В поисках инопланетного лего. Как астрономы ищут искусственно переставленные космические объекты

Где бы мы ни побывали, мы всегда оставляем следы нашего присутствия. Некоторые из них образовываются непроизвольно, например, отпечатки ног на пляжном песке, вмятина на подушке или след от автомобильных колес. Другие устанавливаются намеренно: например, кладбищенские надгробия или груды камней, которыми туристы отмечают тропы. Можно вспомнить и собак, которые помечают мочой свою территорию. Эти указатели не вечны. Как и собачья моча, следы человеческого существования быстро исчезают. И хотя некоторые кладбища существуют веками или даже тысячелетиями, геологические процессы в конечном итоге скроют и их. Та же динамика применима и в космическом масштабе.

Однако существует способ, с помощью которого мы можем обнаружить следы существования внеземных цивилизаций. В новой статье о «маяках SETI» (SETI — Search for Extraterrestrial Intelligence — «поиск внеземного разума») мы доступно объясняем, как развитые цивилизации могут оставлять несомненный след своего присутствия, используя целые системы экзопланет. Статья опубликована в вестнике Королевского астрономического общества и уже доступна на arXiv.

Астрономы десятилетиями искали следы существования внеземных цивилизаций. Один из подходов состоит в поиске возможных побочных продуктов их деятельности, таких как отработанное тепло или загрязненная атмосфера.

Кроме того, астрономы пытаются обнаружить непосредственные признаки инопланетного существования, но в таком случае довольно сложно понять, что именно искать. В романе Карла Сагана «Контакт» инопланетяне обращают на себя внимание человечества, передавая нам первую в истории мощную телевизионную трансляцию (Гитлер открывает в Берлине Олимпийские игры 1936 года).

По космическим меркам это всё равно что скакать на месте с криком: «Да вот же, дурачок!» Если учесть, что развитые цивилизации в целом достаточно редки, вероятность того, что одна из них может существовать в ту же эпоху, что и мы, крайне мала. Однако что если какая-нибудь инопланетная цивилизация захочет оставить после себя след, который сможет просуществовать миллионы или даже миллиарды лет? След, который остался бы после исчезновения самой цивилизации.

В таком случае он должен быть таким, чтобы его можно было легко найти и распознать. Как минимум подобный след не должен казаться «естественным».

По этому поводу нам пришла в голову следующая идея: возможно, при должном развитии технологий можно устроить так, чтобы планетарные системы служили космическими ориентирами!

Мы сосредоточились на определенном типе планетарных систем, называемых «резонансными цепями», с помощью которых гипотетически возможно закодировать последовательность чисел. В системах «резонансных цепей» каждая пара соседних планет находится в орбитальном резонансе — это означает, что две планеты продолжают соотноситься друг с другом после определенного количества витков. Это происходит потому, что их орбитальные периоды образуют отношение двух малых целых чисел. Например, в резонансе 2:1 внутренняя планета совершает два оборота вокруг звезды, пока внешняя планета совершает один такой оборот.

В длинной цепочке резонансов орбитальные периоды планет в пропорции 2:1 образуют последовательность: 1, 2, 4, 8, 16 и т. д. Эта последовательность очевидна, но и не сказать, что она не кажется «естественной». Наиболее известным примером подобного резонанса в Солнечной системе является система трех самых больших (галилеевых) спутников Юпитера — Ио, Европы и Ганимеда. Они образуют резонансную цепочку 1, 2, 4. Система экзопланет HR 8799 содержит четыре газовых гиганта, которые, судя по всему, также образуют резонансную цепочку 1, 2, 4, 8. Ни один человек не присутствовал при возникновении подобных систем, однако наши компьютерные модели неплохо справляются воспроизведением этих процессов. Астрономам известно о нескольких других системах экзопланет, образующих резонансную цепь: например, система Trappist-1 содержит семь (известных) планет.

Таким образом, с нашей точки зрения, космический ориентир внеземной цивилизации должен кодировать серию чисел, которая не только легко узнаваема, но и редко встречается в природе. Мы можем установить, какие планетные системы образуются естественным путем, обратившись к известным резонансным экзопланетам, а также смоделировав на компьютере их образование.

1. Последовательность целых чисел: 1, 2, 3, 4, 5, 6.
2. Последовательность простых чисел: 1, 2, 3, 5, 7, 11.
3. Числа Фибоначчи (последовательность, в которой каждое следующее число является суммой двух предыдущих): 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13. К слову, последовательность Фибоначчи также была использована в «Контакте». (Примечание: отношение 1:1 означает, что две внутренние планеты должны находиться на одной и той же орбите).
4. Центральные многоугольные числа (образно говоря, такая последовательность возникает возникает в результате разрезания круглого торта — каждый новый разрез должен пересекать все предыдущие разрезы, а последовательность составляется из количества кусков): 1, 2, 4, 7, 11, 16.

Мы выбрали эти последовательности, потому что сомневаемся, что они когда-либо образуются в природе в результате слепой игры случая. Процессы, формирующие планетные системы, создают множество простых резонансов (например, 2:1), но более сложные резонансы (например, 8:5) возникают крайне редко.

Таким образом, даже если некая система имеет один или два необычных резонанса (например, резонансы 8:5 и 5:3, как между тремя внутренними планетами Trappist-1), крайне маловероятно, что какая-либо система будет удовлетворять полноценной математической последовательности. Действительно, внешние планеты Trappist-1 вращаются в отношениях 3:2 и 4:3.

Как инопланетяне вообще могли создать подобные системы? Потребовалось бы огромное количество энергии, чтобы переместить планеты в соответствии с интервалами. В 2001 году была предложена интересная идея — сместить орбиту Земли вглубь Солнечной системы, чтобы поддержать на ней температуру, пригодную для жизни, когда Солнце станет горячее и ярче (через сотни миллионов лет). Механизмом для транспортировки мог бы послужить большой астероид, путешествующий от Земли к Юпитеру и обратно и перераспределяющий таким образом орбитальную энергию между двумя планетами. Тот же процесс в принципе может быть организован в любой планетарной системе, если появится возможность тщательно контролировать траектории одного или нескольких астероидов и в системе будет планета с большой орбитой. Конечно, высокоразвитая цивилизация может иметь и свою собственную, гораздо более необычную технологию. И мы можем только догадываться, какую систему маяков такая цивилизация оставила бы после себя.

Однако вернемся к последовательностям чисел. Итак, для начала мы воспроизвели на компьютере каждую из четырех выбранных нами систем. Мы создали модель, в которой постарались просчитать орбитальные расстояния планет и получить правильные соотношения периодов. Затем мы выяснили, как долго могла бы просуществовать каждая такая система. Для этого мы позволили каждой из планет следовать по своим орбитам вокруг звезды в течение 10 млрд лет — примерное время жизни звезды вроде нашего Солнца. Все системы выжили — за исключением той где отношения планетарных орбит образовывали последовательности целых чисел (через 6 млрд лет орбиты планет стали нестабильными, что привело к столкновениям между несколькими планетами).

Затем мы провели серию тщательно продуманных симуляций, чтобы проверить, переживут ли системы трансформацию, которую ждет наше Солнце — сначала оно превратится в красного гиганта, затем сбросит внешние слои (потеряв почти половину своей массы) и станет белым карликом. Исследования показали, что внутренние планеты (возможно, включая Землю) будут поглощены красным гигантским солнцем. Таким образом, планетарные системы — указатели пришельцев должны находится на относительно широких орбитах вокруг солнцеподобной звезды. Также наши расчеты показали, что орбиты планет расширяются по мере уменьшения массы звезды. Тем не менее относительные орбиты планет оставались неизменными, и резонансы сохранялись. Единственным исключением, опять же, была последовательность целых чисел, которая стала нестабильной через несколько миллиардов лет после того, как ее солнце превратилось в белого карлика.

Это означает, что три из четырех выбранных нами систем с резонансной цепью в самом деле могут служить «ориентирами», оставленными инопланетными цивилизациями. Они неестественны, их легко узнать, и каждая из них способна просуществовать дольше, чем текущий возраст Вселенной (наши расчеты распространялись на 20 млрд лет).

Конечно, и другие, более сложные, конфигурации планет потенциально могли бы послужить той же цели.

Гипотетически мы могли бы обнаружить подобный инопланетный маяк с помощью современных технологий. Для этого нужно было бы искать периодические «просадки» в яркости звезды — так одна или несколько планет частично заслоняют звезду. Конечно, это работает только тогда, когда планеты идеально соотносятся с нашей наблюдательной позицией; таким образом, чтобы усилить видимость своего маяка, инопланетная цивилизация должна была бы выровнять плоскость орбиты планет в соответствии с плоскостью галактики (поскольку именно там сосредоточены звезды).

Наша выборка резонансных цепных планетарных систем будет увеличиваться по мере обнаружения других экзопланет. Астрономы будут искать системы инопланетных маяков, которые кодируют математические ряды, наподобие тех, которые мы проанализировали. Но главный вопрос заключается в следующем: что же нам делать, если мы все-таки найдем такой маяк?