Инопланетяне, SETI и наследие Фрэнка Дрейка: 1930-2022 гг

Памяти Фрэнка Дрейка, который превратил поиск инопланетной жизни и внеземного разума в полноценную научную деятельность.

На протяжении всей истории человечества, каждый раз, когда мы смотрели вверх, на сверкающий полог ночного неба с планетами, звездами, Млечным Путем и многими другими странными огнями, мы не переставали задаваться вопросом, что же там может быть. Есть ли в этой огромной Вселенной, которую мы населяем, другие звезды, подобные Солнцу, другие миры, подобные Земле, и другие живые, разумные существа, возможно, не сильно отличающиеся от людей? По мере развития астрономии и астрофизики как наук на протяжении веков и тысячелетий, наши знания о том, что же там находится, значительно расширились. Но наша надежда на возможность существования жизни за пределами Земли никогда не ослабевала.

В 1950 году знаменитый физик Энрико Ферми вслух задался вопросом: “Но где же все?”. В 2022 году этот вопрос, известный сегодня как “парадокс Ферми”, до сих пор стоит перед нашим коллективным разумом, не имея окончательного ответа. Но менее чем через десять лет после того, как Ферми задал свой вопрос, ученый Фрэнк Дрейк решил превратить этот вопрос из философского в научный. Он стал первым человеком, который начал искать сигналы технологически развитой инопланетной жизни, стал пионером поиска внеземного разума (SETI), разработал первое сообщение, которое должно было быть передано от человечества инопланетянам, которые могли бы его услышать, и предложил первый метод предполагаемой оценки количества разумных инопланетных цивилизаций, которые могут находиться где-то там прямо сейчас: уравнение Дрейка.

2 сентября 2022 года Фрэнк Дрейк умер в возрасте 92 лет, после славной карьеры, которая произвела революцию в его области, но человечеству еще предстоит сделать первое открытие жизни за пределами Земли. Его наследие останется с нами на многие поколения вперед, и нам всем будет за что его поблагодарить, когда мы впервые обнаружим внеземную жизнь – или даже внеземной разум.

дрейк
Это изображение очень большого массива на юго-западе Соединенных Штатов подчеркивает важность таких массивов радиотарелок для измерения многих различных свойств нашей Вселенной, включая поиск потенциальных внеземных сигналов, созданных разумными существами.

Дрейк был первым, кто осознал возможности радиоастрономии для межзвездной связи между разумными цивилизациями. Из всех известных нам сигналов, которые распространяются во Вселенной, ни один не распространяется быстрее, чем фотоны – безмассовые частицы, составляющие все формы света во Вселенной. Путешествуя со скоростью света в вакууме – а межзвездное/межгалактическое пространство является лучшим вакуумом в известной Вселенной – единственными средствами связи, которые сравнительно быстры, являются гравитационные волны и космические нейтрино: и те, и другие гораздо труднее обнаружить.

Свет имеет множество различных длин волн, а не только видимый свет, к которому приспособлены наши глаза. Существуют более короткие длины волн: ультрафиолетовые, рентгеновские и гамма-лучи, все они обладают большим количеством энергии на один фотон, чем видимый свет. Более длинные волны – это инфракрасные, микроволновые и радиоволны, причем большая длина волны соответствует меньшей энергии на один фотон. В случае радиоволн можно создать более миллиона фотонов в этом диапазоне частот за то же количество энергии, которое было бы затрачено на создание одного фотона видимого света. В радиосигналах можно закодировать огромное количество информации, затратив очень мало энергии по сравнению со всеми другими вариантами.

дрейк
Шкалы размера, длины волны и температуры/энергии, соответствующие различным частям электромагнитного спектра. Вы должны перейти к более высоким энергиям и более коротким длинам волн, чтобы исследовать мельчайшие масштабы. В самых больших масштабах длин волн для кодирования большого количества информации требуется лишь очень небольшое количество энергии. Целых квадриллион (10 ^ 15) радиофотонов может быть создано с тем же количеством энергии, которое потребуется для создания только одного фотона гамма-излучения.

Хотя естественные радиосигналы распространены во Вселенной, Дрейк понял, что технологически развитая инопланетная цивилизация может намеренно создать недвусмысленный сигнал, который будет означать: “Мы здесь, и это искусственный сигнал”. Такие вещи, как математически распознаваемые импульсные модели, видео- или аудиосигналы и другие виды закодированной информации, могут быть извлечены из любого принятого радиосигнала, ограничены только воображением и технологическим развитием инопланетного вида, который решит сделать такую передачу.

Дрейк стал первым, кто рекомендовал и провел систематическое обследование интересующих его объектов в небе в поисках таких разумных инопланетных сигналов. Хотя со временем появилось множество кандидатов, но не осталось ни одного, который нельзя было бы объяснить с помощью естественных астрофизических процессов. Сегодня такие инициативы, как поиск внеземного разума (SETI), продолжают наследие Дрейка, изучая полный набор радиоданных из галактики Млечный Путь и за ее пределами в поисках любых сигналов, которые могут быть созданы искусственно.

дрейк
Перед своим разрушением в 2020 году телескоп Аресибо был первым, кто увидел несколько быстрых радиовсплесков от одного и того же источника. Хотя они не являются сигналом разумного инопланетного происхождения, телескоп использовался для определения многих условий поиска существования передающих инопланетных цивилизаций, а также для передачи сообщений от человечества во Вселенную.

Дрейк также допускал возможность того, что после тысяч или миллионов лет, или даже более длительных периодов времени, в течение которых они объявляли о своем присутствии во Вселенной, разумные инопланетяне в пределах Млечного Пути просто отказались от мысли, что там кто-то есть кроме них. Возможно даже, что наша земная цивилизация здесь, на Земле, была самым развитым видом на данный момент. Если это так, понял он, то именно мы должны первыми объявить о своем присутствии другим: предпринять усилия, известные как “активный SETI” или METI: “передача сообщений внеземному разуму”.

Дрейк понял, что для создания сообщения, которое может быть принято цивилизацией, находящейся на просторах межзвездного пространства, потребуется невероятное количество энергии – по крайней мере, относительно той, которая обычно используется для радиопередач на Земле. Когда строительство телескопа Аресибо в Пуэрто-Рико было завершено, Дрейк создал то, что сейчас известно как “сообщение Аресибо”: простой сигнал, содержащий всего пару сотен байт информации, но безошибочно имеющий разумную природу. Наполненный информацией о том, кто мы и где мы находимся, а также математическим “кодом инструкций” для понимания этого сообщения, это был первый случай, когда мы когда-либо сознательно передавали сообщение, предназначенное для разумного внеземного наблюдателя.

дрейк
Даже если сообщение было декодировано неправильно, как показано здесь, сигнал отправленный Аресибо в этом формате выглядит достаточно организованным, чтобы разумный внеземной получатель этого сообщения мог сделать вывод, что это не природный сигнал.

Но, пожалуй, самый долговечный вклад Дрейка в науку был сделан с помощью уравнения, которое теперь носит его имя: уравнение Дрейка. Вопрос Ферми “Но где же все?” подразумевает три предположения.

  1. Что инопланетян на Земле нет и никогда не было.
  2. Если разумная жизнь распространена по всей галактике, то это лишь вопрос времени, когда одна цивилизация технологически продвинется до такой степени, что исследует всю галактику и к этому моменту должна будет вступить с нами в контакт.
  3. Если мы до сих пор слышим только тишину в ответ, то значит что-то не так в нашей линии мышления и выводах, которые мы делаем.

Где же изъян в этом аргументе? Может быть, разумная жизнь – чрезвычайно редкое явление? Может быть, жизнь разумна, но проблемы межзвездных исследований просто слишком велики – независимо от технологии – с учетом ограничений, налагаемых законами физики? Неужели люди просто слишком примитивны, слишком неинтересны или слишком несовершенны, чтобы кто-то захотел вступить с нами в контакт? Как до, так и после Дрейка, подобные идеи выдвигались в качестве возможных решений парадокса Ферми.

дрейк
Уравнение Дрейка — это один из способов оценить количество космических, технологически продвинутых цивилизаций в галактике или Вселенной сегодня. Однако он основан на ряде предположений, которые не обязательно являются очень правильными, и содержит много неизвестных, для которых нам не хватает необходимой информации, чтобы дать значимые оценки.

Подход Дрейка был революционным. Просто спросить: “Где все инопланетяне?” – это слишком оторвано от того, на что мы можем надеяться сегодня с нашими современными технологиями. Вместо этого Дрейк решил разбить такой сложный вопрос на более мелкие и легко решаемые компоненты. На каждый из этих мелких вопросов потенциально можно дать научный ответ, но каждый ответ будет приближать нас к общей цели – понять, каковы должны быть наши ожидания, чтобы сформулировать точную оценку количества цивилизаций, которые существуют во Вселенной, с которыми мы можем общаться.

Разбивка Дрейка гласила, что если умножить:

  • скорость звездообразования (количество новых звезд, образующихся в год), которая, по его предположению, является постоянной,
  • на долю звезд, обладающих планетами,
  • на количество землеподобных (т.е. потенциально пригодных для жизни) планет вокруг каждой звезды, обладающей планетой,
  • к доле этих планет, на которых действительно возникает жизнь,
  • к доле живых планет, на которых возникает разумная жизнь,
  • к доле планет, где есть разумная жизнь, которые достигают уровня технологии, необходимого для приема и отправки межзвездных сообщений, и которые приступают к этой работе,
  • на количество времени, которое такая цивилизация в среднем существует до вымирания,

то в итоге получится число, отражающее количество разумных цивилизаций, с которыми человечество может общаться прямо сейчас.

дрейк
Разумных инопланетян, если они существуют в галактике или во Вселенной, можно обнаружить по множеству сигналов: электромагнитным, по модификациям планет или потому, что они путешествуют в космосе. Но мы пока не нашли никаких доказательств существования обитаемой чужой планеты. Мы действительно можем быть одни во Вселенной, но честный ответ заключается в том, что мы недостаточно знаем о соответствующей вероятности, чтобы так говорить.

Замечательный прогресс этого подхода легко заметить. Да, это правда, что в отсутствие знаний о каждом из этих условий невозможно сделать точную, достоверную оценку того, сколько существует разумных внеземных цивилизаций. Но, разбив большую и сложную проблему на более мелкие и легко решаемые компоненты, уравнение Дрейка дало нам систематический способ начать исследование различных факторов, влияющих на вычисление количества внеземных цивилизаций, а также на количество “частичных успехов” на каждом из этих этапов пути.

Например, вокруг звезд должно быть много планет с условиями, которые могли бы сделать их потенциально похожими на Землю: там, где присутствуют исходные ингредиенты и вероятные условия для возникновения жизни, что-то, что мы могли бы открыть благодаря усилиям астрономических исследований. В галактике и во Вселенной должно быть много обитаемых планет, где жизнь возникла из неживого, независимо от того, насколько сложной, дифференцированной или разумной стала эта жизнь в итоге. И даже если в сегодняшнем Млечном Пути существует всего несколько разумных цивилизаций (возможно, даже всего одна), то в прошлом могло быть множество других, которые просто вымерли либо естественным путем, либо в результате самоуничтожения.

Конечно, с учетом современного понимания Вселенной легко найти многочисленные недостатки и упущения в уравнении Дрейка. Например, скорость звездообразования меняется с течением истории Вселенной, как и доля звезд с планетами вокруг них; это неизбежно для Вселенной, которая началась с горячего Большого взрыва конечное количество времени назад и появилась на свет без тяжелых элементов, необходимых для формирования скалистых планет, таких как Земля, или изначальных ингредиентов для жизни.

Но Дрейк не мог этого знать; когда он впервые сформулировал свое уравнение, критические доказательства, подтверждающие горячий Большой взрыв как предпочтительную идею нашего космического происхождения – космический микроволновый фон – еще не были обнаружены. Сегодня мы можем сделать гораздо более точные оценки количества потенциально похожих на Землю планет, и мы можем быть более детальными в этом вопросе: сколько из них находится вокруг звезд различных размеров, масс, времени существования и “металличности” (т.е. с определенными долями тяжелых элементов по сравнению с количеством, которое мы имеем в нашей Солнечной системе), которые бывают у звезд и звездных систем? Сегодня эти цифры уже поддаются исчислению.

дрейк
Более 5000 экзопланет, подтвержденных в нашей галактике, включают в себя множество типов — некоторые из них похожи на планеты в нашей Солнечной системе, другие сильно отличаются. Среди них есть то разнообразие, которого нам не хватает в нашей Солнечной системе, и которые в основном ошибочно называют «суперземлями», потому что они больше, чем наш мир. Однако все, кроме самых горячих планет, размер которых превышает примерно 130% радиуса Земли, вероятно, будут мини-Нептунами, а не суперземлями, и потенциальная обитаемость остается открытым вопросом.

Однако идея и подход, рекомендованные Дрейком, сохранились. Даже если некоторые из предложенных им деталей с тех пор претерпели изменения. 

Сегодня ученые используют трехсторонний подход в своих попытках достичь той вехи, о которой Дрейк всегда мечтал, но до которой мы пока что не дошли: обнаружение инопланетной жизни за пределами Земли:

1. Исследование миров в нашей Солнечной системе. Существует ли спящая или окаменевшая жизнь на некогда влажном Марсе? Существует ли жизнь в условиях, похожих на земные, в облаках Венеры? Может ли существовать жизнь в гидротермальных источниках на дне подповерхностных океанов на таких лунах, как Европа или Энцелад? Если жизнь во Вселенной распространена, то “межпланетная палеонтология” может привести к ее обнаружению. 

2. Поиск биосигнатур на экзопланетах. Существуют видимые признаки того, что Земля обитаема. Континенты зеленеют и коричневеют в зависимости от времени года; уровень CO2 ежегодно повышается и понижается; наша богатая кислородом атмосфера была создана жизнью; наличие хлорфторуглеродов свидетельствует о присутствии человечества. С учетом достижений в астрономических областях транзитной спектроскопии и прямой планетарной визуализации, это, возможно, наша самая большая надежда на поиск инопланетной жизни в ближайшие десятилетия.

3. Продолжение поиска внеземного разума. И все же проект SETI все еще может добиться успеха. Если сигналы от разумных инопланетян существуют – либо в диапазоне радиоволн, либо через любой другой способ связи – мы остаемся открытыми для возможности найти что-то впечатляющее, пока мы продолжаем расширять границы того, как, где и когда мы наблюдаем за Вселенной.

Хотя этого еще не произошло, возможности для успеха постоянно увеличиваются с каждым научным и технологическим достижением, которое мы делаем на каждом из этих направлений.

дрейк
Когда экзопланета проходит перед своей родительской звездой, часть звездного света будет фильтроваться через атмосферу экзопланеты, что позволит нам разбить этот свет на составляющие его длины волн и охарактеризовать атомный и молекулярный состав атмосферы. Если планета обитаема, мы можем выявить уникальные биосигнатуры.

Сегодня тысячи ученых по всему миру активно занимаются поиском внеземной жизни и внеземного разума. Конечно же, мы не можем знать, как и когда это произойдет, но, несомненно, наступит день, когда мы впервые обнаружим жизнь за пределами планеты Земля. Возможно, она будет примитивной и редкой, найденной на какой-то планете, в нашей Солнечной системе. Возможно, будет получено бесспорное косвенное доказательство от экзопланеты, вращающейся вокруг звезды на расстоянии многих световых лет от нашей собственной. Или, возможно, мы обнаружим ее, благодаря тому что мы посмотрели, послушали или послали сообщение во Вселенную и узнали, что мы не “одиноки” как разумная, технологически развитая форма жизни.

Поиск жизни за пределами нашей планеты – в том числе разумной жизни – теперь полностью принадлежит науке, и Фрэнк Дрейк был тем человеком, который совершил этот преобразующий скачок нашей цивилизации. Мы чтим его наследие, воплощая его мечту в жизнь, и продолжаем искать ответ на, возможно, самый главный экзистенциальный вопрос: кто-то есть еще во Вселенной?

Читайте также: Мы – инопланетяне