном — если речь идёт об углеродной жизни — могут быть универсальными.
Вот над чем мы сейчас думаем. Как выглядит эта жизнь — мы не узнаем. Мы даже не сможем сказать, наблюдаем ли мы одноклеточную форму жизни… или огромного инопланетного космического динозавра. Но сочетание газов в атмосфере подскажет нам: что-то живое там есть.
Левин: Здесь, на Земле, мы знаем, что жизнь начинается с очень простых форм — и это кажется логичным: одноклеточные организмы. Эта форма сохранялась очень долго, прежде чем биологическим системам удалось «энергетически прорваться» к многоклеточности. А затем начался долгий и удивительный процесс эволюции, в ходе которого возникло всё разнообразие жизни, что мы видим сегодня. Естественный отбор, давление окружающей среды, выживание наиболее приспособленных… Мы предполагаем, что в остальной Вселенной всё устроено так же?
Кальтенеггер: Пока что мы действительно исходим из этого. Когда в атмосфере появляется кислород, он даёт организму больше энергии. И с этого момента, как мы считаем, начинается переход от одноклеточных к многоклеточным формам. А с ростом концентрации кислорода становятся возможными всё более крупные организмы.
Сработает ли эта схема на других планетах? Логично предположить, что да, но у нас пока нет других примеров. Мы наблюдаем, что происходит, держим глаза открытыми. Биологи соглашаются: это разумный подход. Но есть одно предостережение — вся наша модель основана на единственном примере — на Земле.
Левин: А если говорить о всей истории Земли, то в какой момент биосигнатуры в атмосфере были бы наиболее заметны для гипотетического внеземного наблюдателя?
Кальтенеггер: Первый ответ, который напрашивается, — сейчас. Но на самом деле, как показывают геологические данные, наибольшее содержание кислорода в атмосфере было во времена динозавров. И выходит, что Юрский период — это, возможно, был тот момент, когда Земля «светилась» на фоне космоса особенно ярко. То есть обнаружить «мир юрского периода» при помощи кислородно-метановой биосигнатуры было бы даже проще, чем обнаружить нас сегодня.
Левин: Нам кажется, что атмосфера полна признаков жизни — особенно в эпоху климатического кризиса, когда мы активно влияем на планету. Но в масштабах истории Земли мы — всего лишь мимолётная вспышка. Сложно представить, что инопланетная цивилизация могла бы нас заметить именно в этот момент.
Кальтенеггер: Пока что — да, мы всего лишь краткий эпизод. Но я надеюсь, что он сможет продлиться дольше. Для этого нам нужно научиться защищать свою планету и смягчать последствия климатических изменений. Мы уже поняли, что разрушаем окружающую среду, — теперь наша задача спасти самих себя.
Вы правильно подметили: интересно не только то, как мы развивались до сих пор, но и то, как будем эволюционировать дальше. Мы знаем, что происходило раньше — но не знаем, что ждёт впереди. Здесь уже можно подключать научную фантастику: будем ли мы превращаться в машины? Сможем ли загружать сознание в цифровую среду? Будем ли мы по-прежнему обладать телом, нуждаться в пище, воде?
Каждый из этих путей приведёт к совершенно разным биосигнатурам, которые теоретически можно было бы искать. Но поскольку все эти сценарии — гипотетические, параметрическое пространство становится практически безграничным.
А когда ты проектируешь космическую миссию, чья цель — найти жизнь, единственный разумный подход — опираться на то, что мы уже знаем. На те формы жизни, которые уже существовали на Земле, — потому что только по ним у нас есть данные и мы знаем, как интерпретировать сигналы. А дальше — просто не закрывать глаза. Изучать в том числе и странные, необычные сигналы. Это могут быть как непонятные геохимические процессы, так и неожиданные формы жизни — возможно, даже такие, которые представляют собой наше собственное будущее, каким бы оно ни оказалось.
Левин: Мы ищем инопланетную жизнь — и это, конечно, было бы открытием века. Но возможно ли, что они тоже ищут нас? Можете ли вы объяснить слушателям, в чём ключевое различие между поиском разумной жизни во Вселенной и поиском биосигнатур в атмосферах экзопланет?
Кальтенеггер: Это действительно два совершенно разных подхода. Поиск внеземного разума — это целенаправленный поиск радиосигналов или других искусственных, технологических сигналов, которые могли бы быть направлены в нашу сторону. Но давайте посмотрим на историю Земли в масштабе 24-часовых суток. Нашей планете около 4,6 миллиарда лет. Жизнь появилась примерно в 5 часов утра. К полудню в атмосфере появляется комбинация кислорода и метана, о которой я говорила. Человечество же возникает буквально за одну секунду до полуночи, а радиосигналы — это и вовсе доля этой последней секунды.
Так что всё зависит от того, что именно вы хотите найти. Если вы хотите обнаружить другую цивилизацию, с которой можно установить контакт, то вы ищете в пределах этой микросекунды — в очень узком временном интервале.
Но если вы хотите просто выяснить, есть ли вообще жизнь во Вселенной, — тогда у вас гораздо больше шансов, если вы ориентируетесь на атмосферные биосигнатуры, вроде упомянутой комбинации газов.
Конечно, было бы потрясающе получить реальный сигнал, сообщение от иной цивилизации. Но возникает следующий вопрос: сумеем ли мы его распознать? Поймём ли мы, что это сообщение? Смогли бы они понять нас?
И если задуматься: если жизнь действительно повсеместна во Вселенной, то кто-то мог уже найти нас. Потому что с нашим уровнем технологий, если бы они наблюдали Землю последние два миллиарда лет, — они уже бы увидели, что на ней есть жизнь.
Иногда я задаюсь вопросом: в какой части Вселенной кто-то мог бы обнаружить нас так же, как мы ищем другие миры? То есть — у каких звёзд есть идеальный обзор, позволяющий видеть, как Земля проходит перед Солнцем? Потому что именно такие звёзды и такие миры могут наблюдать нас — так же, как мы сейчас наблюдаем их.
А потом возникает классический вопрос: «Где же все?» — и меня всегда забавляет то, как автоматически мы предполагаем, что если кто-то найдёт нас, то немедленно захочет с нами связаться.
Когда я обсуждаю это со студентами, я ставлю им такую задачу: «Представьте, у меня есть две планеты. На одной цивилизация на 5000 лет старше нашей, на другой — на 5000 лет младше. И у меня есть ресурсы только на то, чтобы посетить одну из них. Куда вы отправитесь?»
Практически все выбирают более развитую цивилизацию — потому что хотят узнать что-то новое.
Но если перевернуть вопрос: даже если бы кто-то нашёл нас — с какой стати им было бы интересно лететь к нам?
Земля — моя любимая планета, скажу это прямо. Но, возможно, с точки зрения более развитой цивилизации, мы ещё не доросли до «взрослого стола» в космической иерархии знаний.
Левин: Вы так увлечены своей работой. В подкасте «The Joy of Why» мы всегда спрашиваем: что в ваших исследованиях приносит вам радость?
Кальтенеггер: Когда я смотрю ночью на небо, на звёзды — и знаю, что вокруг них есть планеты. И знаю, что прямо сейчас где-то работает инструмент, который я помогла направить на эти звёзды — чтобы выяснить, одни мы или нет.
Сама эта мысль — что мы переписываем своё представление о месте человека во Вселенной, и я могу быть частью этого процесса — приносит мне настоящую радость.
Даже если совещание скучное, даже если завал с бумажной работой, даже если код упорно не компилируется — мы остаёмся исследователями, а путь исследователя никогда не бывает лёгким.
Левин: Потрясающе. Мы беседовали с астрономом Лизой Кальтенеггер о поиске экзопланет и её новой книге Alien Earths. Лиза, спасибо, что были с нами.
Кальтенеггер: Спасибо вам, это было здорово!