У них там своя атмосфера. Как ученые ищут инопланетян по следам кислорода и искусственных веществ в воздухе экзопланет

Люди на протяжении тысячелетий спорили о том, есть ли жизнь за пределами Земли, но никто не имел ни малейшего представления, где именно ее искать. Недавно кое-что изменилось — теперь мы в самом деле знаем, где инопланетяне все же могут быть.

За последние десятилетия ученые обнаружили множество звезд, имеющих на своей орбите планеты, которые похожи на Землю и на которых могла бы зародиться жизнь. Теперь у нас есть гигантские телескопы, оснащенные спектрографами, которые могут анализировать свет от далеких звезд, и мощные компьютеры для моделирования пространства вокруг них. Раз уж мы хотим найти инопланетян, нам больше не нужно ждать, что они первыми сделают нам навстречу и объявят о своем присутствии на весь космос. Вместо этого мы, как детективы в засаде, можем просто сидеть с пончиками и холодным кофе, пристально вглядываясь в темноту.

Так, специалисты сейчас ищут биосигнатуры — особые характеристики атмосферы той или иной планеты, которые возникают только благодаря жизни. Изучая историю нашей планеты, ученые пришли к выводу, что на протяжении миллиардов лет живые организмы играли важную роль в преобразовании своего места обитания.

Жизнь освоила Землю, изменив, среди прочего, состав воздуха. В атмосфере Земли содержатся химические вещества, которых не может быть в никем не населенном мире. 

К ним относятся кислород, озон и диметилсульфид (соединение, которое выделяется в воздух морским планктоном). Очевидно, что если на другой планете тоже есть жизнь, подобная земной, атмосфера этой планеты тоже должна была претерпеть соответствующие изменения.

Анализируя свет звезд, проходящий через атмосферы экзопланет, астрономы, не покидая Земли, могут понять, из чего состоят эти атмосферы. Главное — определить, волны какой длины они поглощают: если в спектре звезды есть линии поглощения воды, значит, в атмосфере планеты есть водяной пар. То же самое касается углекислого газа. Это означает, что ученые могут выяснить, какие вещества наличествуют в атмосферах планет, которые человек, возможно, никогда не посетит.

Этот метод небезупречен: ученые вполне могут найти  ложноположительную биосигнатуру. В таком случае косвенные данные будут показывать, что на некой планете есть жизнь, хотя на самом деле ее там нет — Вселенная велика, и иногда в ней происходят странные вещи. На Земле кислород поступает в атмосферу благодаря фотосинтезу растений. Но на планетах, которые вращаются очень близко к звездам — красным карликам, молекулы водяного пара (H2O) могут разъединяться высоко в атмосфере планеты под воздействием света звезды, насыщая атмосферу кислородом, даже если планета полностью лишена жизни.

Иными словами, астрономам нужно быть осторожными, и это значит, что реализация проекта займет время.

Но ключевой момент идеи о поиске биосигнатур заключается в том, что жизнь — это не какой-то маленький кролик, прячущийся в тени огромной планеты. У жизни, скажем так, есть мускулы, ее присутствие коренным образом меняет окружающую среду. 

Исходя из этого, мы будем искать инопланетные вариации жизни в других галактиках.

С помощью биосигнатур можно отыскать на других планетах жизнь, но не  цивилизацию. Для этого нужна другая стратегия. Как только какая-нибудь развитая инопланетная цивилизация накопит достаточное количество энергии и использует ее для собственного развития — это оставит неизгладимый отпечаток на всей планете: изменит состав атмосферы, захламит орбиту спутниками. Это называется техносигнатурами — термином, введенным астрономом Джиллом Тартером; он обозначает признаки присутствия живых существ и их технологий, которые можно увидеть на огромном расстоянии.

Обнаружить техносигнатуры, издалека наблюдая за Землей, довольно просто. Прямо сейчас, когда вы читаете эти слова, невидимые электромагнитные волны — беспроводной Интернет — проходят через ваше тело. Беспроводные технологии окружают Землю мерцающей сферой. Эти и другие человеческие приспособления гоняют по атмосфере больше азота и фосфора, чем любые природные силы. Наш домашний скот весит больше, чем все дикие млекопитающие на Земле. И, конечно же, мы изменили химический состав атмосферы планеты и ее климат.

За последние несколько лет изучение техносигнатур вышло на новый уровень. В 2020 году я и мои коллеги получили первый в истории грант НАСА на исследования такого рода. Наша основная цель — создать библиотеку возможных техносигнатур, поскольку нельзя найти инопланетян, не зная, что именно ты ищешь.

Мы также хотим сформулировать сценарии, по которым может развиваться гипотетическая инопланетная цивилизация, и понять, что она может сделать со своей планетой. История человеческой цивилизации дает нам самый вероятный ответ на последний вопрос: развитие означает загрязнение.

Насколько бы странным ни казался такой подход, поиск загрязнений в атмосферах далеких миров может быть самым простым способом найти далекую цивилизацию. Материалы, которые цивилизация производит в ходе своего развития, становятся все более совершенными и все менее походят на природные. Если какой-то из этих материалов можно увидеть с расстояния в 100 световых лет, тогда раз! — и у вас есть техносигнатура.

Может быть, все это звучит слишком абстрактно. Давайте вернемся обратно на Землю. Хлорфторуглероды (ХФУ) — класс соединений, изобретенных химиками еще в 1920-х годах. Ключевое слово здесь — изобретенных, потому что ХФУ не встречаются в природе. ХФУ обладают замечательными свойствами, которые делают их высокоэффективными в промышленности: например, то, как они реагируют на нагревание, делает их идеальными для кондиционеров воздуха. С другой стороны, то, как они реагируют на давление, делает их идеальными для использования в баллончиках-распылителях. Таким образом, миллионы тонн ХФУ попали на заводы, в офисы и дома по всему миру. Затем часть этого газа растворилась в атмосфере. В конце концов ученые обнаружили, что ХФУ разрушают озоновый слой Земли. Ой.

Эта история демонстрирует две действительно важные в деле поиска инопланетян вещи. Во-первых, такие химические вещества, как ХФУ, возникаю только благодаря технологиям. Во-вторых, индустриальная цивилизация может закачивать огромные количества таких химических веществ в атмосферу своей планеты либо намеренно, либо по ошибке. Некоторые химические вещества, которые цивилизация выбрасывает в атмосферу, могут быть различимыми издалека. Я знаю это точно, поскольку это был один из первых результатов, полученных нашей исследовательской группой.

Недавно наша команда построила математическую модель планеты, похожей на Землю и вращающейся вокруг звезды на расстоянии 40 световых лет от нас. Затем мы добавили в ее атмосферу то же количество ХФУ, которое присутствует в нашей атмосфере сейчас. Затем мы стали «наблюдать» эту экзопланету с помощью математического аналога космического телескопа Джеймса Уэбба.

Наши результаты показали, что, с некоторыми допущениями, достаточно смотреть на эту смоделированную планету в телескоп всего несколько недель, чтобы обнаружить на ней ХФУ. Если бы это была настоящая планета, мы бы нашли вполне убедительные доказательства существования внеземной цивилизации. 

Это, конечно, не говорит нам о наличии промышленных химикатов в атмосфере какой-либо экзопланеты, но если бы они там были в достаточном количестве, то мы могли бы их обнаружить.

Присутствие в атмосфере особых химических веществ — не единственный признак, сигнализирующий, что на далекой планете есть жизнь. Посмотрите на фотографии Земли ночью, и вы увидите города и соединяющие их дороги, горящие подобно светящейся паутине. А источники искусственного освещения, такие как натриевые лампы, которые мы используем сегодня, создают сильные спектральные отпечатки, которые можно увидеть с экзопланеты. В 2021 году астроном Томас Битти показал, как можно было бы обнаружить такие техносигнатуры. Сейчас конструируются телескопы, с помощью которых мы сможем исследовать далекие планеты и искать на них техносигнатуры с большей точностью — и, возможно, даже открывать города размером с планету, такие как Корускант из «Звездных войн» или Трантор из «Основания» Айзека Азимова.

Сейчас исследователи ищут внеземную жизнь с помощью телескопа Джеймса Уэбба. Но поиск внеземной жизни никогда не был главной его функцией. Следующее поколение телескопов, включая обсерваторию обитаемых миров НАСА, преемницу телескопа Джеймса Уэбба, запуск которой запланирован примерно на 2040 год, будет гораздо лучше приспособлено к этой задаче. Другие наземные телескопы, которые разрабатываются в настоящее время, будут иметь зеркала в три раза больше, чем у современных телескопов. С этими устройствами мы еще больше углубимся в просторы космоса в поисках техносигнатур.

Мы должны быть готовы к различным ловушкам и вызовам, поскольку человечество всерьез приступает к поискам внеземной жизни. Но преодоление подводных камней в этом деле — то, что заставляет ученых вставать по утрам. Мы справимся. Трудности означают лишь то, что мы затеяли что-то действительно масштабное. Поиск инопланетян — это проект, прогресс которого, вероятно, будет измеряться в масштабах десятилетий. Но это нормально. Несколько десятилетий осторожности и сообразительности — ничто по сравнению с тысячами лет, которые потребовались, чтобы привести нас туда, где мы находимся сегодня — мы стоим на пороге великих открытий и вот-вот перешагнем его.