Современные подходы к поиску жизни во Вселенной

Сегодня, зная, что наш мир изобилует несчетным количеством экзопланет, и начав, наконец, лучше понимать замысловатую природу жизни организмов-экстремофилов, мы по-новому осознали необычайную актуальность вопроса о том, существует ли где-нибудь еще цивилизация, с которой мы могли бы установить связь. Итак, два основных фактора, дающих основания для оптимизма в этом вопросе — обнаружение экстремофилов, то есть микроорганизмов, способных существовать в условиях, еще в мои студенческие годы считавшихся немыслимыми для жизни, и открытие огромного количества экзопланет на орбитах вокруг многочисленных звезд, в том числе в зонах, делающих их потенциально пригодными для возникновения и развития живых существ. На данный момент можно с уверенностью утверждать, что в галактике Млечный Путь планет больше, чем звезд: в среднем на каждую звезду приходится около двух с половиной планет.

Большинство звезд значительно меньше и тусклее нашего Солнца. Пока достоверно неизвестно, могут ли планеты в их окрестностях обладать условиями, действительно пригодными для жизни. Чтобы получать достаточное количество тепла от скудного света такой звезды, орбита ее спутника должна пролегать к ней очень близко, в пределах так называемой «зоны обитаемости». Кроме того, мы не можем быть уверенными в том, что такие планеты в состоянии удерживать атмосферу.

В прошлом году было совершено потрясающее открытие: в «зоне обитаемости» ближайшей к Солнцу звезды — Проксимы Центавра — удалось обнаружить землеподобную планету. Таким образом, у нас появилась исследовательская лаборатория в соседнем гараже. Астрономы наперебой спорят о том. какие из уже существующих или доступных в ближайшем будущем инструментов мы можем использовать для изучения свойств этой интересной системы.

Еще одно недавнее открытие удивило ученых не меньше: у небольшой и очень тусклой звезды TRAPPIST-1 обнаружили сразу 7 планет. Все «семейство» располагается так близко к своему светилу, что орбита даже самой дальней из этих планет легко уместилась бы внутри орбиты Меркурия (ближайшей к Солнцу планеты). С точки зрения размеров такая система больше напоминает Юпитер с его спутниками, нежели наше Солнце и каменистые тела Солнечной системы, однако и по этой причине она представляет собой уникальный предмет научного интереса для астрономов.

Нас, сотрудников проекта SETI, в первую очередь интересуют три планеты, находящиеся в «зоне обитаемости» TRAPPIST-1. Это связано с тем, что, проходя по своим орбитам, две из них иногда располагаются по отношению к наземным наблюдателям таким образом, что, если на них существуют общающиеся между собой цивилизации, мы смогли бы перехватить посылаемые ими друг другу сигналы.

Несмотря на то, что мы никогда не видели в подробностях обнаруженные экзопланеты, это не мешает астрономам строить догадки о том, какими они могут быть. Ученые даже сформировали целый каталог потенциально пригодных для жизни объектов и вывели так называемый «индекс пригодности для обитания». Тем не менее, нам предстоит собрать еще немало сведений об этих мирах, чтобы на основании полученных данных составить полное представление об условиях, господствующих на их поверхностях.

Наверняка многие уже неоднократно слышали словосочетание «космический контекст». Мои коллеги часто используют это понятие, и я считаю принципиально важным донести его значение до каждого. Нам следует уточнить, что именно мы понимаем под словами «здесь» и «сейчас». Я уверена, что от этого понимания во многом зависит наше будущее.

Итак, вот что такое -здесь- с астрономической точки зрения. Наше Солнце — одна из сотен миллиардов звезд в одной из 200 млрд галактик в обозримой Вселенной. Не исключено, что за пределами нашей Вселенной существуют мириады других, то есть доступный нам мир — лишь часть Мультивселенной. На потрясающем воображение снимке космического телескопа Hubble, называемом «Глубоким полем» (Hubble Deep Field), мы видим бесчисленное множество галактик самых разнообразных форм и размеров. Некоторые из них ближе и ярче, другие – дальше и тусклее. Стоит помнить и о том, что ввиду ограниченности скорости света, разглядывая их, мы смотрим не только сквозь большие расстояния, но и сквозь эпохи — назад в прошлое. Это подводит нас к пониманию идеи «сейчас» в астрономических масштабах. В данный момент мы обнаруживаем себя на одном из этапов непрекращающейся эволюции Вселенной, чей возраст уже насчитывает около 13,8 млрд лет на пути от Большого Взрыва к гипотетическому Большому Разрыву.

Такой контекст понятий «здесь» и «сейчас» – своего рода «миф о творении» для ученых, но из всех когда-либо сложенных мифов он ближе всего к истине. Логично ожидать, что с течением времени, по мере поступления новых данных, в него будут вноситься дополнения и изменения. Тем не менее, от прочих мифов такой сценарий отличает внутренняя согласованность, позволяющая нам сложить обоснованное представление о том, кто мы такие и где находимся.

А теперь позвольте вернуться к Третьему закону Кларка. Следует помнить о том, что, хоть мы и стараемся полностью использовать потенциал проекта SETI для поиска внеземного разума, мы не имеем ни малейшего понятия о том, каким образом этот разум можно напрямую обнаружить. Едва ли мы смогли бы узнать о существовании высокоразвитой и невероятно разумной цивилизации существ, напоминающих, например, дельфинов или китов-поэтов.

Все дело в том, что — и об этом не стоит забывать — в своих поисках мы полагаемся исключительно на технологические инструменты. Проект SETI использует современные технические приборы, разработанные физиками и астрономами XXI столетия, для обнаружения признаков присутствия инопланетных технологий. При этом нам вовсе не нужно знать наверняка, для чего именно такие технологии предназначены. Более того, они могут оказаться совершенно нам непонятными, действительно напоминающими магию. Тем не менее, исследования окружающего пространства в различных диапазонах электромагнитного спектра — инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и тд. — вполне способны привести к фактическому открытию признаков использования таких технологий иными цивилизациями.

Несомненно, возможность успеха такого проекта, как SETI, напрямую зависит от того, есть ли вообще во Вселенной кто-то, кроме нас. Но, помимо этого, принципиально важна продолжительность существования цивилизаций, обладающих потенциально детектируемыми технологиями. Если наше собственное будущее подтвердит, что технологическое развитие позволяет стабилизировать условия жизни разумных существ и способствует их выживанию, то у нас появится шанс. Значение этого фактора сложно переоценить, поскольку для успешности проекта, кроме достаточной пространственной близости технологически развитых цивилизаций, важна также одновременность их существования. Такие цивилизации должны делить не только один регион нашей Галактики, но и временной период в ее истории, насчитывающей уже около 10 млрд лет.

Наша технологическая цивилизация возникла совсем недавно в очень старой звездной системе, и мы не знаем наверняка. возможно ли для подобных цивилизаций просуществовать достаточно длительное время, чтобы успеть установить контакт еще с кем-то. В этом заключается один из самых главных вопросов, пока остающихся без ответа.

Каким же образом мы собираемся искать другие технологические цивилизации? Например, мы могли бы обнаружить физические артефакты – сообщения, передаваемые с помощью гравитационных волн или потоков нейтрино. Однако эти области пока не настолько развиты, чтобы надеяться на успех в ближайшем будущем, и нам остается уповать на усердие коллег-астрономов, занимающихся разработкой таких технологий. Все, что мы можем в данный момент — регистрировать послания в виде сигналов, закодированных в электромагнитном излучении.

Но даже при такой ограниченности доступных инструментов масштабы предприятия просто необъятны. В поисках «иглы» нам приходится перебирать по соломинке огромный стог «космического сена». Усложняет проблему то, что этот «стог» обладает девятью «измерениями». Три их них — пространственные, одно — временное; когда речь идет об электромагнитном излучении — оно характеризуется двумя видами поляризации… далее, мы понятия не имеем, на какой частоте искать сигнал и каким образом передаваемая информация может быть закодирована, какая схема модуляции может быть использована и, соответственно, как построить подходящий фильтр. Наконец, нельзя ничего сказать о том, насколько далеко располагается передатчик — это определяет мощность сигнала от него и уровень чувствительности, который должно иметь наше оборудование, чтобы его зарегистрировать. Таким образом, мы можем «угадать» все первые восемь параметров, но все равно не сумеем засечь сигнал лишь потому, что чувствительность наших приборов окажется недостаточной.

Что же именно мы ищем? Сигналы, явно не имеющие естественной природы, очевидно и однозначно искусственно созданные, не похожие ни на какие природные явления. Абсолютное большинство сигналов, регистрируемых нашим оборудованием, излучается в ходе различного рода астрофизических процессов и относится к разряду фоновых шумов. На схеме, где по оси X отложена частота, а по оси Y – время наблюдений, на фоне шума заметно выделяются два пика. Нечто подобное мы и ищем. К слову, в таком виде при «взгляде» в радиотелескопы иногда предстает планета Марс, когда автоматические аппараты, работающие на ее поверхности, передают данные наземным центрам Дальней космической связи.

Как же отличить искусственно созданный сигнал? Существует два основных способа. При сканировании радиоволн мы ищем признаки экстремального сжатия по частоте, пытаясь обнаружить в одном из десятков миллиардов различных радиоканалов «послания- в максимально узком диапазоне. В видимом же спектре мы ищем сигналы, сильно сжатые по времени — периодические вспышки очень яркого света, длящиеся наносекунду или меньше. Подобные вспышки мог бы излучать инопланетный лазер. С другой стороны, такой прибор мог бы посылать не импульсный, а непрерывный сигнал. Поиском этих признаков существования внеземного разума сейчас и занимается наш проект.

Как верно отметил в своей лекции Роберт Вилсон. тем. кто изучает космос, очень полезно иметь собственный телескоп – это позволяет пробовать новые направления поиска. Благодаря помощи Пола Аллена Институт SETI недавно ввел в эксплуатацию первую очередь комплекса радиотелескопов АТА (Allen Telescope Array) в Северной Калифорнии, насчитывающую 42 антенны. Проект АТА должен стать начальным этапом, за которым последует строительство множества антенн меньшего размера, объединенных в единую сеть, симулирующую работу одной огромной «тарелки» и подключенную к достаточным вычислительным мощностям, что позволит нам обрабатывать принимаемую информацию в режиме реального времени. Такие меры необходимы, чтобы ученые могли отделить потенциальный сигнал внеземной цивилизации от шума, создаваемого нашими собственными средствами связи. Как только такой сигнал будет замечен, мы сможем сразу же отследить его источник.

Примеры того, как работают подобные системы, давно доступны. Например, с помощью наших инструментов можно заметить сигнал от 6-ваттного передатчика на борту покидающего Солнечную систему зонда Voyager 1. Сейчас он является самым удаленным объектом, созданным человеком: он уже в 140 раз дальше от нас, чем Солнце. Тем не менее, его радиопередача легко обнаруживается нашими алгоритмами, созданными для поиска искусственных сигналов, и используется для отладки оборудования.

Наши планы на будущее включают расширение диапазона частот для поиска сигналов, своей модуляцией или периодичностью выделяющихся на фоне шума, создаваемого астрофизическими источниками. Для их реализации нам необходимо задействовать машинное обучение. С этой целью мы совместно с компанией IBM две недели назад объявили конкурс, в котором могут принять участие все желающие разработчики соответствующих программ.

Несколько лет назад Юрий Мильнер и фонд Breakthrough Prize выделили 10 млн долларов на десятилетний проект развития исследовательского центра SETI в Беркли, включающий использование наблюдательного времени на существующих радиотелескопах и сооружение нового оборудования для одновременной обработки сигналов, поступающих на разных частотах. На данный момент такое оборудование устанавливается на телескопы Национальной радиоастрономической обсерватории (Западная Вирджиния. США) и в австралийском штате Новый Южный Уэльс. Кроме того, для наблюдений в видимом диапазоне зарезервировано 30 ночей в год на телескопе APF — «Автоматический искатель планет» — в Ликской обсерватории в Калифорнии. В рамках проекта также подписан меморандум о сотрудничестве с руководством нового радиотелескопа FAST (Сферический радиотелескоп с пятисотметровой апертурой), недавно построенного на юге Китая, телескопа КАТ-7 в Южноафриканской Республике и радиотелескопа им. Лоуэлла в Чешире (Северо-Западная Англия). В дальнейшем для этих инструментов тоже разработают и установят усовершенствованное оборудование. Дополнительно, будут созданы специальные системы сжатия данных для передачи информации в облачные сервисы, где ее смогут обрабатывать волонтеры и вообще все интересующиеся астрономией.

Уже существующая программа для привлечения аматоров SETI@home по-прежнему ведет обработку данных, поступающих с радиотелескопа Аресибо. Помимо этого, телескоп L0FAR в Нидерландах занимается регистрацией кратковременных событий на низких частотах, потенциально представляющих интерес для проекта SETI.

В Италии существует группа под названием SETI Italia, работающая на 32-метровом радиотелескопе обсерватории Медичина. В Южной Калифорнии одну из старых антенн сети Дальней космической связи перевели под руководство образовательного учреждения, и теперь студенты используют ее для своих исследований в радиодиапазоне. Вдобавок в Японии группы радиоастрономов и специалистов, ведущих наблюдения в оптическом диапазоне, осуществляют совместный мониторинг одних и тех же объектов на регулярной основе.

Концепция включения в SETI видимого диапазона возникла практически в то же время, когда начались радионаблюдения, но фактическую реализацию эти планы получили только в начале нынешнего века, когда появились и стали доступными технологии, позволяющие подсчитывать фотоны на временных промежутках порядка наносекунды (миллиардной доли секунды). С их помощью исследователи – в основном на базе университетов и научных учреждений — ищут на небе короткие и очень яркие вспышки света. Например, студенты Гарварда самостоятельно соорудили инструмент, используемый ими в рамках проекта Sky Survey, а ученые из Университета Беркли работают со спектрометром HIRES в обсерватории Мауна Кеа на Гавайях. Кроме того, к поискам подключен ранее упомянутый APF в Ликской обсерватории и некоторые частные телескопы. Мы также используем данные, полученные инфракрасной космической обсерваторией WISE, для поиска признаков существования цивилизаций II или III типа.

Наблюдения в видимом свете все больше смещаются в сторону ближнего инфракрасного диапазона, поскольку в этой части спектра космические пыль и газ мешают исследованиям заметно меньше. Ведя поиск сигналов искусственного происхождения, мы очень рассчитываем, что наши коллеги-астрономы помогут нам выделить излучение, на самом деле испускаемое естественными астрофизическими объектами – например, такими, как пульсары. регулярно меняющие периодичность.

Транзитным методом можно обнаружить прохождение по звездным дискам тел, имеющих несферическую форму. «Фабрика по производству нейтрино», построенная развитой цивилизацией на орбите вокруг звезды, могла бы повлиять на периодичность изменения светимости цефеид — хорошо изученных астрофизических «маяков». Смена периода пульсаций (коротких и длинных циклов) может использоваться как своего рода азбука Морзе для передачи сигналов практически куда угодно, например, внутри скопления галактик Девы.

Недавно канадский писатель-фантаст Карл Шредер (Karl Schroeder) предложил альтернативную формулировку Третьего закона: «Любая достаточно развитая технология неотличима от творения природы». Такая версия, по его мнению, объясняет отсутствие результатов проекта SETI, а также накладывает ограничение на направление технологического развития цивилизации, существующей долгое время: она должна найти способ полностью утилизировать избыточное тепло и излучение, являющиеся побочными эффектами использования высокоразвитых технологий. Именно это, в его представлении, объясняет, почему мы до сих пор не смогли обнаружить такие «выбросы».

В недавней работе группа ученых предложила новую классификацию планет, разделив их на 5 типов. Последний тип в этой схеме характеризуется повсеместным использованием высоких технологий для предупреждения поглощения поверхностью теплового излучения материнской звезды. Такая цивилизация должна была бы полностью покрыть свою планету солнечными батареями для преобразования энергии, поступающей извне. Кроме того, население могло бы воспроизводить и подстраивать условия на ней под свои потребности и нужды.

По мере того, как мы начинаем изучать близлежащие экзопланеты с помощью новейших и мощнейших телескопов, я все чаще задаюсь вопросом: что же нам следует искать, чтобы обнаружить такие «идеально управляемые» миры? По моему мнению, мы могли бы заметить, например, необычное альбедо — блик света, отраженный от устилающей поверхность системы солнечных батарей.

Другим признаком искусственного вмешательства может стать «неправильная» температура, которую невозможно было бы объяснить, учитывая расположение орбиты планеты. Это могло бы означать, что климатические условия на ней специально изменены для соответствия потребностям населяющей ее цивилизации. Еще один вариант — в планетной атмосфере не наблюдается экстремальных погодных явлений. Пока сложно сказать, как именно можно зарегистрировать отсутствие сильных перепадов давления и штормов на удаленной экзопланете, но, думаю, эта идея тоже заслуживает внимания. Кроме того, развитая цивилизация могла бы уравновесить широтные изменения климата, сделав условия на своей планете неестественно однородными от полюсов к экватору. Наконец, если бы мы заметили необычное скопление похожих друг на друга миров в одном небольшом регионе пространства — это точно свидетельствовало бы о необходимости присмотреться к нему на предмет потенциального техногенного вмешательства.

Конечно же. давно известным способом обнаружения высокоразвитой цивилизации является ослабление излучения родительской звезды планетной системы вследствие наличия конструкций типа «сферы Дайсона».

Еще один вариант развития событий был предложен философом Ником Востромом (Nick Bostrom). К той же идее в своем выступлении ранее подводил Мартин Рис (Martin Rees): возможно, мы обнаружим пост-биологический мир. Эта идея вновь обращает наше внимание на активно обсуждаемые вопросы, связанные с этическими аспектами и средствами контроля за созданием разумных машин нами самими. Я думаю, если бы Ник Востром сформулировал свою версию Третьего закона, она звучала бы приблизительно так: «Любая достаточно развитая технология неотличима от цели, внесенной в программу недостаточно ограниченного и сдержанного сверхразумного андроида». Неверно сформулированная цель может обратить выполнение любой изначально полезной задачи в катастрофу: если запрограммировать такого робота на производство скрепок, он превратит в скрепки и фабрики по их производству все, что попадется на его пути.

Я считаю, что нашей предсказательной способности может оказаться недостаточно, чтобы выдвинуть верные предположения о том, какими могут быть миры, пошедшие по этому пути. Но не исключено, что мы сможем понять, где их искать. Как верно заметил Мартин Рис, такие цивилизации не обязаны больше оставаться на поверхности своих планет. Тем не менее, очевидно, они все равно нуждаются в источниках энергии. Возможно, мы обнаружим своеобразные «процессоры-матрешки» вокруг звезд — системы, в которых избыточное тепло, вырабатываемое внутренними слоями структуры, используется последующими слоями для поддержания их собственной активности. Подобные системы выделяли бы очень мало тепловых выбросов. В таком случае, может быть, нам удалось бы зарегистрировать обмен информацией между такими структурами.

Какие же источники могли бы питать эти колоссальные «матрешки»? Например, достаточно энергии для них теоретически способен предоставить поток фотонов от бешено вращающегося аккреционного диска у горизонта событий черной дыры. А может быть, они научились «утилизировать» мощные взрывы сверхновых или излучение нейтронных звезд. Кроме того, у нас пока нет вразумительного объяснения существования планет на орбитах вокруг пульсаров: как они пережили смерть своей звезды, или же каким образом сформировались после нее?

Думаю, в решении многих подобных животрепещущих вопросов будущее – за проектами по запуску миниатюрных исследовательских аппаратов, наподобие Breakthrough Starshot. Dragonfly или Starwisp. Тем более что эти перспективные программы могли бы значительно расширить наши знания даже о собственной Солнечной системе.

Пока мы знаем очень мало, а потому имеем массу несомненных причин продолжать постоянные поиски сигналов иных цивилизаций со всех возможных направлений и на всех доступных частотах. Мы с нетерпением ждем подключения к нашим исследованиям оптических телескопов, которые будут осуществлять непрерывный мониторинг всех участков небесной сферы. Планируется сооружение шести таких обсерваторий с минимум четырьмя камерами каждая. Кроме того, еще в шести точках по всей планете установят запасные инструменты. Такое распределение телескопов позволило бы вести постоянные наблюдения всего неба.

Кроме того, в стадии разработки находится проект нового устройства в виде геодезического купола, укрытого сенсорами, улавливающими излучение как видимого, так и инфракрасного диапазона. Эта система сможет наблюдать большую часть неба в течение почти всего темного времени суток. Очевидно, активное развитие фотоэлектроники сделает реализацию такого проекта возможной уже в ближайшем будущем.

Но если все же, несмотря на все наши усилия, мы так и не зарегистрируем вожделенный сигнал? Несомненно, такой исход тоже серьезно повлияет на представления человечества о его месте во Вселенной. Однако до того, как мы сможем однозначно сказать, одиноки мы или нет, нам предстоят долгие и усердные исследования — и я думаю, что если и есть мероприятия, достойные вовлечения всех и каждого жителя Земли, то поиск внеземной жизни совершенно точно к ним относится. Сделайте на минутку шаг назад и взгляните на себя со стороны. Как ничто иное, проект SETI способствует пониманию землянами своего единства и подобия. Он демонстрирует, что найти ответ на большой вопрос, стоящий перед всеми нами, можно лишь сообща, отбросив различия и разногласия. Поэтому в заключение я хочу процитировать астронома Калеба Шарфа: «В условиях нашего ограниченного мира взгляд с космической точки зрения — не роскошь, а необходимость».