Великое молчание: наука и философия парадокса Ферми - Милан М. Чиркович

Хаббла и других исследователей, посвященных размерам и форме Млечного Пути и других галактик, исследователи невольно сталкивались с вопросом: связано ли положение Солнца — примерно на половине радиуса звездного диска — с нашим возникновением и эволюцией? В 1983 году выдающийся советский/российский астроном Леонид Марочник предположил, что формирование планетных систем в целом и землеподобных планет в частности происходит в основном вблизи радиуса коротации нашей Галактики.27 Причинно-следственный механизм в картине Марочника включает в себя влияние галактических волн плотности и прохождения через спиральные рукава, которые реже всего происходят вблизи круга коротации.

В работе Марочника явно признается важность эффектов селекции наблюдения — явления, с которым мы еще часто столкнемся на страницах этой книги: мы должны считать наблюдаемое нами типичным лишь после учета всех предварительных условий для нашего появления в качестве разумных наблюдателей в эту космическую эпоху. Последнее предложение статьи Марочника подчеркивает, что «экстраполяция результатов, полученных для окрестностей Солнца, на всю Галактику может оказаться неверной».28 Примерно в то же время схожие идеи высказывал венгерский астроном Бела Балаж, который ввел термин «галактический пояс жизни» для обозначения того, что впоследствии назовут ГЗО.29 Хотя детальное исследование этой ранней предыстории — очевидно, задача для будущих историков астрономии, важно помнить, что целый комплекс подобных идей существовал уже довольно давно.

В 2001 году две важные статьи были опубликованы в идущих друг за другом выпусках журнала Icarus — ведущего мирового издания в области планетологии, где публикуется множество астробиологических исследований (хотя сейчас и меньше, чем в конце 1960-х и 1970-х годах, когда его главным редактором был Карл Саган). По иронии времени и редакционных процессов, эти статьи содержали два ключевых компонента любой мыслимой попытки сделать понятие обитаемости более точным, чем прежде: временны́е и пространственные ограничения. Статья Чарльза Лайнвивера «Оценка возрастного распределения землеподобных планет во Вселенной: количественная оценка металличности как эффекта селекции» посвящена временному распределению потенциальных сред обитания жизни.30 Она объединила колоссальный прогресс в нашем понимании химической эволюции с зарождающейся статистикой внесолнечных планет и новым пониманием эффектов селекции наблюдения. Основные выводы этой знаковой работы заключались в том, что (i) землеподобные планеты начинают формироваться с задержкой примерно в 1,5 млрд лет после начала звездообразования в тонком диске, что можно считать эпохой рождения ГЗО, и (ii) медианный возраст землеподобных планет соответствует значению из уравнения (1.3). Как упоминалось ранее, это дает начало важнейшей временной шкале во всей дилемме парадокса Ферми, которую я буду называть шкалой времени Лайнвивера:

τL ≡ τmed − τ⊙ = (1.8 ± 0.9) × 109 years. (2.3)

(поскольку неопределенности в уравнении (1.3), очевидно, вносят основной вклад в общую погрешность). Сильное расхождение между (2.3) и шкалой времени Ферми — Харта из (1.1) порождает бóльшую часть трудностей при попытке ответить на вопрос: «Где все?» В целом результаты Лайнуивера — и их последующие уточнения, которые я рассмотрю далее, — очерчивают временны́е границы ГЗО и делают парадокс Ферми еще более серьезным.

Статья Гильермо Гонсалеса, Питера Уорда и Дональда Браунли, опубликованная в следующем выпуске журнала Icarus, обычно считается началом современных исследований ГЗО. ГЗО в ее современном представлении имеет форму кругового кольца, внутренняя и внешняя границы которого в любую заданную эпоху определяются различными астробиологическими процессами. Существует консенсус относительно того, что внешний радиус Rout определяется градиентом металличности в диске Млечного Пути; сейчас этот градиент оценивается примерно в ∇Z = 0,07 декс·кпк−1 (десятичная логарифмическая единица, dex, указывает на то, что металличность падает на такую-то долю порядка величины на каждый килопарсек при удалении от Галактического центра)31. Очень низкая металличность препятствует формированию землеподобных планет или приводит к образованию лишь очень небольших, марсоподобных планет земной группы. Поскольку Марс с массой 0,107 M⊕ находится у самой нижней границы массы планет, допускающей обитаемость в общепринятом смысле, мы не ожидаем встретить пригодные для жизни планеты за пределами некоторого галактоцентрического расстояния в диске32. По мере роста металличности с течением времени ГЗО медленно расширяется вовне, что наглядно показано на рисунках 3 и 4 в работе Лайнвивера и др. 2004 года и схематично представлено на рисунке 2.2.

В то время как внешняя граница ГЗО не вызывает особых споров, существует значительная неопределенность относительно радиуса и причинных факторов внутренней границы. Существует по меньшей мере три причинных механизма, препятствующих обитаемости в самых внутренних областях Галактики: (i) частые звездные столкновения и тесные сближения, (ii) более высокая частота вспышек сверхновых и гамма-всплесков и (iii) подавление формирования планет земного типа из-за избыточной металличности (что приводит к чрезмерному росту протопланет и формированию, скажем,

Рисунок 2.2  Постепенное расширение Галактической

зоны обитаемости в упрощенной модели. В этой

модели основной причиной расширения является постепенное

химическое обогащение галактического газа, делающее возможным

формирование планет земного типа на все более

значительных расстояниях от центра Млечного

Пути. Дополнительными способствующими факторами являются

снижение частоты вспышек сверхновых и других космических

взрывов, а также медленная орбитальная диффузия

систем с планетами земного типа из плотных

внутренних областей в малонаселенные

Источник: предоставлено Слободаном Поповичем Баги

вместо этого планет-океанов)33. Кроме того, еще один, довольно неопределенный механизм связан с высоким уровнем фонового ионизирующего УФ-излучения, которое может приводить к фотоиспарению протопланетных дисков, а также подавлять рост и слипание пылевых частиц, необходимые для формирования планет земного типа34, — а поскольку фоновый УФ-поток выше во внутренних областях Млечного Пути, это также может быть способствующим фактором. Очевидно, что реальная внутренняя граница ГЗО определяется самым жестким из всех задействованных процессов. Пока не вполне ясно, какой именно процесс является таковым, и ситуация усугубляется тем, что эти процессы претерпевают вековую эволюцию, которая протекает более сложным образом, чем простое накопление металличности, характеризующее эволюцию внешней границы. На сегодняшний день не существует комплексных численных исследований, объединяющих все значимые физические процессы в рамках единого семейства моделей, — и это остается серьезной проблемой для теоретической астробиологии.

С 2001 года наши представления об астробиологической истории Млечного Пути значительно расширились35. Для наших целей особый интерес представляют два исследования, развивающие результаты Лайнуивера. Питер Берузи и Молли С. Пиплс из Института космического телескопа в Балтиморе (штат Мэриленд) рассчитали, что Солнечная система сформировалась после того, как возникло 80 процентов уже существующих планет земного типа (как в Млечном Пути, так и во Вселенной в целом), и что во всей видимой Вселенной (объеме Хаббла) должно насчитываться около 10²⁰ планет земного типа. В 2016 году Эрик Закриссон и