Уравнение дрейка в поисках жизни

Идея: партнера для отношений можно найти при помощи формулы для поиска инопланетян

Ученые из Саутгемптонского университета составили формулу поиска партнера для отношений. Любопытно, что в ее основу легло Уравнение Дрейка — с его помощью можно определить количество внеземных цивилизаций, с которыми у землян есть шанс повстречаться.

Специалисты полагают, что найти вторую половинку пока что гораздо проще, нежели инопланетян.

Как пишет Daily Mail, разработкой новой формулы занимались Стивен Вудинг и Рийк де Вет. Уравнение Дрейка, сформулированное в 1960 году астрофизиком Фрэнком Дональдом Дрейком, было взято за основу не просто так — в нем учитывается множество факторов, которые можно «отзеркалить» на критерии поиска партнера.

Вудинг и де Вет предложили такие критерии:

• G — число потенциальных партнеров;
• R — рост численности населения в стране;
• fG — доля населения того пола, который предпочитает ищущий;
• fL — доля мужчин/женщин в том городе, где идет поиск партнера;
• fA — доля мужчин/женщин предпочитаемого возраста в том городе, где идет поиск партнера;
• fU — доля мужчин/женщин предпочитаемого возраста с высшим образованием в том городе, где идет поиск партнера (необязательный пункт);
• fB — доля ПРИВЛЕКАТЕЛЬНЫХ мужчин/женщин предпочитаемого возраста с высшим образованием в том городе, где идет поиск партнера;
• L — возраст ищущего пару.

Формула выглядит вот так:

G = R • fG • fL • fA • fU • fB • L

Таким нехитрым способом можно найти себе спутника жизни, оценив собственные шансы с точки зрения науки. Вудинг считает, что найти партнера куда проще, чем внеземную цивилизацию, поскольку огромное количество параметров, входящих в Уравнение Дрейка, до сих пор неизвестны. Параметры, которые необходимо знать:

• количество разумных цивилизаций, готовых вступить в контакт;
• количество звёзд, образующихся в год в нашей галактике;
• доля солнцеподобных звёзд, обладающих планетами;
• среднее количество планет (и спутников) с подходящими условиями для зарождения цивилизации;
• вероятность зарождения жизни на планете с подходящими условиями;
• вероятность возникновения разумных форм жизни на планете, на которой есть жизнь;
• отношение количества планет, разумные жители которых способны к контакту и ищут его, к количеству планет, на которых есть разумная жизнь;
• время, в течение которого разумная жизнь существует, может вступить в контакт и хочет этого.

Уравнение Дрейка не работает – и вот, как его исправить

Теория о том, что первое обнаружение внеземного разума произойдёт при помощи радиоволн, была высказана давно. Но возможно, что в космосе существует такое, о поисках чего мы до сих пор даже не могли и мечтать

В 1961 году учёный Фрэнк Дрейк записал просто выглядящее уравнение для оценки количества активных, технологически развитых и передающих сообщения цивилизаций в Млечном Пути. Не существовало удобного способа просто оценить это количество, но у Дрейка возникла гениальная идея записать множество параметров, которые можно было оценить, а потом перемножить. Если числа верны, то вы получите точное число технологически продвинутых цивилизаций, с которыми могло бы общаться человечество, расположенных в пределах нашей Галактики, в любой момент. Концепция гениальная, но чем больше мы узнавали о нашей Вселенной, тем менее она становилась полезной. Сегодня уравнение Дрейка не работает, но о Вселенной нам известно достаточно для того, чтобы создать улучшенный метод для подсчёта.

Возможность существования другого населённого мира в Млечном Пути невероятна и привлекательна, но если мы хотим узнать, насколько она реальна, нам обязательно нужно разобраться с наукой.

Уравнение Дрейка, если быть точным, говорит о том, что количество цивилизаций N, существующих в какой-то момент в нашей Галактике, равно произведению семи различных неизвестных величин, связанных с астрономией, геологией, биологией и антропологией, каждая из которых отталкивается от предыдущей. Это:

1. R_*, средняя скорость формирования звёзд.
2. f_p, доля звёзд, имеющих планеты.
3. n_e, среднее количество имеющих планеты звёзд, среди которых встречается планета, способная поддерживать жизнь [на самом деле — среднее количество планет звезды, способных поддерживать жизнь / прим. перев.]
4. f_l доля этих планет, на которых жизнь зародилась.
5. f_i доля планет с жизнью, где появилась разумная жизнь.
6. f_c доля этих планет с разумной жизнью, способной отправлять сообщения через межзвёздное пространство.
7. L, отрезок времени, который такая цивилизация передаёт или слушает сообщения.

Перемножьте параметры между собой, и, в теории, вы получите количество технологически развитых цивилизаций в Млечном Пути, передающих сообщения,

Фантазия художника на тему потенциально обитаемой экзопланеты на орбите вокруг солнцеподобной звезды. Но нам, возможно, не надо искать другую планету, похожую на Землю, чтобы найти жизнь. В нашей Солнечной системе уже могут быть все необходимые ингредиенты. Мы просто не знаем, насколько жизнь распространена.

Вот только с этим раскладом есть много крупных проблем. Запись уравнения в таком виде содержит несколько невысказанных предположений, не отражающих реальность. Проблемы с текущей его полезностью следующие:

• То, что уравнение было записано до того, как была подтверждена теория Большого взрыва, а модель стационарной Вселенной была опровергнута.
• Уравнение предполагает, что только одна планета в звёздной системе может поддерживать жизнь [тут Итан ошибся, видимо, неправильно поняв параметр n_e — в оригинальном изложении это как раз количество планет в системе, способных поддерживать жизнь / прим. перев.].
• Предполагается, что разумная и технологически развитая жизнь не расселится по другим планетам.
• Предполагается, что разумные существа выберут передачу и приём радиосигналов в качестве способа передачи сообщений в межзвёздном пространстве.

Последнее предположение послужило мотивацией для создания SETI – проекта по поиску внеземного разума при помощи радиоантенн – который ничего не нашёл.

Атакамская большая антенная решётка миллиметрового диапазона, ALMA – один из наиболее мощных радиотелескопов Земли. И это лишь малая часть массива, формирующего Event Horizon Telescopen, способного снимать Магеллановы Облака (показанные здесь) и все звёзды южного неба, в отличие от большинства наблюдателей в северном полушарии.

Это, однако, не означает, что больше не существует миров с разумной жизнью! Несмотря на неопределённость по поводу существования других разумных существ и их желания и возможностей попытаться найти нас и связаться с нами, возможность существования разумных, способных общаться или путешествовать в космосе инопланетян вызывает огромный интерес не только у учёных, но и у всего человечества. Многие части уравнения Дрейка могут быть проблемными, и основная из них та, что в них заключены огромные неопределённости: они настолько крупные, что любые предположения по поводу величины N, количества цивилизаций в нашей Галактике, не имеют смысла. Но сейчас 2018 год, и нам известно уже много всего по поводу Галактики и Вселенной, чего мы не знали в 1961-м. И вот более качественный подход.

Звёздные ясли в Большом Магеллановом Облаке – галактике-спутнике Млечного Пути. Наблюдая за звёздными скоплениями внутри и снаружи нашей Галактики, а также измеряя размер Млечного Пути, мы можем довольно легко определить количество и типы существующих звёзд

1) N_s: количество звёзд в галактике. Зачем оценивать скорость формирования звёзд, когда можно просто посмотреть на количество звёзд на сегодняшний день? Мы знаем, насколько крупная наша галактика, насколько она толстая, насколько велик центральный балдж, и как в ней распределена масса. На основе наших наблюдений при помощи особо мощных телескопов, изучающих как всё небо, так и отдельные его части с большой тщательностью, мы просто можем заявить, что в нашей Галактике имеется от 200 до 400 млрд звёзд. Неопределённость в 2 раза – неплохой показатель, и это даёт нам весьма оптимистичное начало: у каждой звезды есть шансы на успех. Давайте выберем более крупное число.

Рисунок телескопа Кеплер, занимавшегося поиском планет. Он нашёл тысячи планет, вращающихся вокруг звёзд Млечного пути, и рассказал нам о массах, радиусах и распространении миров за пределами Солнечной системы.

2) f_p: доля звёзд, имеющих планеты. Этот параметр оригинального уравнения мы можем оставить, но после работы телескопа Кеплер он мало что значит. Почему? Потому, что он близок к 100%! Доля звёзд, имеющих свои планеты, если учитывать наши наблюдения и полученные знания, составляет никак не меньше 80%. Тот факт, что доля звёзд, имеющих планеты, близка к 1, означает лёгкую победу оптимистов.

Луна и облака над Тихим океаном, сфотографированные во время миссии Джемини-7. На Земле, вращающейся вокруг Солнца, условия подходят для жизни. А что насчёт других звёзд?

3) f_H: доля звёзд с подходящими для жизни условиями. Тут история становится интереснее. У скольких звёзд из основного класса есть миры, способные поддерживать жизнь? На это способна такая звезда, как наше Солнце – с такой массой, радиусом и временем жизни – это доказывает наше существование. Но что насчёт более массивной звезды? В какой-то момент звёзда окажется слишком массивной и слишком быстро сожжёт всё своё топливо, поэтому разумная жизнь не успеет развиться рядом с ней.

С другой стороны, звёзды малой массы могут быть нестабильными, они могут вырабатывать вспышки, способные сдуть атмосферу планеты, или выдавать так мало ультрафиолета, что жизнь не появится. Можно беспокоиться по поводу достаточного количества тяжёлых элементов, или о том, что в определённых частях галактики условия оказываются слишком хаотичными, чтобы поддерживать жизнь. Эти величины неизвестны, но мы, вероятно, можем с большой долей уверенности сказать, что по меньшей мере 25% звёзд в нашей Галактике способны иметь обитаемые планеты.

Молекулы сахаров в газе, окружающем молодую звезду, похожую на Солнце. Базовые ингредиенты жизни могут существовать везде, но не на каждой планете, их содержащей, появится жизнь.

4) n_p: количество планет вокруг обитаемых звёзд с условиями, подходящими для жизни. Мы получили огромное количество информации из этой области, изучая экзопланеты, но осталось и множество вопросов. Что делает мир обитаемым? В ранней Солнечной системе Венера, Земля и Марс обладали сходными условиями. Во внешней части Солнечной системы на таких мирах, как Энцелад и Европа, имеется подповерхностный океан, и, возможно, подводная жизнь. В системах с газовыми гигантами, расположенными там, где условия близки к земным, на крупных лунах может появиться жизнь. И хотя в данном случае неопределённость очень высока, я думаю, можно довольно точно сказать, что в среднем у звёзд, рядом с которыми может появиться потенциально обитаемый мир, будет примерно один мир с наилучшими шансами для жизни. Нас интересует именно этот мир, и мы скажем, что n p = 1.

К этому моменту мы уже можем перемножить четыре первых числа и получить примерное количество миров в Галактике с хорошими шансами на возникновение жизни: 100 млрд. Многообещающее начало.

Структуры, найденные на метеорите ALH84001, происходящем с Марса. Некоторые считают, что эти структуры могут быть древней марсианской жизнью.

5) f_l: процент таких миров, на которых появляется жизнь. Тут придётся согласиться с Дрейком, потому что это один из величайших вопросов поисков жизни за пределами Земли. На каком количестве из всех потенциально обитаемых миров происходит этот невероятный первый шаг, в процессе которого из неживого появляется живое? Или, если примитивная жизнь происходит из межзвёздного пространства, у какого количества миров жизнь закрепляется на суше, в океанах или в атмосфере? Нам неизвестен ответ на этот вопрос даже в рамках Солнечной системы, где, возможно, существует целых 8 миров, на которых в какой-то момент появилась жизнь. Жизнь может быть распространённой, и с оптимистичной оценкой шансы на её появление могут равняться 10%. Или же она может быть чрезвычайно редким явлением, одним случаем на миллион.

Признаки наличия органических молекул, порождающих жизнь, обнаруживаются по всему космосу, включая и наибольший из ближайших регионов формирования звёзд: туманность Ориона. Когда-нибудь мы, возможно, сможем искать признаки биологических процессов в атмосферах планет размером с Землю, расположенных в других звёздных системах.

В данном случае неопределённости огромны, и любая выбранная величина будет не лучше любой другой. Когда-нибудь в будущем у нас появится возможность проводить наши первые проверки. Когда наша технология позволит телескопам определять содержимое атмосфер миров, мы сможем искать там наличие признаков биологических процессов, такие, как метан, молекулярный кислород и диоксид углерода. Это будет косвенным свидетельством, но, тем не менее, огромным шагом по направлению оценки вероятности наличия жизни на планете. Если мы примем, что на одном из каждых 10 000 потенциально обитаемых миров есть жизнь, что будет не худшей догадкой, чем все остальные, тогда получится, что на 10 миллионах мирах Млечного Пути есть жизнь.

Лиганд-зависимые ионные каналы – важнейшие каналы, много где работающие в биологии, и они особенно важны для работы человеческого тела. Одноклеточные организмы могут воспроизводиться очень быстро, но для выработки сложных функций и структур требуются многоклеточные организмы.

6) f_x: доля от планет с жизнью, где развились сложные и дифференцированные организмы. Определение «разумности» жизни – задача в лучшем случае туманная, поскольку даже лучшие наши учёные до сих пор спорят по поводу того, можно ли причислить к разумным такие виды, как дельфины, человекообразные обезьяны, осьминоги и пр. Однако никто не будет спорить с тем, отнести ли организм к сложным и дифференцированным: у такого организма должны быть различные части тела с различными функциями и структурами, имеющими макроскопические размеры и многоклеточное строение. До появления первых многоклеточных организмов на Земле жизнь развивалась миллиарды лет, а потом потребовались ещё сотни миллионов лет до появления пола как инструмента воспроизводства.

Бонобо, ловящий термитов – пример сложного и дифференцированного организма, использующего примитивные орудия. Его нельзя считать научно и технологически продвинутым видом, но он определенно считается многоклеточным, дифференцированным и очень интересным с точки зрения астробиологии.

Земля снова является нашей единственной лабораторией, но давайте оптимистично отнесёмся к отсутствию доказательств и предположим, что есть один шанс из тысячи на то, что мир, начинающийся с примитивной, самовоспроизводящейся, кодирующей информацию молекулярной цепочки, может породить что-то вроде кембрийского взрыва. Это даёт нам 10 000 миров в Млечном Пути, переполненных разнообразными, многоклеточными, высоко дифференцированными формами жизни. Учитывая расстояние между звёздами, можно считать, что другая подобная планета, на которой это произошло, находится всего в нескольких сотнях световых лет от нас.

Рисунок 1991 года космической станции «Фридом», находящейся на орбите. Любая цивилизация, создавшая что-то подобное, определённо будет считаться научно и технически продвинутой

7) f_t: доля таких миров, на которых в настоящий момент существует технологически и научно продвинутая цивилизация. Этот вопрос отодвигает вопросы, задаваемые уравнением Дрейка, на второй план. Какая разница, первый это случай появления технологически продвинутой цивилизации или десятый? Какая разница, используют ли они радиоволны? Какая разница, взорвут они себя, или вымрут, или есть у них желание путешествовать в космосе, или нет? Главный вопрос – существуют ли инопланетяне, разумные похожим на нас образом, то есть, научно и технологически продвинутые.

Сборная картинка «вот это да» [‘holy cow’] с марсианской миссии Феникс, на которой ясно виден водяной лёд под опорами спускаемого аппарата. Чтобы узнать максимальное количество информации о наличии или отсутствии жизни на планете, однозначно придётся приземлиться там и поискать её гарантированные признаки.

Естественно, свидетельств тому нет нигде, кроме Земли, что означает огромный разброс возможностей. Это может быть 1% всех планет, или появление человечества может быть дикой случайностью, а вероятность этого окажется одним случаем на миллиард. На Земле прошло уже 500 000 000 с кембрийского взрыва, а технологически продвинутый вид на планете существует не более 1000 лет. Если предположить, что человечество продержится ещё несколько тысяч лет в таком состоянии, то получится, что Земля провела одну стотысячную долю своего времени вместе со сложными, дифференцированными организмами, находящимися в технологически продвинутом состоянии.

И при таких оценках, даже при наличии 10 000 подобных миров в Млечном Пути вероятность того, что другая технологически продвинутая цивилизация существует одновременно с нами, составит примерно 10%.

Возможно, желание покорения космоса появляется сразу же, когда в одном месте сходятся интеллект, использование инструментов и любопытство

Учитывая всё вышесказанное, именно три последних величины — f_l, f_x и f_t — отличаются огромной неопределённостью, которая в данный момент делает невозможными точные оценки.

Зная, сколько миров с жизнью существует в Млечном Пути, и найдя хотя бы один из них, мы невероятно сильно повлияли бы на наше собственное существование и на понимание нашего места во Вселенной. Следующий шаг, получение информации о наличии сложных, дифференцированных, крупных организмов на другой планете, произвело бы революцию в наших возможностях. А шанс на обмен сообщениями, встречу и обмен знаниями с научно или технологически продвинутой инопланетной цивилизацией навсегда поменял бы курс развития человечества. Всё это возможно, но нам столько всего ещё необходимо узнать, если мы хотим выяснить ответы на эти вопросы. Эти шаги необходимо предпринять; вознаграждения за них слишком велики, если шанс найти ответы существует.

Формула Дрейка

Число внеземных цивилизаций, желающих вступить в контакт с нашей, предсказуемо.

Вообще-то говоря, немногие крупные научные открытия датированы строго — не только годом, но и месяцем, и числом. Однако, как минимум, одно из них можно датировать с точностью буквально до минут. В ночь с 1 на 2 ноября 1961 года несколько ученых — участников конференции, проходившей в Грин-Бэнке (Green Bank), штат Виржиния, США, засиделись в баре допоздна за обсуждением статьи, написанной физиками Филипом Моррисоном (Philip Morrison, р. 1915) и Джузеппе Коккони (Giuseppe Cocconi, р. 1914). Они спорили, могут ли земные ученые, едва начавшие строить серьезные по размерам радиотелескопы, реально обнаружить радиосигналы, посылаемые внеземными цивилизациями из далекого космоса. Если где-то в глубинах Вселенной действительно есть хоть одна внеземная цивилизация, стремящаяся к контакту с нами, она, вероятно, посылает нам радиосигналы, и нам лишь нужно их поймать, рассуждали они. Заодно была сформулирована задача на следующий день конференции: оценить вероятное число внеземных цивилизаций, готовых вступить в контакт с нами.

Вопрос был поставлен, и ответ на него уже на следующий день предложил американский радиоастроном Фрэнк Дрейк. Согласно его формуле число внеземных цивилизаций N составляет:

где R — число ежегодно образующихся звезд во Вселенной; Р — вероятность наличия у звезды планетной системы; N_e — вероятность того, что среди планет имеется планета земного типа, на которой возможно зарождение жизни; L — вероятность реального зарождения жизни на планете; С — вероятность того, что разумная жизнь пошла по техногенному пути развития, разработала средства связи и желает вступить в контакт и, наконец, T — усредненное время, на протяжении которого желающая вступить в контакт цивилизация посылает радиосигналы в космос, чтобы связаться с нами. Смысл формулы Дрейка состоит, если хотите, не в том, чтобы всё окончательно запутать, а в том, чтобы наглядно показать всю степень человеческого неведения относительно реального положения дел во Вселенной и, хотя бы приблизительно, раздробить одну чисто гадательную оценку общего числа цивилизаций в ней на несколько вероятностных оценок. По крайней мере, в таком виде всё начинает выглядеть менее загадочно.

На момент конференции в Грин-Бэнке единственным более или менее известным числом в правой части формулы было число ежегодно образующихся звезд R. Что касается других чисел, то к планетам земного типа (N_e) даже в нашей Солнечной системе можно было отнести от одного (только Земля) до пяти (Венера, Земля, Марс и по одному из крупных спутников Юпитера и Сатурна) космических объектов планетарного типа. При оптимистичных прогнозах подобного рода получалось, что Галактика буквально кишит миллионами технологически развитых цивилизаций ( N ), а мы — по сути — юниоры в этой «галактической лиге». Эти сведения незамедлительно заполонили средства массовой информации, а через них — и массовое сознание, и люди попросту перестали сомневаться, что существование внеземного разума — непреложная истина.

Однако с 1961 года прошло уже не одно десятилетие, и чем дальше, тем больше мы убеждаемся в том, что нужно умерить оптимизм, изначально порожденный формулой Дрейка в массовом сознании землян, истосковавшихся по братьям по разуму. Сегодня мы знаем, например, в отличие от излишне оптимистичных участников гринбэнкской группы, что существование жизни в пределах нашей Солнечной системы вне Земли крайне маловероятно (разве что она существует под толстым ледяным щитом в океане четвертого по величине спутника Сатурна, который по странной иронии называется Европа). И, хотя после 1961 года нами было открыто немало планетных систем вокруг ранее известных звезд, все они выглядят мало похожими на нашу Солнечную систему, поскольку планеты там, по большей части, обращаются по вытянутым эллиптическим орбитам с весьма значительным эксцентриситетом, а значит, годовой перепад температур на них выглядит неприемлемым с точки зрения развития белковой жизни. Фактически выяснилось, что условия, способствующие удержанию воды на поверхности планетарного тела в течение миллиардов лет без ее испарения и/или вымораживания, настолько жестки, что, кроме Земли, таких планет до сих пор не найдено — и это не удивительно, поскольку даже несколько процентов изменения радиуса земной орбиты приведут к тому, что наша планета станет непригодной для жизни.

Так случилось, что в 1981 году я и мой коллега-астроном Роберт Руд (Robert Rood, р. 1942) наткнулись на формулу Дрейка и решили ее критически переосмыслить в свете современных научных знаний. Подставив все имеющиеся у нас на руках оценки величин в правой части формулы, мы получили значение N , приблизительно равное 0,003. То есть три из тысячи (или примерно одна из трехсот) звездных систем имеют в своем составе технологически развитую, желающую общаться с нами цивилизацию. Или, если хотите, это означает, что межзвездные сигналы со стороны внеземного разума появились в нашей Галактике лишь в последнюю 1/300 часть срока ее существования. В любом случае ставки на предмет их обнаружения у нас крайне плохи: 1:300. Естественно, за прошедшие двадцать с лишним лет ничего не изменилось, и никаких признаков жизни внеземные цивилизации не подали. Их поиск продолжается уже не первое десятилетие, финансируется и за государственный счет, и частными фондами. Увы. Мы и поныне не нашли себе пресловутых внеземных братьев по разуму, не говоря уже о том, чтобы попытаться вступить с ними в контакт. Да и ладно. Зато у нас накопилась масса абсолютно достоверных данных относительно того, чего там нет.

Американский астроном. Родился в Чикаго, учился на факультете электроники Корнелловского университета. Прослушав курс лекций прославленного астронома Отто Струве (1897–1963) о формировании планетных систем, на всю жизнь загорелся интересом к вопросам внеземной жизни и цивилизаций. Отслужив в американских ВМС, последовательно работал в Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO), Корнельском университете и Калифорнийском университете (г. Санта-Крус). При поддержке Струве Дрейк организовал строительство 28-метрового радиотелескопа на базе NRAO (проект «Озма») — первого в мире измерительно-регистрирующего прибора, специально созданного для попытки выявить внеземную жизнь (см. Парадокс Ферми).