Элизабет Таскер - Фабрика планет. Экзопланеты и поиски второй Земли

Допустим, мы нашли твердотельную планету размером с Землю, которая обращается вокруг звезды в зоне умеренных температур. Планета находится так далеко, что никакой космический аппарат не доберется до нее в течение нашей жизни, но при этом у нас есть возможность изучать ее атмосферу при прохождении по диску звезды. Как определить, что на этой планете развилась жизнь?

Идеальное решение — наблюдать за планетой, о наличии жизни на которой нам достоверно известно, и выявить ее признаки. По счастливой случайности такая возможность представилась аппарату «Галилео» на его пути к Юпитеру. Согласно первоначальному плану NASA, зонд должны были запустить из грузового отсека космического челнока «Атлантис». С помощью мощного разгонного блока «Галилео» мог быть выведен на прямую траекторию к внешней части Солнечной системы. Однако из-за трагической гибели «Челленджера» в 1986 г. были введены новые строгие правила безопасности, запрещавшие доставку полностью заправленного топливом блока внутри космического челнока к месту пуска. В итоге запущенный с «Атлантиса» в 1989 г. «Галилео» получил значительно меньшее ускорение, чем ожидалось.

Чтобы аппарат все-таки смог добраться до Юпитера, его направили по траектории, проходившей вблизи Венеры и Земли. Пролетая на небольшом расстоянии, аппарат получил дополнительное ускорение от гравитации планет, выступивших в роли ракеты-носителя. Такие разгоны называют гравитационными маневрами и часто используют для сокращения количества топлива, требуемого для того, чтобы добраться до какой-либо области в межпланетном пространстве.

Для «Галилео» сближение с Землей не прошло зря. Повернув камеры в нашу сторону, космический аппарат в течение некоторого времени наблюдал за Землей из космоса. Если бы мы не смогли сделать вывод о наличии на Земле бьющей ключом жизни с расстояния всего лишь 1000 км, надеяться на раскрытие тайн далеких миров, находящихся в десятках световых лет от нас, вряд ли бы стоило. Но что именно мы искали и увидели?

Жизнь — не пассивный довесок к нашей планете. Такие процессы, как фотосинтез, дыхание и разложение, оставляют свой след в составе атмосферы. «Галилео» должен был найти нечто такое, что все формы жизни — от разумных существ до микроорганизмов — вырабатывают в количествах, которые позволят обнаружить это либо в атмосфере, либо фиксируя изменения в глобальных характеристиках планеты. Иными словами, целью «Галилео» были биомаркеры.

Анализируя диапазон длин волн, поглощаемых нашей атмосферой при прохождении через нее солнечного света, приборы на «Галилео» смогли определить состав молекул в земной атмосфере, обнаружив четкие признаки наличия в ней двух побочных продуктов жизни — кислорода и метана. Также были найдены следы воды: анализ света, отражаемого поверхностью нашей планеты, показал возможность обнаружения воды в твердой, жидкой и газообразной формах, указывающих на круговорот этого вещества на планете. Кроме того, «Галилео» зафиксировал упорядоченные радиосигналы, свидетельствующие о наличии разумной жизни. А если бы ему не удалось уловить радиосигналы, хватило бы полученных данных для вывода о существовании на планете определенных форм жизни? В 1993 г. коллектив исследователей под руководством американского астронома и популяризатора науки Карла Сагана подготовил статью для журнала Nature , в которой обобщались результаты эксперимента. Саган и его коллеги были весьма осторожны в оценках, заявив, что выявленные Галилео признаки «позволяют высказать обоснованное предположение о наличие жизни на Земле».

Если рассматривать Землю в качестве эталона, может создаться впечатление, что кислород служит идеальным биомаркером. С момента появления 2,5 млрд лет назад цианобактерий наша атмосфера наполнялась кислородом, выделяемым фотосинтезирующими растениями, водорослями и бактериями. Это привело к развитию более сложных — многоклеточных — организмов, которые нуждаются в значительном количестве молекул кислорода. В отсутствие жизни легко вступающий в реакции кислород оказался бы поглощен в процессе окисления богатых железом вод, а также образования углекислого газа и воды из вулканических газов. Доля кислорода в нашей атмосфере, составляющая 21%, поддерживается благодаря тому, что его запасы постоянно пополняются из биологических источников.

Учитывая, что главное внимание при поиске поверхностных форм жизни мы уделяем мирам в зонах умеренных температур, основным источником энергии на них должен быть свет звезды. Кажется логичным допустить, что жизнь на такой планете должна воспользоваться этим источником, а значит, на ней должны развиться способные к фотосинтезу организмы. Несмотря на существование форм фотосинтеза, которые не приводят к образованию кислорода, именно этот газ, по крайней мере на Земле, является главным побочным продуктом этого процесса. Таким образом, можно предположить, что атмосферы обитаемых миров должны быть богаты кислородом.

Загвоздка в том, что жизнь — не единственный источник кислорода. Молекулы воды в атмосфере могут расщепляться на водород и кислород под воздействием ультрафиолетового излучения звезды. При этом легкий водород может покидать планету, как это происходит в скудных атмосферах покрытых льдом спутников Юпитера, обеспечивая высокое содержание кислорода. Интенсивнее всего этот процесс может протекать на планетах, обращающихся вокруг красных карликов, то есть в мирах, которые легче всего изучать в силу близости зоны умеренных температур к тусклой звезде. При отсутствии на планете геологической активности, обеспечивающей выброс газов, которые бы могли вступать в реакцию с кислородом и выводить его из атмосферы, на ней может сформироваться ложный кислородный биомаркер.

Но, если кислород не может служить надежным признаком жизни, почему бы не обратить внимание на метан? Почти весь метан на Земле является продуктом жизнедеятельности микробов, живущих в кишечнике животных, трясинах и болотах, а также участвующих в разложении остатков растений. Чтобы метан сохранялся в нашей атмосфере, запас его, как и запас кислорода, должен постоянно пополняться. В отсутствие постоянного источника запас метана истощится в результате реакции с кислородом, приводящей к образованию воды и углекислого газа, и расщепления под действием звездного ультрафиолета с последующим преобразованием в более сложный этан. Если то количество метана, которое содержится сейчас в атмосфере Земли, не будет пополняться, уже через 10 лет от него ничего не останется. Таким образом, наличие в атмосфере планеты метана должно свидетельствовать о регулярном пополнении его запасов из какого-то источника.