Горизонты научного поиска

Марчело ГЛАЙЗЕР

Факультет физики и астрономии,
Дартмутский колледж, Ганновер, США

От зарождения Вселенной до появления разумной жизни

Четыре этапа развития астробиологии

История жизни на планете Земля, а также других планетарных систем, потенциально благоприятных для жизни, тесно связана с историей Вселенной. Так как все известные нам формы жизни базируются на химических элементах, образующихся в результате гибели звезд-гигантов, Вселенная должна иметь достаточно солидный возраст, чтобы эти звезды могли сформироваться и пройти весь путь своей эволюции. Современная космологическая теория утверждает, что возраст Вселенной составляет 13,7±0,13 миллиардов лет и первые звезды сформировались через сотни миллионов лет после Большого взрыва. Как минимум, некоторые звезды образовались со стабильными планетарными системами, где, по всей вероятности, могли бы произойти биохимические реакции, приводящие к возникновению жизни.

Автор статьи разделяет космологическую историю на четыре периода-этапа, начиная от момента Большого взрыва до появления форм разумной жизни. Физический этап описывает возникновение Вселенной и материи в ней, космический синтез ядер, образование первых звезд и галактик. Химический этап начался тогда, когда звезды-гиганты в результате внутризвездного синтеза ядер стали источником сырья для ингредиентов, необходимых для жизни. Таким образом более тяжелые химические элементы накапливались в зарождающихся планетах и лунах и послужили материалом для образования добиологических биомолекул. Биологический этап описывает возникновение ранних форм жизни, их эволюцию посредством дарвиновского естественного отбора и появление сложных многоклеточных форм жизни. И, наконец, во время когнитивного этапа сложные формы жизни эволюционировали в разумные формы, обладающие способностью самосознания и создания технологий с помощью целенаправленного преобразования энергии и материалов. В заключение автор пытается ответить на вопрос, является ли жизнь на Земле правилом или исключением.

ВВЕДЕНИЕ

За последние десятилетия благодаря беспрецедентному потоку новых данных в науках о Космосе произошла двойная революция.

Во-первых, благодаря космическим аппаратам COBE (Cosmic Background Explorer - "спутник-зонд для измерения космических фоновых излучений") и WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe - "аппарат для изучения реликтового излучения, названный в честь одного из руководителей проекта Д.Уилкинсона"), удалось чрезвычайно точно определить свойства космического микроволнового фонового излучения. Это позволило дать ответы на многовековые вопросы о Вселенной: каковы ее возраст, геометрия, из чего она состоит и когда появились первые звезды.

Эти наблюдения, объединенные с результатами исследования распределений галактик и их скоплений во Вселенной, полученные с помощью телескопов SDSS (Sloan Digital Sky Survey - Слоановский цифровой обзор неба) и 2dF (2dF Galaxy Redshift Survey - обзор галактического красного смещения), а также телескопа Хаббл (Hubble Space Telescope Key Project) и многих других исследований, легли в основу так называемой космологической модели космической "гармонии" (CDM-модели).

Согласно этой модели, возраст Вселенной составляет 13,7 миллиардов лет, она состоит на 4 процента из барионной материи, на 23 из темной материи и на 73 из темной энергии. Константа Хаббла, характеризующая космическое расширение, составляет 71 км/сек/Mpc, а плотность вещества во Вселенной практически совпадает с критическим значением для плоской Вселенной.

Во-вторых, с помощью анализа данных различных методик наблюдения космических объектов были открыты сотни экзопланет в соседних с нами галактиках. На 4 февраля 2012 года общее число таких планет составляло 758, а недавние исследования показывают, что у каждой 100-миллиардной звезды в галактике Млечный путь находится в среднем 1,6 планеты. Если это так, то можно предположить, что только в одной нашей галактике располагаются сотни миллиардов планет (не говоря об их возможных спутниках вроде нашей Луны).

Несмотря на то что большинство из перечисленных результатов были получены с помощью наземных телескопов с использованием эффекта Допплера, методики пролета и техники гравитационного микролинзирования, данные с двух спутников: Corot (запущенный в декабре 2006 года) и Kepler (запущенный в марте 2009 года), - позволили быстро увеличить статистику таких открытий. В частности, спутник Kepler был предназначен для поиска планет, похожих на Землю, в обитаемой зоне нашей галактики или рядом с ней. К декабрю 2011 года с помощью этого спутника было зарегистрировано 2326 кандидатов, 207 из которых имели массу, близкую к земной. Тогда же было подтверждено, что в созвездии Лиры (950 световых лет от Земли) два экзо-планетных кандидата размером с Землю вращаются вокруг звезды немного меньшей, чем Солнце (91 процент солнечной массы). К сожалению, обе эти планеты вращаются ближе к своей звезде, чем Меркурий к Солнцу, и соответственно, температуры на их поверхности значительно выше той, что могут перенести живые организмы. По оценкам команды Kepler, 5,4 процента всех звезд имеют планеты с такими же размерами, как Земля.

Суммируя вышесказанное, можно заключить, что космологические и экзопланетарные данные указывают на то, что в нашей галактике существует много планетарных систем, где потенциально может быть жизнь. Если считать, что во всей Вселенной работают одни и те же законы физики и химии, то это заключение можно распространить на сотни миллиардов других галактик, расположенных в пределах видимой части нашей Вселенной.

Таким образом, историю возникновения жизни во Вселенной можно представить как последовательные стадии самоорганизации материи во все более сложные структуры: от первых атомных ядер в звезды и планеты (физический этап), от тяжелых химических элементов в биомолекулы (химический этап), а также в живые организмы со все более сложной структурой (биологический этап), и, наконец, в мыслящие ансамбли биомолекул, способных к дальнейшему развитию (когнитивный этап). В этом смысле становится ясно, что история жизни во Вселенной - центральный вопрос астробиологии - начинается с возникновения самой Вселенной.

ФИЗИЧЕСКИЙ ЭТАП

Если исходить из варианта существования Мультивселенной, а в пользу этой точки зрения говорят как инфляционная космология, так и теория струн с неограниченным числом ее возможных реализаций, то можно утверждать, что наша Вселенная - это одна из многих (или даже бесконечно многих) космических сущностей, которые постоянно возникают из вневременной субстанции, "пузырятся", расширяются, эволюционируют...

Является ли наша Вселенная частью Мультивселенной или нет, она должна отвечать некоторым характеристикам и обеспечивать возможность эволюции материи от элементарных частиц до атомных ядер и легких атомов, а от них к первым звездам и звездообразующим системам. Эта эра космического возникновения и образования различных связанных состояний материи определяет физический этап астробиологии, который начался с Большого взрыва и продолжается по сей день.

Интересно отметить, что естественные процессы, определяющие каждый из обсуждаемых этапов, однажды начавшись и сегодня остаются в активном состоянии и, видимо, продолжатся в обозримом будущем. Если это действительно так, далекое будущее зависит от того, как темная энергия повлияет на окончательную судьбу Вселенной.

В рамках современной космологической теории, подкрепленной многочисленными наблюдениями, установлено, что нашей Вселенной необходимо иметь ненулевую вакуумную энергетическую плотность (темную энергию), ненулевую плотность темной материи, асимметрию "материя-антиматерия" и начальные возмущения плотности для образования крупномасштабной структуры, которые зародились во время раннего периода быстрого расширения, известного как инфляция.

К вышеперечисленным параметрам необходимо добавить константы связи четырех взаимодействий (гравитационных, электромагнитных, сильных и слабых ядерных сил) и массы кварков и лептонов так, чтобы адроны и затем легкие ядра могли формироваться после электрослабого нарушения симметрии. Как известно, ранняя Вселенная согласуется только с малой начальной энтропией, тогда как начальные состояния с большой энтропией не могут способствовать формированию каких-либо структур; следовательно, для того чтобы возникла сложная структура, должно быть достаточно свободной энергии.

Таким образом, физический этап включает всю раннюю историю Вселенной: от Большого взрыва до электрослабого нарушения симметрии, начального нуклеосинтеза и эпохи рекомбинации, длившихся примерно 400 тысяч лет. В это время сформировались первые атомы водорода и средний свободный пробег фотонов сравнялся с размером всей причинно-следственной области, то есть появился космический микроволновой фон. По всему расширяющемуся космическому объему существовали сверхплотные области, где оставшиеся от начальной инфляции флуктуации собрали вокруг себя достаточно темной материи, чтобы образовать протяженные сверхплотные слои и филаменты (разряженности). Более того в ряде таких областей возникали глубокие гравитационные потенциальные ямы, в которые "сваливалась" барионная материя, образуя большие облака, щедро наполненные водородом.

Спустя примерно 200 миллионов лет эти облака гравитационно сжались, собрали на себя путем аккреции (от лат. accretio, прирост, присоединение, - падение рассеянного вещества на поверхность космического тела - прим. ред.) достаточно материала для того, чтобы в их центре начался термоядерный процесс слияния ядер и родились первые сверхмассивные звезды-гиганты. Вскоре или даже одновременно с образованием сверхмассивных звезд появились первые галактики. Недавно были обнаружены галактики, уже существовавшие, когда Вселенной было всего лишь 480 миллионов лет.

В последующие несколько сотен миллионов лет уже полным ходом шла эволюция галактик и рождались новые галактики путем слияния уже существующих. Однако галактики, в которых возможна жизнь, должны удовлетворять некоторым ограничениям в своей морфологии, а также типу и возрасту входящих в них звезд. Например, для удержания тяжелых элементов галактики должны иметь массу выше некоторой определенной величины. Расчеты показывают, что галактики с массами M > 109 M_o способны удерживать более 30 процентов тяжелых элементов (M_o - масса Солнца - прим. ред.). Процессы слияния галактик и накопления вещества, ведущие к образованию галактических дисков, таких, например, как у Млечного пути (который имеет массу M_MW ~10¹² M_o), требуют для своего завершения длительного времени и маловероятны при красном смещении z  1 (т.е. на слишком ранней стадии).

Поэтому жизнь может возникать, видимо, только в галактиках с большой массой, а величину MMW можно считать некоторым определяющим значением. Звезды также подходят не все. Так зоны, пригодные для длительного проживания (иными словами, наличие на поверхности планет воды в течение продолжительных периодов) существуют только вокруг звезд в спектральных классах между F5 и К. Таких звезд насчитывается около 20 процентов от всех звезд Главной последовательности. Из них следует рассматривать только ту часть, которая обладает планетарными системами. По результатам недавних поисков экзопланет, эта часть может считаться вполне значительной. Возможно, это покажется неожиданным, но даже бинарные звездные системы могут внести свою лепту.

Итак, как только образовались звезды с высоким содержанием тяжелых металлов, а также планетарные диски, содержащие необходимые для жизни химические элементы, - начинается химический этап.

Перевод с английского Ирины КРОНШТАДТОВОЙ
под общей редакцией Вадима БЕДНЯКОВА

(Продолжение следует.)