Когда астрономы создают каталоги тысяч планет за пределами нашей солнечной системы, они задаются вопросом, возможна ли жизнь на этих планетах, и обитаемы ли они. Мало кто задумывался над этим серьезнее, чем Виктория Мидоуз (Victoria Meadows), астробиолог из Вашингтонского университета. Она занимается компьютерным моделированием атмосфер и поверхностей планет и является ведущим исследователем в команде Виртуальной планетарной лаборатории Астробиологического института НАСА. Основная цель ее работы — определить, были ли экзопланеты когда-либо обитаемыми, есть ли на них жизнь сейчас, и может ли она появиться в будущем. Мидоуз с коллегами играет в Космическую тестовую кухню, чтобы изучить результаты различных биологических и геологических условий («Допустим, у меня есть модель, воссоздающая Землю. Я убираю ее звезду-желтого карлика, Солнце, и заменяю, скажем, на красного карлика. Что произойдет с земной атмосферой?»)
Nautilus побеседовал с Мидоуз о том, чем живой мир может себя выдать.
Nautilus: Если бы пришельцы из космоса пытались нас обнаружить, что именно они бы искали? По каким признакам они смогли бы утверждать, что на Земле есть жизнь?
Виктория Мидоуз: Они могли бы делать то же самое, что сейчас делаем мы. Начинаем с изучения доступной нам информации о базовых физических свойствах и об орбите планеты. Мы ищем ответы на два основных вопроса. Во-первых, относится ли эта планета к земной группе? Если ли на ней твердая поверхность, на которой размещается океан? Во-вторых, находится ли планета на подходящем расстоянии от звезды. Это пространство, внутри которого на поверхности землеподобной планеты может иметься вода в жидком состоянии, мы называем обитаемой зоной, хотя нет никаких гарантий, что вода там есть.
Еще одна область нашей работы — изучение эволюции планеты и ее звезды в течение долгого периода времени, чтобы попытаться понять, на что она может быть похожа в настоящий момент. Это важно, потому что звезды проходят через последовательность эволюционных процессов. Главное отличие этих маленьких ребят, красных карликов, в том, что у них есть период, когда они уменьшаются в размерах и становятся очень яркими. Любая планета, сформированная в обитаемой зоне такой молодой сверхъяркой звезды, в отрезок времени, когда она возвращается к нормальному уровню яркости, подвергается воздействию высокой радиации. От жара звезды испаряются океаны, что в теории может привести к очень высокому уровню содержания в атмосфере либо кислорода, либо углекислого газа, как на Венере. Строго говоря, это планета, расположенная в обитаемой зоне, но по итогам своего развития имеющая чересчур много углекислого газа в атмосфере, чтобы быть обитаемой.
— Хорошо, предположим, планета отвечает всем критериям. Что дальше?
— Ищем признаки обитаемости планеты, биологические подписи — своеобразные глобальные изменения окружающей среды, возникшие не из-за процессов самой планеты. Поскольку мы пытаемся обнаружить жизнь на невероятно далеком расстоянии до ближайшей звезды, признаки жизни должны быть глобальным явлением. Изменения окружающей среды на планете должны быть достаточно велики, чтобы мы смогли увидеть их с большого расстояния.
На Земле есть три основных признака жизни. Один — обильный кислород, которым вы дышите прямо сейчас, он вырабатывается благодаря миллиардам лет работы цианобактерий, а также растительности. Второй признак вы увидите, если посмотрите на спектр отражения Земли — то, как планета отражает свет на разных длинах волн. Вы можете заметить это странное явление в любой момент наблюдений. Более длинные волны, которые обычно находятся за пределами видимости, становятся хорошо различимы, и это называется красным барьером растительности. На длинах волн вне области фотосинтеза у растений появляется высокая отражательная способность. Можно искать и это явление.
Третий признак — ежегодный круговорот углекислого газа на нашей планете. Уровень диоксида углерода со временем растет. Наблюдается колебание вверх и вниз, в зависимости от времени года. Это связано с фотосинтезом растений, которые сначала уменьшают объемы углекислого газа, а потом снова их увеличивают, когда погибают зимой. Если вы наблюдаете за планетой, вращающейся вокруг звезды, вы вполне можете увидеть эти колебания.
— И много они узнали бы о нашей планете?
— На самом деле, довольно много. Я бы хотела посмотреть на то, что называется отблеском. И еще на все фазы Земли, включая полуфазу и фазу серпа. Я бы измерила яркость планеты. Я бы отметила, что, приближаясь к фазе серпа, она становится аномально яркой по сравнению со средним значением яркости, наблюдаемым ранее. «О, это странно», — сказала бы я. В окружающей среде должно быть нечто, что рассеивает свет. Это облака. Они рассеивают свет, проходящий сквозь них. И я бы смотрела на отблеск — зеркальное отражение от океана, состоящего из жидкого вещества. Увидев это отклонение от нормы, я бы решила: «Теоретически, я смотрю на нечто с жидкой водой на поверхности».
Мне говорят: «Вы же просто создаете модели. Откуда вам знать, что все так и есть?» У нас был орбитальный космический аппарат для наблюдения за лунными кратерами. Он изучал Луну и, в конечном счете, рухнул на нее. Но до аварии он передал целую пачку видов Земли, снятых с далекого расстояния. На одной из фотографий можно видеть земной серп с отблеском от океана. Его действительно видно. Это подтвердило, что наша модель верна.
Потом я бы получила результаты многоволновой фотометрии. В течение некоторого времени наблюдала бы разные длины волн, разные цвета спектра. Смотрела бы, как подо мной вращается планета. Если делать наблюдения каждый час, то вид каждый раз будет разный. Начинаешь замечать, что цвет и яркость Земли меняются. Эти изменения на разных длинах волн можно использовать, чтобы составить карту планеты. Можно ограничивать такие факторы, как наклон полюса орбиты, вне зависимости от того, есть ли на планете материки. И можно поискать гетерогенность.
— Возвращаясь к поиску внеземной жизни: как за последние годы поменялись наши трактовки биоподписей?
— Раньше все говорили: «В атмосфере столько O2, он никак не мог появиться в результате геологических или фотохимических процессов. Это явная биоподпись. Вам надо просто искать кислород. Готово. Получите Нобелевскую премию». Однако не только жизнь может выделять в атмосферу столько кислорода. Моя команда работает над рядом различных механизмов на основе фотолиза — разложения молекул светом. Фотолиз воды или CO2 высвобождает из молекул кислород. Он может свободно находиться в пространстве или же комбинироваться в форму газа O2. Тогда и появляется кислород в атмосфере.
Так что просто обнаружить кислород недостаточно. Необходимо понимать, что это система взаимодействий, в которой одни механизмы могут работать, а другие — нет. Например, если вы нашли высокое содержание O2 и одновременно метана, это значит, что на планете имеются очень сильные потоки обоих газов, ведь метан — это простейший газ, который поглощает O2. Вероятно, это и есть биоподпись, которую вы ищете.
— Вам приходится исходить из того, что жизнь в космосе похожа на нас?
— Мы сосредоточились на кислороде, потому что нам проще всего установить его наличие, мы делаем анализ ложных срабатываний. Как говорится, мы с головой погрузились в разнообразие биоподписей. Было бы здорово найти какую-нибудь необычную молекулу.
Но мы должны понимать, что надо уметь интерпретировать то, что изучаем. Член моей команды Боб Бланкеншип (Bob Blankenship) занимается эволюцией фотосинтеза и ее ходом на Земле, чтобы понять, возможна ли она и в других планетарных системах. В процессе фотосинтеза поглощается свет звезды и углекислый газ, а вода разлагается, в результате чего производится энергия. Это коронная способность растительных организмов. Фотосинтез действует, используя тип энергии, которого больше всего на поверхности планеты, то есть свет от звезды, а также очень распространенные молекулы воды и углекислого газа, которые, как мы считаем, доступны на обитаемой планете в изобилии. Если эволюция работает, то представьте себе организм с таким эволюционным преимуществом: он бы захватил всю планету.
И это подает мне знак. Я ищу метаболических победителей, способных доминировать в окружающей среде и производить сигналы. Кислородный фотосинтез может быть одним из их выигрышных билетов. Если эволюция действует, то нечто подобное дает явное эволюционное преимущество, и, следовательно, такие организмы можно увидеть в телескоп как глобальную доминанту. Вот что мне нужно: мировое господство!
— Это меняет объекты поиска?
— Да. Это влияет на конструкцию телескопов, в особенности, на диапазон длин волн, используемых для поиска молекул в атмосферах планет. Недостаточно просто разработать телескоп для поиска кислорода. Нужен телескоп, при помощи которого можно наблюдать и множество других молекул.
Космический телескоп Джеймса Уэбба, который планируется запустить в 2018 году, имеет большую площадь перехвата энергии, и с его помощью мы сможем изучать планеты в обитаемых зонах красных карликов в движении. «Джеймс Уэбб» впервые даст нам шанс искать жизнь при помощи спектроскопии пропускания, изучая верхние слои атмосфер этих планет. Возможно, на протяжении всего срока проекта мы сможем наблюдать всего за несколькими целями. Но мы действительно сможем установить свет звезды, прошедший сквозь атмосферу и измененный ей. Мы увидим, что находится в атмосфере. Ура!"
