Фундаментальная проблема астрофизики

Исследование биологических процессов на Земле привело к неожиданным результатам, которые касаются интервала значений внешних параметров среды. Так, например, некоторые виды бактерий выживают в среде с температурой до +150єС, а отдельные споры переносят "космический холод" - температуру - 140єС. Экстремальные значения давления составляют тысячи и десятки тысяч атмосфер, внешняя среда может быть и щелочной и кислотной. Но основное свойство всех живых земных существ - самоорганизующихся систем - потребность в воде.

Для возникновения и эволюции на планете земного типа амино-нуклеино кислотной формы жизни и ее перехода к многоклеточным организмам необходимы очень узкие интервалы многих физических характеристик планеты, к которым относятся: нахождение планеты вблизи звезды позднего спектрального класса (температура 4000єС-7000єС); большая полуось и эксцентриситет орбиты планеты; период вращения; наклон экватора к плоскости орбиты; наличие открытых водоемов и водяного пара в атмосфере; вулканы и тектоника плит, атмосфера планеты, масса планеты, спутник планеты, связь "энергетика-масса-пища-размеры животных".

По одной из гипотез, возникновение Земли и жизни на ней не были заметно разнесены во времени - жизнь, по-видимому, возникла из неживой природы (путем многочисленных химических реакций, имевших высокую вероятность в условиях ранней Земли) в первые 700 млн лет существования Земли. Столкновения небесных тел могли приводить к ликвидации условий, необходимых для возникновения жизни и ее развития. Это подтверждают исследования обнаруженных ударных кратеров на Земле, Луне, Марсе, астероидах и спутниках планет Солнечной системы. Возможно, первый живой организм не выдержал жестких условий существования на первобытной Земле и не оставил потомства. Жизнь могла неоднократно возникать и угасать. Но при слишком интенсивном вымирании организмы могли оставаться мелкими (даже одноклеточными), чтобы быстрее воспроизводиться, и прогресса в приспособлении к новым условиям не происходило. При слишком слабых воздействиях ряд хорошо приспособленных организмов мог полностью оккупировать планету, подавляя развитие новых биологических форм (многоклеточных). Вероятно, промежуточный уровень космических воздействий на Землю и позволил появиться развитой и разумной жизни на Земле.

Если на начальном этапе становления программы SETI полагали, что разумная жизнь во Вселенной должна быть распространенной на планетах типа Земли, а представители цивилизации должны быть подобны землянам, то позднее распространилось мнение о том, что возможный гуманоидный внешний облик и человекоподобная психология внеземных разумных существ противоречат современным теориям биологии, и в первую очередь эволюционному учению. Появление сходных черт в результате взаимодействия видов с окружающей средой возможно только при наличии общих предков и общих внешних условий. Поскольку внеземная разумная жизнь не имеет с человеком ничего общего, если исключить этап образования в недрах звезд нескольких десятков химических элементов (из которых состоят земляне и "инопланетяне"), вряд ли ее представители будут похожи на человека.

Впрочем, программа SETI не ведет поиск внеземных вариантов человека, а занимается только поисками разума человеческого типа. (В 1998 году в институте психологии РАН и Государственном астрономическом институте им. П.К. Штернберга МГУ состоялись горячие дебаты по поводу "Космического Субъекта" и его возможной связи с загадочным быстрым барстером в шаровом скоплении "Лиллер-1", к которому привлекают внимание известный астроном Ю.Н. Ефремов и специалист по математическому моделированию сознания В.А. Лефевр. Согласно вариантам моделей В.А. Лефевра, носитель сознания "Космический Субъект" может быть и "разумным плазмоидом", а рентгеновский источник в шаровом скоплении - либо связан с деятельность самого Космического Субъекта, либо является его специализированной "машиной").

2. Поиски следов жизни на планетах, естественных спутниках планет, астероидах и кометах солнечной системы

С 80-х годов XX столетия разрабатывается гипотеза об искусственных космических объектах (ИКО). В соответствии с этой гипотезой технологически высокоразвитая цивилизация проводила долгосрочную программу галактических исследований с помощью таких ИКО, включая Солнечную систему, поэтому пояс астероидов с его почти полумиллионным количеством объектов диаметром выше 1 км (на 28 мая 2001 года уже было известно 123284 астероида) является возможным районом существования колонии внеземной цивилизации, использующей его богатые сырьевые ресурсы. Конкретно выделяют астероиды: 216 (Клеопатра), 624 (Гектор), имеющие необычную гантелевидную форму, а также - 532 (Геркулина) и 9 (Метис), с, вероятно, крохотными спутниками. (На сентябрь 2001 года в Солнечной системе открыто 14 двойных астероидов [7]).

Также выделяют орбиты - геоцентрические, селеноцентрические, соответствующие либрационные орбиты, при движении по которым подобные искусственные космические объекты можно считать неподвижными (во вращающихся системах координат), таких как: Солнце-Земля, Земля-Луна, Плутон-Харон.

Подходящими космическим телами для внеземной жизни также считаются спутники Юпитера - Европа, Ганимед, Каллисто и некоторые спутники других планет-гигантов, где возможна жизнь на уровне бактерий под поверхностью этих тел. Не случайно, что уже сегодня приходится решать проблему космического карантина космических аппаратов, вернувшихся из полетов к небесным телам с образцами космического вещества.

Самыми заметными объектами для обнаружения были бы самовоспроизводящиеся зонды, а также последствия их деятельности на поверхности планет и в космическом пространстве. Несмотря на экзотический характер предложенных гипотез, следует иметь в виду, что в 99.999% объема Солнечной системы могут существовать искусственные космические объекты слабого блеска, с диаметром в несколько десятков метров (звездная величина которых +24m), недоступные обнаружению с помощью современных телескопов. Если же искусственный космический объект расположен где-то на поверхности планет, то предстоит исследовать 99.99% соответствующей площади (Космический аппарат "Магеллан" в 1990-х годах провел исследования Венеры с разрешением 100 м). Марсоход "Соджорнер" в 1997 году выполнил программу, связанную с поиском жизни на Марсе, и сейчас результаты экспедиции к Марсу находятся в стадии обработки. Из космических аппаратов, ведущих (или которые будут вести) поиски жизни в Солнечной системе, выделим "Галилео", исследующий юпитерианский мир, "Кассини", изучающий спутниковую систему Сатурна, "Гюйгенс", предназначенный для изучения Титана (спутника Сатурна), "Розетту", с помощью которой планируется доставить на Землю кометное вещество (на август 1999 года было каталогизировано 1036 комет Солнечной системы).

Замечание. Все тела Солнечной системы (естественные и искусственные; открытые и неизвестные) находятся под юрисдикцией ООН.

3. Поиски внесолнечных планет и исследование их атмосфер

Во времена Дж.Х. Джинса (1877-1946), известного английского астрофизика, в астрономии и космогонии господствовало представление о том, что планетные системы во Вселенной - величайшая редкость, поскольку считалось, что они образуются в результате катастрофических сближений пар звезд, а такие звездные столкновения характеризуются чрезвычайно малой вероятностью (величина межзвездных расстояний огромна по сравнению с размерами звезд). Не случайно астрофизик И.С. Шкловский (МГУ) поставил проблему поиска планет около звезд первой в цепи грядущих фундаментальных проблем в одном ряду с такой грандиозной проблемой астрофизики, как сингулярность Вселенной [4].

В настоящее время при открытии внесолнечных планет используются методы, основанные на следующих астрофизических принципах: а) выделение отраженного планетой части потока световой энергии звезды (минимальное значение потоков энергии от планеты и звезды равно 2.5·10-9); б) учет возмущений от гравитационного поля планеты в движении звезды (учитываются изменения - радиальной скорости звезды (3 м. /с), ее положения на небесной сфере (0.0001"), времени прихода сигнала (0.000001 с)); в) прохождение планеты по диску звезды (при этом плоскость орбиты планеты должна приблизительно совпадать с направлением луча зрения наблюдателя, время прохождения зависит от орбитального периода планеты и радиуса звезды, а из-за различных "шумов" с Земли можно обнаружить планеты типа Юпитера и из космоса - планеты типа Земли); г) гравитационное линзирование, основанное на известном эффекте общей теории относительности А. Эйнштейна, при этом возрастает видимая светимость звезд, расположенных за невидимыми планетами (до 100 раз при расстояниях, сравнимых с расстоянием до центра Галактики, - несколько тысяч световых лет), но соответствующий метод применим для детектирования только очень далеких планет. Тем не менее, астрономы показали с помощью этого метода, что 25% звезд имеют компаньонов с массами Юпитера, расположенных на расстояниях от этих звезд больше 3 астрономических единиц.

По состоянию на 2001 год уже открыты планеты вблизи звезд: с1 Рака, 47 Большой Медведицы, Лаланда 21185, ф Волопаса, 70 Девы, HD 114762, с Северной Короны, 16 Лебедя, н Андромеды, 51 Пегаса (у этой звезды в 1995 году швейцарские астрономы обнаружили первую внесолнечную планету), четыре планетоподобные образования обнаружены вблизи пульсаров PSR 1257+12 и PSR 1620-26; Gliese 876, 14 Геркулеса, HD 187123, HD 210277, Gliese 86, HD 168443, HD 195019, HD 75289, Taurus Molecular Ring и др. (Открытые планетные системы распределены на небе таким образом, что все они имеют склонения - 27є< д<+51є, за исключением Gliese 86 (д=-51є) и HD 75289 (д=-42є), следовательно, в средней полосе России почти все они могут быть выше плоскости горизонта и наблюдаемыми). Массы и периоды обращений этих планет вокруг "своих" звезд оказались сравнимыми с массами и периодами обращений вокруг Солнца планет Солнечной системы. Планеты у звезд 16 Лебедя и 47 Большой Медведицы находятся "в поясе жизни" - на определенных расстояниях от звезд температура является благоприятной для развития жизни по типу земной. Уже сделано предположение, что и расстояния вновь открытых планет от своих звезд подчиняются правилу Тициуса-Боде, открытому более 200 лет назад для планет Солнечной системы. Понятно, что вследствие скудной статистики это не более чем догадка.

Пытливому читателю, имеющему доступ в INTERNET, вероятно, будет интересно самому отслеживать открываемые внесолнечные планеты, например, по адресам постоянно обновляющихся каталогов внесолнечных систем:

http://www.priceton.edu/~wllman/planetary_systems/

http://www.obspm. fr/planets

(На 5 декабря 2001 года в каталоги были занесены 66 звезд с обнаруженными около них 74 планетами, причем только у 7 звезд обнаружено по 2-3 планеты. Массы планет в каталогах не превосходят 13 масс Юпитера. Необходимо иметь в виду, что в настоящее время отсутствуют четкие критерии разделения планетоподобных объектов на планеты, планеты-гиганты и "коричневые" (или "инфракрасные") карлики [1,5]. Результаты статистической обработки каталогов приведены в статье [1]).

В рамках программы прямого обнаружения внесолнечных планет предстоит решить еще ряд наблюдательных задач, таких как обнаружение диффузной материи в окрестностях соседних звезд; получение прямых изображений протопланетных дисков вблизи этих звезд; обнаружение спутников и коричневых карликов - "субзвезд"; обнаружение планет типа Земля (пока обнаружены планеты типа Юпитер); спектроскопическое обнаружение и определение общих характеристик планетных атмосфер и океанов; обнаружение неравновесности атмосфер планет, связанной с действием биологических факторов в них; выявление эффектов, сопутствующих разумной жизни.

Некоторые задачи этой программы решаются с помощью Космического телескопа им.Э. Хаббла, который находится на высоте 600 км. Каждые три года, как и было предусмотрено в проекте, астронавты - экипажи "Спейс Шаттлов" - производят непосредственно на орбите обновление его оборудования и профилактические работы (Первый полет к телескопу состоялся в 1993 году, второй - в феврале 1997 года, а третья миссия к "Хабблу" - в декабре 1999 года). Спектрометр, с помощью которого анализируются инфракрасные изображения небесных тел в диапазоне длин волн от 0.8 мкм до 2.5 мкм, предназначены, в частности, для поиска протопланетных дисков вокруг молодых звезд.

В 2005 году предполагается изготовить интерферометр "Террестриал Планет Файндер", разрабатываемый в штате Аризона (США), главная задача которого - поиск внесолнечных планет, перспективных с точки зрения возникновения жизни. Закрывая свет центральной звезды и пропуская только излучение планет (если они существуют), ученые планируют определить химический состав атмосфер планет, исследуя их излучение в молекулярных полосах углекислого газа, озона и воды. Наличие всех трех соединений явится сильным доказательством в пользу существования микроорганизмов. В ходе выполнения программы предполагается исследовать 1000 звезд на расстояниях, не превышающих 1000 парсеков.

Полет космического аппарата (КА)"SIM" (NASA) посвящен поиску внесолнечных планет с массами Сатурна и Земли, расположенных, соответственно, на расстояниях 15 пк и 5 пк.

В проекте КА "GAIA" (Европейское космическое агентство (ESA) - 2010 год) предполагается определить координаты миллиарда звезд, входящих в нашу Галактику, с точностью 0.000001 угловой секунды, исследовать 100 звезд на расстояниях до 10 пк, с целью обнаружения планет типа Земли; а также исследовать 500000 звезд на расстояниях до 200 пк и, возможно, обнаружить 25000 внесолнечных юпитеров.

КА "NGST" (NASA) c 6.5-м телескопом предполагается вывести в точку Лагранжа L2 (в системе Солнце-Земля) после 2009 года для поиска следов биохимических реакций (подобных реакции фотосинтеза), возможно, протекающих на экзопланетах.

КА "DARWIN" и "EED" будут искать внесолнечные планеты на длине волны 10 мкм (для устранения теплового излучения зодиакальной пыли, входящей в Солнечную систему), в атмосферах которых существует озон биологического происхождения.

Три космических аппарата планируется задействовать в поиске планет, проходящих по дискам своих звезд: "COROT" (Франция, дата запуска 2004 год), "KEPLER","EDDINGTON" (ESA, 2008 год) [5,6].

4. Прослушивание космоса в радиодиапазоне

Уровень развития современной радиотехники позволяет считать межзвездную связь в радиодиапазоне уже сегодня вполне возможной. Стратегия приема сигналов от внеземных цивилизаций основывается на следующих принципах: сигнал должен передаваться в диапазоне с низким естественным фоном; должен быть остронаправленным; быть простым для генерации, передачи в выбранном направлении и для обнаружения; хорошо проходить через межзвездную среду; распространяться со скоростью света или близкой к ней; требовать как можно меньше энергии для передачи единицы информации. Наибольшие надежды возлагаются на микроволновый диапазон (длины волн от нескольких миллиметров до десятка сантиметров), для которого фоновое излучение является минимальным.

Естественно, в любом случае после доказательства существования внеземных цивилизаций будут ограничения в средствах - сколько общество и исследователи захотят истратить на такие исследования. Поэтому и начались поиски сигналов в пределах земного микроволнового окна - с использованием частот электромагнитного излучения, которое не поглощается в земной атмосфере. К неизвестным параметрам при этом относятся: число целей, необходимое для полного покрытия неба при проведении обзора (это число заключено в интервале от 1 до 106); частота ожидаемого сигнала (от 100 МГц до 100 ГГц); мощность передатчика и расстояние до него - минимальный поток, регистрируемый приемником (10-20Вт/м2):

http://www.seti.org/searches/searches-list.html

С 1990-х годов удается успешно проводить анализ данных наблюдений, полученных с помощью радиотелескопов - размеры антенн которых достигают сотни метров - в реальном масштабе времени. В США ведутся работы по нескольким программам поиска сигналов внеземных цивилизаций с использованием мощных ЭВМ и до полутора десятков миллионов каналов вблизи частоты 1420 МГц, характерной для излучения нейтрального водорода, с интервалом 0.05 Гц. Каждый день просматривается полоса неба шириной 0.5є, содержащая десятки и сотни звезд. Подобные программы действуют в Австралии, Франции, Аргентине, Испании. Эти программы весьма дорогостоящие. Так, например, NASA разработало проект "MOP", предполагающий поиск сигналов в микроволновом диапазоне (1-10 ГГц) с использованием 34-м антенн Службы дальнего космоса, расположенных в Калифорнии, Испании и Аргентине, включая наблюдения 800 звезд солнечного типа. Стоимость этого проекта оценивалась специалистами в 100 млн. долларов (это эквивалентно стоимости 2-3 спутников военного назначения).

В России и СНГ поиски периодически оптических импульсов от неземных цивилизаций ведутся в Специальной астрофизической обсерватории на 6-м телескопе по программе "Солнцеподобные для SETI". (Руководитель программы Г.М. Бескин, наблюдатели Н.Н. Сомов, Т.А. Сомова, И.Д. Найденов). Кроме того, в радиодиапазоне российские астрономы проводят наблюдения по программе "SETI" на РАТАН-600 с 1989 года по настоящее время, в рамках выделяемого на эти цели времени (Л.Н. Филиппова, Н.Н. Бурсов, И.В. Госачинский). В 1998 году были проведены исследования ряда звезд на 64-м радиотелескопе в Медвежьих Озерах (Подмосковье) (И.Е. Молотов, А.А. Чуприн, А.В. Чибисов, С.Ф. Лихачев (все АКЦ ФИАН) и Л.Н. Филиппова (НКЦ SETI)):

http://www.comet. sai. msu. su/SETI/

В июне 1997 года в Беркли (США) был закончен монтаж нового приемника излучения, присоединенного к радиотелескопу "Аресибо". Прибор назвали "Серендип IV"; он принимает радиосигналы одновременно по 168 млн. каналов. Руководитель проекта - астрофизик Даниэль Верхаймер заявил, что с помощью "Серендипа IV" земляне услышат внеземные цивилизации даже при жизни настоящего поколения.

В декабре 1998 года в России на РАТАН-600 наблюдались 14 солнцеподобных звезд в радиусе 25 парсеков (список наблюдавшихся звезд в рамках программы SETI помещен в INTERNET на странице "RUSSIAN SETI": http://comet. sai. msu. su/SETI). Причем звезды из числа солнцеподобных для SETI отбирались согласно следующим приоритетам:

1) звезды, у которых обнаружены юпитероподобные планеты;

2) звезды вблизи эклиптики как аттрактора для SETI;

3) солнцеподобные в радиусе 25 парсеков, удобные для "координатных окон" РАТАН-600.

1-3 декабря 1998 года Россия инициировала SETI у 3 солнцеподобных звезд (х And, 47 UMa, и 37 Gem) в рамках международной программ, развернутой по инициативе АКЦ ФИАН на волне 18 см. В этих наблюдениях участвовали радиотелескопы: Aresibo (300м, США), Green Bank (43 м, США), HartRao (25м, Южная Африка), Urumgi (25 м, Китай) и российские РТ-64 (Медвежьи Озера), РТ-32 (Светлое) и РТ-22 (Пущино). Запись наблюдений находится в Канаде и обрабатывается.

Очень интересные программы были спланированы институтом SETI (США), другими SETI-организациями, в частности, очень активна SETI-Лига (http://www.setiquest.com). Из этих программ особо отметим: а) проект "ФЕНИКС" (NASA-Австралия), в котором с февраля по июнь 1995 года использовалась 64-м антенна радиотелескопа в Парксе (Австралия) для наблюдений 200 звезд, невидимых в северном полушарии; б) проект "BETA" (Гарвард, США), в котором с помощью 26-м радиотелескопа прослушивалось небо в границах по склонению от - 30є до +60є в полосе частот от 1.40 ГГц до 1.72 ГГц с "шагом" 0.5 Гц; в) проект "МЕТА" (Буэнос-Айрес, Аргентина), где наблюдения велись на длине волны 21 см (частота - 1.42 ГГц) в районе склонений от - 90є до - 10є; г) проект "АРГУС". Цель его - с помощью 5000 любительских радиотелескопов осуществить глобальный мониторинг всей небесной сферы (в настоящее время в рамках этого проекта SETI-Лиги работают только 59 станций и действует 18-м радиотелескоп в Австралии); д) проект SETI@home - астрономы Калифорнийского университета в Беркли предлагают производить обработку огромной информации, полученной по программе SETI ("SERENDIP"), силами любителей на их домашних компьютерах, более 120000 человек уже проявили интерес к этой программе; е)"COSETI" - в обсерватории, расположенной в Огайо (США), ведется целенаправленный поиск лазерных сигналов и периодических сигналов в оптическом диапазоне с помощью десятидюймового любительского телескопа и доступного оборудования. В оптическом диапазоне осуществляются и профессиональные программы SETI:

http://sag-www.ssl. berkeley.edu/opticaseti/

Вместо заключения