Предложен е нов алгоритъм за търсене на живот в космоса, който не разчита на биосигнатурите: животът се открива чрез статистика

В продължение на десетилетия търсенето на извънземен живот се основава на опити за откриване на биосигнатури – специфични химически маркери в атмосферите на далечни планети. Търсим кислород, метан или фосфин, вярвайки, че наличието им недвусмислено показва биологична активност. Проблемът е, че астрофизичните и геологичните процеси могат да имитират наличието на живот. Метанът може да се освобождава от хидротермални реакции, а кислородът може да се натрупва вследствие на разпадането на водата под въздействието на ултравиолетова светлина. Във всеки случай учените трябва да докажат, че откритият газ е с биологичен произход, което в условията на огромните разстояния е почти невъзможно.

Изследователите Харисън Смит от Института по науки за живота на Земята (Токио) и Лана Синапайен от Лабораториите за компютърни науки на Sony предлагат нов подход. Тяхната работа, публикувана в The Astrophysical Journal, предлага да се анализира не съставът на конкретна планета, а статистически модели в цели групи планети. Този метод е наречен „агностичен“, защото не зависи от специфичната биохимия и не изисква разбиране за това как точно функционира извънземният живот.

Кризата на индивидуалното наблюдение

Проблемът с настоящите методи за търсене е „земният центризъм“. Търсим условия, подобни на земните, и газове, произвеждани от биосферата на Земята. Ако срещнем живот, основан на други принципи на обмяна на веществата, нашите инструменти просто няма да го открият. Освен това изучаването на една-единствена планета винаги оставя място за съмнения. Дори ако всички показатели сочат наличието на живот, научната общност не може да изключи рядък, неизвестен геологичен процес.

Смит и Синапайен предлагат животът да се разглежда не като локален химичен процес, а като широкомащабен фактор, който променя разпределението на материята в пространството. Животът има две основни свойства: експанзия и преобразуване на околната среда. Ако животът е в състояние да се разпространява между планетните системи (панспермия) и да адаптира нови светове към своите нужди (тераформиране), той неизбежно ще създаде статистическа аномалия, която може да бъде уловена математически.

Механиката на агностичното търсене

Предложеният метод се основава на концепцията за корелация между физическото местоположение на планетите и техните характеристики. В една необитаема галактика параметрите на планетите – плътност, състав на атмосферата, температура – се определят от законите на формиране на звездните системи и са разпределени доста случайно една спрямо друга. Биологичната експанзия обаче би нарушила тази случайност.

Авторите са разработили агент-базиран модел, който симулира разпространението на живота в сектор от 1000 планети. В този модел всяка планета е представена чрез набор от десет числени параметъра, описващи нейните наблюдаеми свойства. Симулацията започва с появата на живот в една единствена точка. Според алгоритъма животът започва да заразява съседните светове, като приоритет се дава на планетите, които са или физически близо, или вече имат сходен химически състав с този на родителския свят.

След като бъде колонизирана, планетата се тераформира. Параметрите ѝ започват да се променят, като стават все по-близки до тези на изходната планета. С течение на времето в галактиката се образуват клъстери – групи от планети, които подозрително си приличат една на друга и все пак се намират в един и същи пространствен сектор. Именно това струпване е основната биосигнатура от нов тип.

Математическият апарат: тестът на Мантел и клъстеризацията

За да открият аномални сходства, учените използват теста на Мантел – статистически инструмент, който измерва връзката между две матрици от данни. В този случай се сравняват матрицата на пространствените разстояния между планетите и матрицата на разликите в техните химични и физически характеристики.

Ако коефициентът на корелация при теста на Мантел стане необичайно висок, това означава, че близостта на планетите в пространството е пряко свързана със сходството на техните характеристики. В естествена среда подобна зависимост е малко вероятна: две съседни звезди могат да имат твърде различни планетни системи. Но ако животът целенасочено се разпространява от звезда на звезда и променя планетите по свой собствен стандарт, корелацията става неизбежна.

За практическото прилагане на метода авторите прилагат алгоритъма DBSCAN (алгоритъм за пространствено клъстериране, базиран на плътността). Той позволява да се филтрира „шумът“ – планетите, чиито характеристики се дължат само на абиотични фактори – и да се идентифицират онези групи обекти, които формират аномалията. Моделирането показа, че системата започва уверено да открива наличието на живот, когато улови около 7-10% от наличните планети в сектора.

Динамиката на звездите и времевите рамки

Критичен аспект на изследването беше да се вземе предвид динамиката на звездната популация. Звездите в галактиката не са неподвижни; те се движат една спрямо друга със скорост от 20 до 40 km/s. Това означава, че взаимното разположение на звездните системи постоянно се променя. За да работи предложеният метод, експанзията на живота трябва да е по-бърза от смесването на звездите в сектора.

Авторите са извършили изчисленията за района на Слънцето. В радиус от 100 парсека от нас взаимното разположение на звездите значително се променя за период от 600 хиляди до 5 милиона години. На пръв поглед това е огромен период от време, но в мащабите на планетарната еволюция това е само миг. Ако една цивилизация е в състояние да се придвижва между звездите със скорост поне 15 км/сек (скоростта на космическия апарат „Вояджър“), тя ще може да колонизира съседните системи и да промени облика им, преди звездният дрейф да разруши структурата на клъстера.

Освен това използването на обещаващи технологии като лазерни платна (проектът Breakthrough Starshot), които позволяват скорост от хиляди километри в секунда, намалява времето за колонизация до десетки хиляди години. Това прави биологичната експанзия много по-бърз процес от всяко гравитационно преместване на звездите, което означава, че моделите, създадени от живота, ще останат стабилни и наблюдаеми в продължение на милиони години.

Практическото значение за съвременната астрономия

Основното предимство на този метод е неговата мащабируемост и рентабилност. Съвременните телескопи, като например телескопът „Джеймс Уеб“, са много чувствителни, но зрителното им поле е изключително тясно. Не можем да си позволим да прекарваме стотици часове в детайлно изучаване на всяка от хилядите открити екзопланети с надеждата да открием признаци на живот.

Статистическият метод на Смит и Синапайен ни позволява да създадем система за определяне на приоритетите. Астрономите могат да извършат първоначален анализ на големи масиви от данни за характеристиките на планетите, получени чрез по-евтини методи (напр. чрез транзитна фотометрия). Ако в даден сектор се открие статистическо струпване – група от планети с аномално сходни параметри – този сектор става приоритетна цел за подробен спектрален анализ.

Този подход решава и проблема с фалшивите положителни резултати. Ако на една планета е открит кислород, това може да е случайност. Но ако видим 20 планети в един и същи сектор и всички те имат сходен атмосферен състав, който е извън фоновия, вероятността за естествен произход на подобна аномалия клони към нула.

Заключение

Работата на Смит и Синапайен предлага да се погледне на търсенето на извънземен разум като на проблем за анализ на големи масиви от данни. Животът се разглежда не като уникална биологична единица, а като процес, който внася ред в хаотичното разпределение на материята.

Този метод ни освобождава от необходимостта да гадаем как точно работи биологията на извънземните. Не е необходимо да знаем генетичния им код или вида на техния метаболизъм. Достатъчно е, че животът е активна сила, която се стреми към разширяване и преобразуване на пространството. Ако това е вярно, то следите от извънземни цивилизации трябва да се търсят не в състава на атмосферите на отделните светове, а в математическите връзки между тях. Ние не търсим живо същество, а резултата от неговата дейност, видим в структурата на галактиката.