Где-то в неведомой дали вращается вокруг звезды обитаемая планета. Живет на ней динамично развивающаяся экосистема процветающих простых организмов — бактерий. Это жизнь без разума и сознания, но главное — сама планета живая, она представляет собой активный мир с океанами жидкой воды, континентами, горами и вулканами, объединенными посредством геофизических, химических и биологических циклов. По нашим представлениям, у нас в Галактике могут быть миллионы или даже миллиарды таких планет.

Что заставляет меня, астронома, всерьез размышлять о возможности существования жизни в Галактике? Три причины. Во-первых, теперь мы знаем, что маленькие планеты — обычное дело. Во-вторых, вода, обязательное требование любой жизни, распространена повсеместно. В-третьих, оказывается, ингредиенты живой материи формируются легко.

В нашей Галактике великое множество планет. Астрономы различными методами уже обнаружили тысячи планет, подтвержденных и кандидатов. Более того, имеются убедительные свидетельства того, что у всех звезд есть планетарные системы. Да и при наблюдениях за очень молодыми звездами любого типа вокруг них обнаруживаются диски остаточной пыли и газа, из которых, видимо, будут сформированы планеты. Передовой телескоп «Кеплер», выведенный на орбиту в 2009 г. и продолжающий выполнять свою миссию, позволил открыть тысячи маленьких каменистых планет и кандидатов в планеты. Одна из пяти или десяти солнцеподобных звезд может иметь планету примерно земного размера на удачной орбите, где ее поверхность нагревается светом звезды не слишком сильно и не слишком слабо, а именно так, как нужно для живых организмов.

Вода — чрезвычайно распространенное вещество, и некоторые ученые полагают, что все планеты в системе звезды имеют ее изначально. Вода заключена в минералах, доставляемых так называемыми планетезималями — мелкими объектами из камня, пыли, льда и других веществ, которые, объединяясь, формируют каменистые планеты. При их объединении выделяется столько энергии, что вода высвобождается из минералов. После бурного периода формирования планета остывает, и из водяного пара может образоваться океан. Кроме того, вода попадает на планету в виде льда с кометами и астероидами. Некоторые планеты лишаются водных океанов, будучи слишком горячими или расположенными слишком близко к звезде, создающей мощный звездный ветер, но, в общем, планет с жидкой водой должно быть много.

В самых разных средах мы обнаруживаем ингредиенты жизни — органические молекулы, строительные блоки живой материи. Наземные радиотелескопы позволили астрономам зафиксировать присутствие крупных органических молекул в облаках холодного газа глубоко в межзвездном пространстве. Аминокислоты, биологически значимые молекулы, играющие главную роль в земной жизни в качестве белков и посредников при метаболизме, были выявлены в различных метеоритах с высоким содержанием углерода. Даже на очень холодном Титане, одном из спутников Сатурна, имеются молекулы, состоящие из элементов, которые необходимы для жизни, какой мы ее знаем.

Некоторые биологи раздраженно оспаривают мое мнение, что в нашей Галактике может быть множество обитаемых планет. В конце концов, мы не понимаем, как зародилась жизнь на Земле, — откуда же такая уверенность, что она существует еще где-то, более того, является повсеместной? Помимо трех вышеприведенных убедительных аргументов я опираюсь на размышления и даже мечты — я это признаю, — поскольку отношусь к первому поколению ученых, вплотную приблизившихся к открытию микробиотической внеземной жизни. Совершенные космические телескопы нового поколения позволяют нам исследовать газовый состав атмосферы экзопланет в поисках биомаркеров. С каждый днем я все больше убеждаюсь в необходимости продолжать поиски.

Осенью 2018 г. с космодрома Европейского космического агентства в Гайане стартует ракета «Ариан», несущая космический телескоп им. Джеймса Уэбба (JWST), совместную разработку НАСА и ЕКА. Для JWST это будет последний шаг на долгом пути в космос, начатом в середине 1990-х гг., когда появилась идея его создания. В первую неделю пребывания на орбите в строго определенные моменты будут проводиться сложные манипуляции по подготовке оборудования (развертывание основного и вспомогательного зеркал и солнечных панелей) — надеемся, все пройдет идеально. Примерно через месяц JWST окажется за 1,5 млн км от Земли, тепло и свет которой нарушают точность астрономических измерений. «Джеймса Уэбба » часто называют следующим поколением космического телескопа «Хаббл», поскольку он имеет зеркало намного большей площади и работает в инфракрасном диапазоне.

JWST впервые позволит нам искать признаки жизни на нескольких избранных планетах. Мы нацелим его на маленькие каменистые планеты в поисках газов, которые не находятся в химическом равновесии с основной атмосферой. Самый впечатляющий пример такого рода — как ни странно, кислород, составляющий 20% атмосферы Земли, которого, однако, практически не было бы, если бы не деятельность растений или фотосинтезирующих бактерий. Сегодня планетологи яростно спорят, возможна ли выработка кислорода в отсутствии жизни — сценарий так называемой «ложнопозитивной кислородной пробы». Астрономов интересуют и многие другие газы-биомаркеры, в том числе метан, оксид азота, диметилсульфид. Мы не будем знать, кто произвел эти газы — крохотные микробы, всевозможные животные или разумные расы, и являются ли эти формы жизни углеродными, как и мы, или совершенно иными. Для начала нам следует сосредоточиться на результатах жизнедеятельности — на процессах метаболизма и выработки газообразных отходов живых организмов, а не на том, что она из себя представляет.

При изучении атмосферы каменистых планет с помощью JWST мы будем пользоваться изобретенным мною методом, описанным в моей статье от 2000 г. Отмечу только, что подлинные инновации редки и речь, скорее, идет об идеях, развивающих труды предшественников. Метод таков. В некоторых случаях при наблюдении с Земли можно видеть «транзит» — прохождение планеты на фоне своего светила. Для этого нужно, чтобы орбита находилась в одной плоскости с наблюдателем, а этому условию удовлетворяет лишь малая часть планет, поскольку оси вращения звезд (а соответственно, в какой-то мере и орбиты их планет) ориентированы в космическом пространстве случайным образом. Во время транзита какая-то часть лучей звезды проходит через атмосферу планеты, особенно эффективно поглощающую свет с определенными длинами волны. Тщательно изучая каждый участок спектра, мы можем установить, какие газы содержатся в атмосфере и, до некоторой степени, в каком количестве. У этого метода много тонкостей, тем не менее всего за 16 лет с момента опубликования моего прогноза были написаны сотни научных статей, признающие заслуги моей команды и других ученых, и проделаны наблюдения атмосферы десятков экзопланет. Самым эффективным инструментом для этого оказалась широкоугольная камера-3 телескопа «Хаббл».

«Джеймс Уэбб» сможет изучать отдельные планеты, но не в состоянии обшарить сотни тысяч звезд в поисках планет для дальнейшего исследования. Этой подготовительной работой займется «Спутник исследования транзитных экзопланет» (TESS) — космический телескоп, разрабатываемый Массачусетским технологическим институтом для НАСА. Он предназначен для поиска малых транзитных планет малых звезд. Проект TESS в течение двух лет изучит все небо с помощью четырех одинаковых широкоугольных камер, способных вместе просмотреть до 90% неба. Каждый сектор неба будет наблюдаться в течение 26 дней и ночей. Таким образом, в первый год своей работы TESS изучит небо Северного полушария, а во второй — Южного. Запуск назначен на лето 2018 г. с использованием ракеты-носителя Falcon 9 компании Space X, которая должна будет вывести телескоп на сильно вытянутую наклоненную к Земле орбиту. Команда проекта TESS должна будет подобрать для астрономов 50 каменистых планет, из которых несколько окажутся в зоне Златовласки своей звезды — там, где не слишком жарко и не слишком холодно, а именно так, как нужно, чтобы условия на поверхности благоприятствовали жизни. Именно эти редкостные планеты и изучит JWST в поисках газов-биомаркеров в их атмосфере. Это непростая задача: скорее всего, нам придется провести наблюдения множества транзитов продолжительностью несколько часов каждый.

Насколько реалистичны предположения, что TESS и «Джеймс Уэбб» сумеют обнаружить признаки иных миров? Честно говоря, нам понадобится везение — огромное везение. Шанс, однако, есть, и мы его не упустим. Для наглядности я воспользуюсь обновленной версией знаменитого уравнения Дрейка, предложенного американским астрономом Фрэнком Дрейком в 1961 г. для расчета вероятности существования разумной жизни во Вселенной. Фактически его уравнение призвано было скорее обобщить основные теории, связанные с обнаружением сигналов разумной жизни в Галактике, чем дать точный ответ. Мой вариант также носит более описательный, чем прогнозирующий характер. Он показывает, какие факторы мы способны выразить количественно — что мы знаем и что остается плодом теоретических выкладок.

Давайте вспомним начальное уравнение Дрейка. Эта формула определяет примерное значение величины N — числа внеземных цивилизаций, обладающих средствами связи, — как результат перемножения семи факторов:

где R* — скорость образования звезд в Млечном Пути (по предположению Дрейка, 10 звезд в год), Fp — доля звезд, имеющих планетарные системы (принято за 0,5), ne — количество потенциально обитаемых планет (имеющих «экосистему»)в расчете на каждую звезду (принято за 2), Fl — доля планет, где развивается жизнь (оценена в 1), Fi — доля обитаемых планет, где имеется разумная жизнь (предположительно, 0,5), Fc — доля цивилизаций, достаточно технологически развитых, чтобы их сигналы в космосе можно было зафиксировать (принята за 1), L — время, в течение которого цивилизация производит фиксируемые сигналы (оценочно, 10 000 лет).

Первые три параметра уравнения Дрейка — R*, Fp и ne — являются измеряемыми, остальные четыре мы измерить не можем и, по всей видимости, не сможем никогда. Тем не менее Дрейк получил оптимистическую оценку числа способных к коммуникации внеземных цивилизаций в нашей галактике — 50 000.

В те времена, когда Дрейк составлял уравнение, основным методом обнаружения инопланетной жизни был поиск радиосигналов других цивилизаций. Теперь в нашем распоряжении имеются более совершенные методы. В последние годы стал реальностью поиск жизни вне Солнечной системы путем анализа газов в атмосфере экзопланет, и ныне описательное уравнение требует пересмотра.

Воспользовавшись схемой Дрейка, оценим N, число планет с обнаруживаемыми признаками жизни, по присутствию газов-биомаркеров:

где N* — количество исследованных звезд, FQ — доля «спокойных» звезд, рядом с которыми имеет смысл искать планеты, FHZ — доля тех из них, которые имеют каменистые планеты в зоне обитаемости, FO — доля этих планет, доступных для наблюдения с учетом ограничений нынешних методов, FL — доля планет, где имеется жизнь, FS — доля обитаемых планет, жизнь на которых генерируют газы-биомаркеры, которые можно обнаружить по спектральным характеристикам.

Я представила свое уравнение в мае 2013 г. в Кембридже на симпозиуме «Экзопланеты в посткеплеровскую эпоху», посвященном Дэйву Лэтему и его вкладу в изучение экзопланет. Вы можете найти более строгий, чем нижеприведенный, разбор этой формулы.

Переходя к цифрам, начнем с первых четырех параметров, о которых можно сказать хотя бы что-то определенное. Согласно галактическим моделям количество звезд N*, которые могут быть охвачены исследованием всего неба с помощью телескопа TESS, оценивается примерно в 30 000. Около 60% из них, предположительно, достаточно спокойны (без слишком сильных колебаний светимости), чтобы можно было заметить на их орбите малые планеты. Следовательно, FQ=0,6 (это приблизительное число).

Далее, процент каменистых планет в зоне обитаемости составляет порядка 24% (по данным «Кеплера»): FHZ=0,24. Ограничения, связанные с ориентацией их орбиты, — поскольку TESS способен заметить только транзитные планеты, проходящие на фоне диска своей звезды, — уменьшают долю исследуемых планетарных систем до примерно 10%. Однако лишь около 1% из них имеют достаточно яркую звезду, чтобы на ее фоне можно было в подробностях рассмотреть атмосферу планеты. Иными словами, FO = 0,1×0,01 = 0,001.

Перемножив эти четыре параметра, получим N*×FQ×FHZ×FO ≈ 4. Остается приписать числовые значения только двум переменным, FL и FS, и для простоты свести уравнение к следующему виду:

Скрупулезный расчет планетной выборки TESS, фактически определяемой первыми четырьмя параметрами уравнения Сигер, был выполнен в ходе тщательного компьютерного моделирования, результаты которого укладываются в интервал от 2 до 7.

Теперь поговорим о факторах FL и FS. Нам остается лишь гадать, какая часть пригодных для обитания планет имеет жизнь. Давайте будем оптимистами и оценим ее в половину потенциально обитаемых планет: FL=0,5. Выделяет ли эта жизнь газы, способные накапливаться в атмосфере и выявляемые методом спектроскопии? Предположим, это также происходит в половине случаев: FS=0,5. Подставляем эти величины в приведенное уравнение и получаем выборку планет с признаками жизни, обнаруживаемыми совместными усилиями TESS и JWST:

Разумеется, я специально подобрала оценочные параметры, чтобы получить этот «круглый» — и оптимистичный! — но крайне скромный результат: во всей галактике Млечный Путь мы способны обнаружить только одну обитаемую планету. Вот почему я говорю, что нам понадобится огромное везение, чтобы зафиксировать газы-биомаркеры в грядущие десятилетия. Нужно, однако, постоянно помнить, что комплекс TESS/JWST — это первая в истории человечества возможность вести поиск признаков жизни на каменистых экзопланетах по присутствию в их атмосфере биогенных газов.

Что, если JWST не найдет признаков жизни в атмосфере ни на одной малой каменной экзопланете? Астрономы упорно трудятся над телескопами нового поколения, пригодными для прямого наблюдения экзопланет. В отличие от традиционного транзитного метода, при котором измеряется светимость звезды, когда перед ней проходит планета, прямое наблюдение призвано уловить намного более слабый свет от самой планеты. Уже имеются лабораторные демонстрации работы очень сложных приемов светоизоляции, необходимых, чтобы пользоваться этим методом изучения экзопланет. Недавно я возглавила команду, разрабатывающую одну из многих идей, связанных с прямым наблюдением, — проект «Звездный зонт» (Starshade). Это гигантский экран особой формы диаметром несколько десятков метров, который может лететь в десятках тысяч километров от космического телескопа, блокируя свет звезды с невероятной эффективностью — до одной десятимиллиардной, благодаря чему в телескоп будет попадать только свет планеты (разумеется, планеты светят не собственным, а отраженным светом). Это оборудование позволит нам искать следы жизни в атмосфере экзопланет другим способом, нежели транзитный метод, под который спроектирован телескоп им. Джеймса Уэбба. По идее, в исследовании «Звездного зонта» также можно использовать уравнение Сигер.

Я совершенно уверена, что астрономы моего поколения имеют все необходимое — оборудование, знания и методы, чтобы обнаружить газы-биомаркеры, если эти газы в принципе присутствуют в атмосфере. Однако если жизнь — по крайней мере, жизнь, производящая спектроскопически активные газы, — является редкостью, то нам может и не повезти. В случае, если TESS/JWST или «Звездный зонт» (либо аналогичный проект на основе другого метода прямого наблюдения) не выявят хотя бы предположительного присутствия биогенных газов, нам придется передать эстафету следующему поколению искателей. В настоящее время мы знаем, как построить космический телескоп с апертурой около 12 м и даже больше — возможно, до 15-20 м. Помимо техники будущему поколению ученых нужно будет разработать и применить оригинальную технологию использования космического телескопа на основе совершенно новых приемов. Возможно, понадобится строить телескопы прямо в космосе с применением методов, которые мы сейчас едва можем себе представить.

Дополнительная сложность заключается в том, что наличие биогенных газов на планете не является абсолютно достоверным свидетельством ее обитаемости. Анализ может быть ложноположительным (если потенциальные индикаторы жизни имели иное происхождение). Астрономы и планетологи разрабатывают многочисленные схемы абиогенного образования газов, например, вследствие вулканической активности или всевозможных химических реакций в атмосфере, скальных породах или океанах планет. Астрономы увлеченно моделируют атмосферные условия, в которых тот или иной газ способен или не способен дать ложноположительный результат, однако наблюдения атмосферы экзопланет в широком диапазоне длин волны и при достаточно высоком спектральном разрешении в ближайшем будущем могут оказаться невозможными. В одних случаях мы могли бы быть более, в других — менее уверенными в наших выводах, и в официальном сообщении прозвучало бы, что мы обнаружили предположительные признаки жизни, но не стопроцентно достоверные (плюс оценка вероятности).

Нам предстоит долгий путь, но астрономы и астробиологи убеждены, что поиск и обнаружение газов-биомаркеров — дело ближайшего будущего. Грядущие десятилетия обещают стать очень плодотворными в плане поиска и описания внеземных «Земель», и, возможно, надежда на самое главное открытие — обнаружение биогенных газов в их атмосфере — оправдается.