Текст книги "Все эти миры – ваши: Научные поиски внеземной жизни"

Мы все состоим из звездной пыли

Периодическая таблица Менделеева – настоящее произведение искусства. Это также наиболее удачная из когда-либо созданных научных схем{16}16
  Это также название очень хорошей книги, написанной Примо Леви.


[Закрыть]. Она описывает все известные науке химические элементы и демонстрирует с невероятной наглядностью, как свойства вещества зависят от структуры его атомов. Элементы периодической таблицы образуют последовательность: каждый элемент описывается своим атомным числом, которое равно количеству протонов в его ядре. В ядре атома водорода – один протон, у гелия – два (уравновешенные двумя нейтронами), у лития – три и т. д. Это позволяет нам ответить на некоторые основополагающие вопросы мироздания (настолько основополагающие, что вы никогда о них не задумывались): существуют ли химические элементы легче водорода? Может ли существовать неизвестный науке элемент между водородом и гелием? Ответ на оба эти вопроса отрицательный – нельзя составить ядро атома, взяв какую-то часть протона. В периодической таблице нет пробелов: нам известны все существующие в природе элементы от водорода до урана (92 протона). Мы даже знаем последовательность элементов тяжелее урана – так называемые трансурановые элементы. Это короткоживущие, радиоактивные, нестабильные элементы, которые были искусственно получены в ядерных лабораториях.

Откуда взялись все эти элементы? Случайность ли то, что на Земле оказался их полный набор? Давайте вернемся к самому началу: если начать отсчет в момент Большого взрыва, то к тому времени, как вы досчитаете до 200 или около того, наблюдаемая Вселенная будет размером примерно в один световой год в диаметре. Все, что мы считаем «нормальной материей» – протоны, нейтроны, электроны, – находится в состоянии плазмы при температуре несколько миллионов градусов. Только что закончилась фаза первичного нуклеосинтеза, в ходе которой в результате слияния ядер водорода образовывались ядра гелия. Может показаться, что это фаза была не слишком продуктивной: лишь около 25 % от общей массы рассеянного во Вселенной водорода превратилась в гелий. Далее незначительная{17}17
  Одна десятимиллионная.


[Закрыть] часть получившегося гелия трансформировалась в литий. На этом все и закончилось. За последующие 600 млн лет не было создано никаких новых химических элементов.

Разумеется, обидно сознавать, что за кратким периодом бурной деятельности последовал столь долгий перерыв, но для этого имелись веские причины. Ядерный синтез возможен лишь в условиях огромных температур и плотностей{18}18
  Строго говоря, для того, чтобы два ядра слились в одно, нужна лишь высокая температура. Но без высокой плотности таких ядер будет очень мало.


[Закрыть]. Такие условия существовали лишь в течение нескольких минут на раннем этапе существования Вселенной. В следующий раз они сложатся только после того, как возникнут первые звезды, и в условиях сверхвысоких температур и плотностей в недрах этих звезд вновь запылает огонь термоядерного синтеза.

Звезды – это настоящие ядерные скороварки, где элементы сливаются в термоядерном пламени, производя все более и более тяжелые атомные ядра вплоть до железа (содержащего 26 протонов). Вследствие некоторых особенностей физики элементарных частиц синтез атомных ядер легче железа в условиях высокой температуры и давления приводит к выделению небольшого количества дополнительной энергии. Эта энергия позволяет плазме оставаться горячей и тем самым поддерживает реакцию термоядерного синтеза. Но у атомных ядер тяжелее железа каждое слияние требует дополнительной энергии: в результате температура звезды снижается и ядерное буйство со временем затухает. Вследствие этого звезды, особенно массивные, способны производить элементы с атомным числом меньше железа, и не более того.

Это примерно третья часть всех элементов периодической таблицы. Откуда же взялись все остальные? В конце жизненного цикла звезд, когда огромное давление их внешних оболочек больше не способно поддерживать реакцию термоядерного синтеза в центре звезды, может произойти катаклизм. Звезды с низкой массой – одного порядка с массой Солнца – кончают свой жизненный цикл как белые карлики – тлеющие звездные «угли», которые когда-то были горячим ядром звезды. Термоядерное пламя гаснет, «зола» медленно (очень медленно) остывает и перестает излучать свет.

Совершенно другая судьба ожидает звезды большей массы. В белом карлике силам гравитационного сжатия противостоит принцип запрета Паули, согласно которому количество электронов, которое может находиться в определенном пространственном объеме внутри погасшей звезды, строго ограничено. Это свойство материи называют давлением вырожденного электронного газа. В более массивных звездах эта сила не может противостоять огромному гравитационному давлению. В таком случае коллапс останавливается на стадии нейтронной звезды диаметром всего несколько километров, поддерживаемой в равновесном состоянии давлением уже не электронного, а вырожденного нейтронного газа{19}19
  Если масса звезды выше, то даже давления вырожденного нейтронного газа будет недостаточно. После определенного предела формируется черная дыра.


[Закрыть]. Для сравнения можно указать, что радиус Солнца равен 700 000 км, что примерно в 100 000 раз больше радиуса нейтронной звезды. Когда внешние слои умирающей звезды сжимаются под влиянием гравитации, возникающая гигантская температура и плотность материи дают энергию для последнего, всепоглощающего взрыва. В его пламени происходят реакции синтеза ядер тяжелых элементов вплоть до урана (а возможно, и больших), которые затем выбрасываются энергией взрыва в окружающий космос. Итак, вы только что наблюдали вспышку сверхновой!

Хоть в это трудно поверить, но сверхновые играют фундаментальную роль в истории зарождения жизни во Вселенной: они завершают ядерный синтез элементов периодической таблицы, а также служат механизмом их доставки, выбрасывая в окружающий космос богатое разнообразие новых элементов. Все атомы тяжелее водорода и гелия, которые необходимы для важнейших жизненных процессов (будь то атом железа в гемоглобине у нас в крови или атом магния в центре молекулы хлорофилла), ведут свою историю от термоядерной реакции в недрах звезд или от взрыва сверхновой.

Наше место в космосе

Итак, мы выяснили, что возраст нашей Вселенной составляет 13,8 млрд лет. Она очень велика в объеме и даже, возможно, бесконечна. Множество химических элементов, возникших внутри звезд или при взрывах сверхновых, было распределено по всему космосу. Теперь я бы хотел затронуть вопрос, как наша Земля и Солнце с его Солнечной системой вписываются в этот обширный космический ландшафт. Как они возникли и было ли это редкой удачей или самым заурядным событием?

Мы остановились в истории расширяющейся Вселенной вскоре после образования первых звезд и сверхновых, через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Словно бы в ответ на расширение Вселенной, вещество начало сжиматься под воздействием гравитации. Газовые облака коллапсировали и сталкивались, и таким образом начали формироваться ранние предшественники будущих галактик. Освещаемые изнутри первыми звездами, галактики постепенно превратились в огромные скопления огней, которые мы наблюдаем сегодня. Расстояния между галактиками колоссальны, и лишь в исключительно редких случаях они сталкиваются, происходят гигантские космические «крушения поездов». Большую часть своей истории галактики изолированы и замкнуты. Внутри каждого такого звездного скопления из облаков газа и пыли зарождаются новые поколения звезд, каждая из которых проходит стадию термоядерного синтеза, и каждая ядерная реакция заполняет новую ячейку в персональной периодической таблице этой звезды. Наиболее массивные звезды взрываются, обогащая галактику тяжелыми элементами, которые медленно аккумулируются в следующих поколениях звезд.

Наше Солнце зародилось уже после того, как сменилось несколько поколений звезд, но даже тогда тяжелые элементы{20}20
  Тяжелее гелия.


[Закрыть] составляли не более 2 % от общей массы газового облака, из которого сформировалось наше светило. Вы можете спросить, почему так мало? Почему не 10 %, не 50 % или даже больше? Ответ состоит в том, что большая часть вещества, из которого состоят звезды, не принимает участия в реакции термоядерного синтеза. Роль внешних оболочек звезды, находящихся за пределами ядра, заключается в создании гравитационного давления. Это давление приводит к тому, что температура и плотность внутри ядра непрерывно растут, пока не достигнут величины, достаточной для начала термоядерного синтеза. Со временем, когда в ядре закончится запас легких элементов, служащих топливом для поддержания термоядерной реакции, звезда может либо превратиться в белый карлик, либо вспыхнуть сверхновой. В последнем случае взрыв выбрасывает в окружающее пространство почти весь верхний слой звезды.

Наше Солнце и его планетная система начинали свою жизнь как медленно клубящееся газопылевое облако. По мере того как облако остывало, его материя начинала сжиматься под воздействием гравитации, в нем возникло ускоряющееся вращение вокруг центра, и со временем оно приняло форму уплощенного диска. Большая часть вещества постепенно сосредотачивалась в центре, где в конечном итоге под воздействием высокой плотности и температуры началась реакция термоядерного синтеза. Так зародилось наше Солнце. Солнечное излучение подняло температуру в прилегающих к нему слоях газопылевого диска, и все легкоплавкие летучие вещества просто испарились в пространство. Оставшиеся тяжелые элементы постепенно стали слипаться в микроскопические крупинки. Достаточно большие агрегаты уже могли притягивать мелкие крупинки силой гравитации, а также поглощать другие агрегаты, беспорядочно сталкиваясь с ними, как автомобильчики в парке аттракционов.

Победители этого раунда превратились в планеты, какими мы их знаем сегодня: каждая планета поглощала на своем орбитальном пути вещество, словно прожорливый космический хищник. Внешние планеты, которым посчастливилось достичь больших размеров, захватив огромные количества замерзших газов в холодной части Солнечной системы, превратились в газовые гиганты, такие как Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. Во внутренней Солнечной системе легкоплавкие летучие вещества просто испаряются в пространство под воздействием солнечного тепла, поэтому ближние планеты – Меркурий, Венера, Земля и Марс – состоят из относительно плотных веществ. Остальное – просто космические обломки: пояс астероидов между Марсом и Юпитером и пояс Койпера за орбитой Нептуна{21}21
  Да, и Плутон среди них.


[Закрыть].

Можно ли утверждать, что история Солнечной системы уникальна? В том, что касается деталей, – да, данное конкретное расположение планет, вероятно, уникально для нашей планетной системы. В том, что касается общих признаков, – нет, вокруг многих молодых звезд можно наблюдать вращающиеся газопылевые облака. Многие из них имеют форму диска, а на некоторых можно даже заметить широкие орбитальные кольца, которые, по-видимому, представляют собой участки роста планет. Согласно современной точке зрения, планеты формируются вместе со своими молодыми звездами из газовых облаков, обогащенных тяжелыми элементами. Астрономы обобщенно называют эти тяжелые элементы металлами. Твердые планеты и ядра газовых гигантов состоят из этих металлов. Подобно строительным материалам, металлы могут стать основой как большего количества, так и большего разнообразия планет. Мы пока этого просто не знаем. Но мы можем предположить, что, поскольку металлы – это материал для создания планет, чем больше их будет, тем лучше. Но на этом наши познания о процессах образования планет практически заканчиваются.

Могла ли Земля возникнуть в более ранний период истории Вселенной? С каждым последующим поколением звезд насыщенность межзвездного газа металлами все больше увеличивается, но мы пока не знаем, существуют ли определенные пороговые значения содержания металлов, необходимые для образования планет. Если исходить из общих соображений, то на более ранних этапах существования Вселенной, когда металлов было мало, собрать в одном месте материал для создания планеты было довольно затруднительно. Но образовавшиеся массивные звезды должны были относительно быстро взорваться и осыпать прилегающие к ним участки космоса дождем тяжелых элементов. Так что на сегодняшний день мы можем только сказать, что с определенной долей вероятности на более ранних этапах существования Вселенной создание планетных систем было затруднено. Однако, учитывая отвратительную привычку ученых избегать категоричных утверждений, мы и это не можем утверждать наверняка. Но в одном мы можем быть твердо уверены: пока будут существовать звезды, будет происходить обогащение Вселенной химическими элементами. Хоть это пока и не органические соединения, но кирпичики для их создания встречаются в галактике Млечный Путь в больших количествах, равно как и в любой другой галактике существующей на данный момент Вселенной.

За пределами Млечного Пути

Расстояние до ближайшей звездной системы – Альфы Центавра – 4,3 световых года. Расстояние до центра Млечного Пути – 26 000 световых лет. Ближайшая к нам галактика – Туманность Андромеды, и она удалена от Земли на расстояние 2,5 млн световых лет. Если вы выйдете вечером из дома и найдете на ночном небе туманность Андромеды, которая с Земли кажется маленьким тусклым пятнышком, свет, который вы видите, шел до вас 2,5 млн лет. Он покинул туманность Андромеды, когда первые предки людей осваивали каменные орудия. Туманность Андромеды вместе с Млечным Путем и еще несколькими другими галактиками входит в так называемую местную группу. Расстояние до других галактик, не входящих в это объединение, составляет порядка 15 млн световых лет.

Расстояния между галактиками непостижимо огромны. Даже если когда-нибудь мы сможем отправить наши первые космические зонды к соседним звездам, идея путешествия к соседним галактикам будет оставаться чем-то из области научной фантастики. Кроме того, все наши попытки обнаружения планет, о которых пойдет речь в следующих главах, будь то спектроскопический метод Доплера или визуальные наблюдения повторяющихся транзитов, на таких огромных расстояниях бессмысленны. Мы узнаем о поисках внеземного разума (SETI) и попытках пообщаться с обитателями далеких звезд. Но, даже если говорить о том времени, за которое свет достигает других звезд нашей Галактики, 15 млн лет – это слишком уж долго, чтобы ждать, пока на другом конце снимут трубку.

Если мы сравним нашу Солнечную систему с улицей, на которой мы живем, расположенной в «городе» Млечный Путь, то наши поиски жизни во Вселенной ограничиваются лишь отправками зондов по дороге перед нашим домом и наблюдениями за тем, что происходит в близлежащих звездных кварталах. Другие галактики, на самом деле, очень, очень далеко.

В бесконечность и далее

Надеюсь, теперь вы осознали правоту того замечания, которое я сделал в начале первой главы: в бесконечной Вселенной все, включая жизнь, не только возможно, но и неизбежно. Каждая галактика содержит сотни миллиардов звезд. Каждая из них может обладать своей планетной системой. Всего в наблюдаемой Вселенной могут обитать сотни миллиардов галактик. В результате мы имеем приблизительно 1022 планет. Но если допустить возможность существования за пределами космологического горизонта бесконечной Вселенной, то тогда количество мест, где возможно существование жизни, становится не просто громадным, а, строго говоря, неисчислимым. Но не будем забывать, что такая числовая гимнастика никак не приближает нас к возможным примерам внеземной жизни. Нам надо с чего-то начинать. Так давайте же начнем с нашей Солнечной системы.

3 Что такое жизнь?

Что такое внеземная жизнь? А что такое жизнь земная? На сегодняшний момент эти два вопроса неразрывно связаны. Единственная жизнь, которую мы знаем, – жизнь на Земле. Это определяет все наши познания о жизни – по крайней мере те, которые можно проверить опытным путем. Единственный возможный способ глубже проникнуть в природу жизни – это либо самим создать жизнь в лаборатории, либо обнаружить ее за пределами Земли. Однако в одном мы можем быть уверены наверняка: возникновение и эволюция жизни на нашей планете неразрывно связаны с образованием и эволюцией самой Земли. С самых ранних пор ее существования изменения физических условий на нашей планете влияли на характер жизни и наоборот.

В этой главе нам предстоит разобраться со следующими вопросами: можем ли мы выработать определение жизни? Каковы были условия, приведшие к зарождению жизни на Земле? Какую информацию мы можем получить, исследуя ископаемые останки и проводя геохимический анализ древних пород? И наконец, как развитие жизни повлияло на физические условия Земли и как наша планета поддерживает и регулирует существующую на ней жизнь?

Но в более широком аспекте, как астробиологи, мы должны спросить себя, насколько это все применимо к нашим поискам жизни за пределами Земли. Какие должны быть при этом основополагающие принципы? Какие научные прозрения дадут нам возможность целенаправленного поиска? Было ли возникновение жизни закономерным следствием физических условий, сложившихся на раннем этапе существования Земли? И если это так, то имеет ли смысл ожидать, что жизнь возникнет на всех планетах, обладающих аналогичными природными свойствами, как то: умеренной атмосферой, твердой поверхностью и наличием впадин, заполненных жидкостями с богатым содержанием органических веществ? В случае если жизнь зародилась, какие свойства планеты определяют, сохранится она или нет? Какие планеты предоставляют жизни лишь кратковременное пристанище, а какие могут предложить стабильные условия?

Время на размышление

Если бы я попросил вас взглянуть в зеркало, а потом описать себя, с чего бы вы начали свой ответ? Стали бы вы утверждать, что являетесь живым существом и обладаете целым рядом свойств и признаков, характерных для всех обитающих на Земле живых организмов? Взгляните на себя с этой точки зрения: ваше тело имеет клеточное строение, вы продукт длительного эволюционного развития и воспроизводства, вы росли и изменялись в течение всей своей жизни. К тому же вы ежедневно осуществляете достаточно гибкий обмен веществ, преобразуя топливо в энергию, которая приводит ваше тело в движение, в то время как основные системы вашего организма функционируют в рамках строго определенных параметров. Допускаю, что этот портрет не отразил какие-то ваши индивидуальные особенности, но, если вы попробуете описать жизнь в наиболее обобщенном виде, вам, скорее всего, придется ограничиться схожим описанием.

Такой многословный ответ на простой на первый взгляд вопрос «Что такое жизнь?» – отражение того факта, что жизнь – это явление, а не просто физическая величина. Я могу описать себя как некое существо с определенным ростом и весом. Однако я не могу сказать, что во мне, например, 1,73 единицы жизни. С другой стороны, я мог бы сказать, что состою приблизительно из 10 трлн клеток, хотя различные живые существа обладают клетками разного уровня сложности и функционирования. Думаю, что вы уже поняли, к чему я клоню: жизнь – это целая последовательность связанных явлений, не поддающаяся простому измерению.

Все это, конечно, дает вам полное право чувствовать себя достойной частью космоса, но приближает ли это нас к главной цели астробиологии – подтверждению наличия жизни? Вы можете возразить, что изложенные выше идеи очень полезны. Если у нас есть образец, который обладает упорядоченной структурой, демонстрирует химические признаки энергетического цикла, а также содержит механизм, который не только кодирует химический состав органических веществ, но и позволяет им самовоспроизводиться, то в таком случае многие ученые согласятся, что наша находка имеет так много общих черт с земной жизнью, что и ее саму можно смело признать жизнью{22}22
  Удивительно, что в 1948 г. математик и создатель первых ЭВМ Джон фон Нейман использовал очень похожее определение жизни (в данном случае искусственной) во время одной из лекций, посвященных общей теории автоматов. Его идеи предвосхитили наши сегодняшние представления о молекулярной генетике.


[Закрыть].

К этой теме мы еще вернемся в последующих главах, когда перенесемся на другие планеты Солнечной системы и обсудим, какие научные эксперименты необходимо осуществить, чтобы однозначно ответить на все вопросы, связанные с поисками жизни.

Этот остров Земля

Нашу планету можно сравнить с самым лучшим космическим кораблем: она несет на борту огромные запасы сырья, ее системы жизнеобеспечения преобразуют солнечную энергию в разнообразное топливо, она защищает нас от враждебного космоса. Жизнь существует на Земле почти 4 млрд лет, и стабильность условий на ее поверхности в течение всего этого периода играла критически важную роль в поддержании непрерывного процесса эволюции. Имеет смысл поговорить о том, как физические условия на нашей планете – ее геология – обеспечивали нам благоприятную среду обитания и защищали от негативных воздействий.

Земная атмосфера появилась и даже сегодня пополняется благодаря вулканическому газообразованию. Химический состав атмосферы обеспечивает незначительный парниковый эффект – теплоизоляционное покрытие, которое улавливает солнечную радиацию, – и нагревает поверхность{23}23
  В основном благодаря наличию углекислого газа, метана и водяного пара в небольших, но значимых количествах.


[Закрыть]. Помимо тепла наша атмосфера создает давление, которое позволяет воде существовать в жидком состоянии на всей поверхности планеты. Чтобы представить, какие условия существовали бы на Земле в отсутствие атмосферы, достаточно посмотреть на Луну. Уберите тепло – и вода замерзнет, понизьте давление – она закипит. В любом случае наличие атмосферы – ключевое условие существования жизни на поверхности Земли.

Атмосферу защищает от космоса (в частности, от исходящего от Солнца потока заряженных частиц, которые образуют солнечный ветер) магнитное поле Земли. Отражаемый магнитным полем, солнечный ветер обтекает нашу планету, проникая только в самые верхние слои атмосферы у полюсов, где заряженные частицы вызывают полярные сияния. Без защиты магнитного поля наша атмосфера постоянно подвергалась бы ионизации, выветриванию и испарению под воздействием энергии солнечного ветра и в конечном итоге просто улетучилась бы в космическое пространство.

Прослушивая эхо землетрясений в теле нашей планеты, мы можем выявить источник магнитного поля Земли. Согласно данным сейсмологов, земное ядро состоит из жидкого внешнего слоя с высоким содержанием железа и никеля и твердого внутреннего ядра. Горячее внешнее ядро подобно огромному бьющемуся сердцу, в котором циркулируют гигантские конвекционные потоки расплавленных металлов. Эти потоки вызывают перенос электронов в ядре нашей планеты – в буквальном смысле электрический ток. Ко всему прочему, наша планета вращается, порождая вокруг циркулирующих в ее сердцевине электрических токов обширное магнитное поле. Комбинация жидкого металлического ядра и вращения Земли приводит в действие генератор планетарного масштаба и создает наше магнитное поле. Оба эти фактора имеют принципиальное значение: если бы частота вращения была меньше (как на Венере) или ядро было холодным и твердым (как на Марсе), результирующее магнитное поле было бы значительно слабее.

Все это приводится в движение геологическими процессами, происходящими в расплавленных недрах Земли. Как ни удивительно это осознавать, но твердая порода, которая служит основанием для жизни на нашей планете, лишь тоненькая корочка, плавающая на поверхности кипящего шара из расплавленной магмы и металла. Пламя, пылающее в глубине Земли, все еще не остывший жар множества яростных столкновений, которые создали нашу планету 4,5 млрд лет назад{24}24
  Плюс небольшое количество тепла, выделяемого при распаде радиоактивных элементов внутри Земли.


[Закрыть]. Подобно гигантскому тепловому двигателю, горячее ядро Земли приводит в движение геологические процессы, которые поддерживают «космический корабль» под названием Земля в рабочем состоянии.

Поскольку мы как начинающие астробиологи стараемся придерживаться непредвзятой точки зрения, я не буду утверждать, что геологическая активность на планете имеет решающее значение для возможности существования жизни за пределами Земли. Описанные выше взаимоотношения между геологическими процессами и жизнью не означают, что мы должны в наших поисках жизни ограничиться исключительно планетами, на которых присутствует геологическая активность. Но они помогают нам понять – в очень широком смысле, – как геология Земли создает и поддерживает условия, при которых жизнь развилась и продолжает существовать. Представим, что мы открыли за пределами Солнечной системы планеты и спутники, на которых протекают сходные с земными геологические процессы. Теперь мы можем порассуждать, каким образом они могут привести к возникновению или поддержанию жизни. Но, как обычно, мы не исключаем, что однажды наткнемся на новые миры, где оазисы жизни существуют в геологической пустыне, лишенной какой-либо активности.