Уравнение существования жизни во вселенной

Новый расчёт по формуле Дрейка показал: человечество одиноко в своей галактике с вероятностью 53−99,6%

Во время работы в Лос-Аламосской Национальной лаборатории в Нью-Мексико в 1950 году физик Энрико Ферми задал своим коллегам ставший знаменитым вопрос: «Где они?». Лауреат Нобелевской премии обратил внимание на несоответствие, которое нашёл странным. Учитывая столь большое количество звёзд в нашей Галактике, даже крошечная вероятность существования жизни возле любой конкретной звезды означает наличие большого количества инопланетных цивилизаций. Далее, предположив разумные вероятности о способности инопланетян к межзвёздным путешествиям, физическому изменению окружающего пространства или коммуникациям, мы уже должны видеть свидетельства их существования. А мы не видим. Это несоответствие стало известно как парадокс Ферми, а соответствующее отсутствие жизни в наблюдаемой Вселенной принято называть наблюдением Ферми.

Многие гипотезы пытались объяснить парадокс Ферми. Например, что другие цивилизации умышленно скрывают себя или самоуничтожаются прежде чем научатся путешествовать между звёздами или устанавливать связь на дальнем расстоянии. Основная проблема таких гипотез заключается в том, что предполагаемый механизм сокрытия своего существования или самоуничтожения должен быть чрезвычайно надёжным: если всего лишь 99% цивилизаций уничтожают себя, это мало как помогает в разрешении парадокса.

Таким образом, все эти гипотезы остаются весьма спекулятивными и во многом полагаются лишь на предположения о неких универсальных мотивах или социальной динамике инопланетян, в то время как мы не можем претендовать на аналогичные знания о нашем собственном мире. Эти гипотезы рассматриваются не из-за независимой научной правдоподобности, а лишь потому они предлагают решение парадокса Ферми.

Учёные из Института будущего человечества при Оксфордском университете опубликовали научную работу, в которой показывают, что «правильное обращение с научными неопределённостями растворяет парадокс Ферми». Другими словами, наша уникальность во Вселенной и отсутствие наблюдаемой инопланетной жизни становится вовсе не «парадоксом» и не маловероятным событием.

Авторы научной работы критикуют то, что формулу Дрейка принято использовать с точечными оценками. Однако такие точечные оценки «подразумевают знания о процессах (особенно связанных с происхождением жизни), которые несостоятельны, учитывая текущее состояние науки». По мнению британских учёных, принимая во внимание реалистичную неопределённость, следует заменить точечные оценки распределениями вероятностей, которые отражают текущее научное понимание. И тогда по формуле Дрейка получается совершенно другая картина — и уже исчезают всякие причины быть уверенным, что Галактика (или наблюдаемая Вселенная) содержит другие цивилизации.

Второй результат научной работы: учёные показали, что с учётом наблюдаемых границы преобладания других цивилизаций, «наши обновленные вероятности предполагают, что есть существенная вероятность того, что мы одни». Авторы нашли качественно схожие результаты двумя различными методами: с использованием авторских оценок современных научных знаний, имеющих отношение к ключевым параметрам, и с использованием расходящихся оценок этих параметров в астробиологической литературе в качестве промежуточного параметра для текущей научной неопределённости.

Расчёт по такой методике показал довольно высокую вероятность того, что человечество одиноко в своей родной галактике Млечный Путь (53−99,6%) или даже во всей наблюдаемой Вселенной (39−85%). Соответственно, на знаменитый вопрос «Где они?» авторы научной работы отвечают: «Вероятно, очень далеко, и вполне возможно, за космологическим горизонтом и навсегда недостижимы».

Из всего вышесказанного следует третий вывод, что пессимизм для выживания человечества, основанный на парадоксе Ферми, необоснован. Другими словами, у человечества хорошие шансы на выживание, и нельзя делать выводы о неизбежности самоуничтожения цивилизации на основании того, что в наблюдаемой Вселенной нет ни одной достаточно развитой цивилизации. Пожалуй, это самый оптимистичный результат из опубликованной научной работы.

Статья опубликована 6 июня 2018 года на сайте препринтов arXiv.org (arXiv:1806.02404v1).

Илон Маск отреагировал на расчёты британских специалистов. «Так странно», — написал он в твиттере.

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).

Каковы шансы, что во Вселенной существуют другие разумные виды?

В октябре 1995 года команда астрофизиков из Обсерватории Верхнего Прованса открыла первую экзопланету, вращающуюся вокруг звезды, подобной Солнцу: 51 Пегаса b. С тех пор было подтверждено существование более 4500 экзопланет в почти 3400 различных планетных системах; несколько тысяч планет-кандидатов также ожидают подтверждения. Среди этих миров есть несколько каменистых, как Земля, и расположенных в так называемой обитаемой зоне. Поэтому вполне правомерно задаться вопросом, есть ли во Вселенной другие разумные виды или мы определенно одиноки.

Хотя человечество наблюдает за звездами уже много веков, вопрос о том, одиноки ли мы в просторах Вселенной, остается открытым.

Шансы найти жизнь в других местах остаются неизвестными и по сей день, но можно с уверенностью сказать, что «шансы» растут. С момента открытия первых экзопланет ученые пытаются определить, на каких мирах с наибольшей вероятностью может существовать жизнь. Например, для жизни, как мы ее знаем, необходима жидкая вода, поэтому экзопланета, которая находится слишком близко или слишком далеко от звезды-хозяина, с меньшей вероятностью может содержать живые организмы.

Вероятность, основанная на обнаружении биосигнатур в атмосферах экзопланет

Поэтому наши лучшие шансы связаны с планетами, расположенными в обитаемой зоне. Но до сих пор ученые не обнаружили никаких убедительных доказательств передовых внеземных технологий ни с помощью космических телескопов, ни с помощью наземных обсерваторий — хотя Ави Лоеб убежден в обратном с тех пор, как объект «1I/Оумуамуа» пролетел мимо Земли в 2017 году. Мы также не обнаружили никаких доказательств существования жизни, даже крошечной бактерии (в то же время у нас нет «универсального» определения жизни, которая, следовательно, может принимать невообразимые формы). Каковы наши шансы однажды обнаружить внеземной разум?

Чтобы ответить на этот вопрос, Фрэнк Дрейк — американский астроном и основатель проекта SETI — в 1961 году предложил формулу для оценки потенциального количества внеземных цивилизаций в нашей галактике, с которыми мы могли бы установить контакт. Это число равно произведению семи параметров, среди которых: количество звезд, образующихся каждый год в нашей галактике, доля звезд, окруженных планетами, ожидаемое количество потенциально пригодных для жизни планет на одну звезду, продолжительность времени, в течение которого развитые внеземные цивилизации будут передавать радиосигналы в космосе, и т. д. Основываясь на известных на тот момент данных, Дрейк и его соавторы подсчитали, что в Млечном Пути существует 10 цивилизаций, способных общаться.

Однако оценить каждый из этих параметров с уверенностью особенно трудно, и даже сегодня ученые не могут прийти к согласию относительно того, какие значения следует использовать. В 2013 году астроном и планетолог Массачусетского технологического института Сара Сигер предложила модифицированную версию уравнения Дрейка, сокращенную до шести коэффициентов и сфокусированную на наличии внеземной жизни (а не на способности этих форм жизни общаться посредством радиосигналов); эта версия включает, помимо прочего, долю так называемых «молчаливых» звезд и долю планет, на которых жизнь создает обнаруживаемые газообразные сигнатуры.

Предложенная Сарой Сигер формула для оценки шансов на существование во Вселенной другой разумной внеземной жизни (здесь — с наиболее оптимистичными значениями). В отличие от Фрэнка Дрейка, она частично полагается на вероятность обнаружения газообразных биосигнатур.

Сосредоточившись на звездах класса М, таких как красные карлики, которые являются самыми многочисленными звездами во Вселенной, но имеют меньшие размеры и меньшую светимость, чем Солнце, Сигер оценила значения каждого члена в своей формуле, в результате чего было сделано предположение, что две планеты, «населенные» какой-либо формой жизни, могут быть обнаружены в течение следующего десятилетия. Но эта оценка датируется 2013 годом, и мы постепенно приближаемся к концу «десятилетия», о котором говорил ученый-планетолог.

Космический телескоп «Джеймс Уэбб», запуск которого намечен на 22 декабря, сможет обнаружить такие биомаркеры в атмосферах экзопланет размером с Землю. Астрономы обнаружили, что 6% всех красных карликовых звезд имеют планету размером с Землю в обитаемой зоне. «Уэбб» и другие телескопы будущего могут обнаружить признаки атмосферы, подобной нашей (состоящей из кислорода, углекислого газа, метана), или обнаружить признаки фотосинтеза или даже любые другие молекулы, указывающие на присутствие животной жизни.

«Интеллектуальная» и технологически продвинутая жизнь может создавать загрязнение воздуха — как на нашей планете — которое также может быть обнаружено с помощью будущих инструментов наблюдения. Короче говоря, достаточно мощный инструмент мог бы позволить нам определить, имеем ли мы дело с развитой жизнью или с гораздо более простой формой жизни.

Разумной жизни потенциально угрожает самоуничтожение

Ученые из Калифорнийского технологического института также провели статистическую оценку распространенности разумной внеземной жизни в нашей галактике. Их работа была опубликована в начале этого года в журнале Galaxies . В частности, они определили, где и когда в Млечном Пути наиболее вероятно появление жизни, и выявили самый важный фактор, влияющий на ее распространенность: склонность разумных существ к самоуничтожению. Предыдущие исследования показывают, что технологический прогресс в цивилизации неизбежно приводит к полному разрушению и биологическому вырождению.

Они обнаружили, что вероятность появления жизни, основанная на известных факторах, достигла пика в кольцевой области примерно в 13 000 световых лет от центра галактики и через 8 миллиардов лет после образования галактики — сложная жизнь уменьшается во времени и в пространстве от этого пика; поэтому она была бы слишком молода, чтобы ее можно было наблюдать. Для сравнения, Земля находится примерно в 25 000 световых лет от центра Галактики, а человеческая цивилизация появилась на поверхности планеты примерно через 13,5 миллиарда лет после образования Млечного Пути. «Наши результаты могут подразумевать, что разумная жизнь может быть распространена по всей галактике, но она все еще молода [. ]. [Они] также предполагают, что наше местоположение на Земле находится не в том районе, где проживает большинство разумных жизней, и что методы SETI должны быть ближе к внутренней галактике, предпочтительно в кольце 13 000 световых лет от галактического центра«, — пишут исследователи.

По мнению исследователей Калтеха, пик зарождения жизни находится примерно в 13 000 световых лет от галактического центра и через 8 миллиардов лет после образования нашей галактики.

Многие эксперты согласны с тем, что наши шансы найти микробные внеземные формы жизни гораздо выше, чем шансы обнаружить внеземную разумную жизнь. И хотя основное внимание в поисках уделяется каменистым мирам, похожим на Землю, недавно исследователи выявили новый класс инопланетных миров, которые особенно подходят для развития микробной жизни: так называемые планеты-гиганты, которые в 2,5 раза больше Земли и покрыты огромными океанами жидкой воды под толстой, богатой водородом атмосферой. Эти планеты невероятно распространены в галактике, и на них может существовать жизнь, подобная «экстремофильным» организмам, которые процветают в самых суровых условиях на Земле.

Как бы ни были малы наши шансы вступить в контакт с инопланетной формой жизни, разумной или иной, важно предвидеть, как об этой потенциальной встрече будет сообщено общественности. Многие из тех, кто твердо верит в существование внеземной разумной жизни, представляют, что эти существа живут в утопических обществах, свободных от войн, болезней и смерти (или любых других проблем, с которыми сталкивается наш мир), и потенциально могли бы искоренить эти проблемы на нашей планете. Эти люди могут испытать настоящее разочарование, если когда-нибудь узнают, что воображаемая инопланетная жизнь — не более чем разновидность амебы.

В недавней статье, опубликованной в журнале Nature , команда НАСА призвала научное сообщество создать новую основу для поиска внеземной жизни, утверждая, что «наше поколение может реально стать тем, кто обнаружит доказательства существования жизни за пределами Земли». Авторы, включая Джима Грина, главного ученого агентства, предлагают создать шкалу для контекстуализации значимости новых находок в этом поиске — способ предотвратить, чтобы маленькие шаги не казались гигантскими скачками в глазах общественности.

«Шкала уверенности», предложенная учеными НАСА для сообщения об открытиях в области поиска внеземной жизни

«Нам нужен лучший способ рассказать о наших открытиях и показать, как каждое открытие основывается на следующем, чтобы мы могли привлечь общественность и других ученых«, — говорит Мэри Войтек, руководитель астробиологической программы НАСА и соавтор исследования.

Каждый уровень этой шкалы соответствует уровню уверенности, при этом уровень 7 является максимальным и означает, что ученые уверены в обнаружении жизни. Достигнем ли мы когда-нибудь седьмого уровня? Для доктора Рави Коппарапу, который изучает обитаемость и потенциал жизни на экзопланетах в Центре космических полетов имени Годдарда, это предрешенный вывод: «Это не вопрос «если», это вопрос «когда» мы найдем жизнь на других планетах. Я уверен, что при моей жизни, при нашей жизни мы узнаем, есть ли жизнь на других планетах«, — сказал он.