Ако вземем Земята за средностатистическа планета, би трябвало да открием извънземен живот на разстояние до 60 светлинни години от нас

Астрономите вече са открили хиляди планети, включително десетки потенциално обитаеми.

През 1960 г., в рамките на подготовката на първата среща по въпросите за търсенето на извънземен разум (SETI), легендарният астроном и пионер на SETI д-р Франк Дрейк представя своето вероятностно уравнение за оценка на броя на възможните цивилизации в нашата галактика – известно още като уравнението на Дрейк. Ключовият параметър в това уравнение е n_e – броят на планетите в нашата галактика, способни да поддържат живот, т.е. „годни за обитаване“. По онова време астрономите все още не бяха сигурни, че другите звезди имат системи от планети. Но благодарение на инструменти като „Кеплер“ съществуването на 5523 екзопланети беше потвърдено, а други 9867 очакват потвърждение!

Въз основа на тези данни астрономите са направили по-различни оценки на броя на обитаемите планети в нашата Галактика – според една от оценките те са поне 100 милиарда! В неотдавнашно проучване професор Пиеро Мадау представи нова математическа основа за изчисляване на броя на обитаемите планети в радиус от 100 парсека (326 светлинни години) от нашето Слънце. Ако приемем, че Земята и Слънчевата система са представителни на нормата, Мадау изчислява, че в този обем на пространството могат да се намират до 11 000 скалисти екзопланети с размерите на Земята, подобни на Земята, които обикалят в обитаемите зони на своите звезди.

Професор Мадау е професор по астрономия и астрофизика в Калифорнийския университет в Санта Круз (UCSC). Централно място в изследванията му заема принципът на Коперник, носещ името на известния полски астроном Николай Коперник, създател на хелиоцентричния модел. Този принцип, известен още като космологичен принцип гласи, че нито хората, нито Земята са в привилегировано положение да наблюдават Вселената. Накратко, това, което виждаме, когато гледаме Слънчевата система и космоса, е типичен пример за това, което се случва в цялата Вселена.

В своето изследване Мадау проучва как зависимите от времето фактори са изиграли важна роля за възникването на живота в нашата Вселена. Те включват историята на звездообразуването в нашата галактика, обогатяването на междузвездната среда с тежки елементи (образувани във вътрешността на първата популация от звезди), формирането на планетите и разпределението на водата и органичните молекули между планетите. Както обяснява Мадау, изключително важното значение на времето и възрастта не е изрично изтъкнато в уравнението на Дрейк:

„Уравнението на Дрейк е полезно педагогическо обобщение на факторите (вероятностите), които могат да повлияят на вероятността за откриване на обитаеми светове около нас днес и евентуално на технологично напреднали извънземни цивилизации. Но тази вероятност и тези фактори зависят, наред с други неща, от историята на звездообразуването и химическото обогатяване на локалния галактичен диск, както и от времето на появата на прост микробен и евентуално сложен живот“.

Земята е относително нова в нашата Галактика, формирала се е заедно със Слънцето преди около 4,5 милиарда години (което е по-малко от 33% от възрастта на Вселената). Въпреки това са били необходими около 500 милиона години, за да се появи живот от примитивните условия, съществували на Земята преди около 4 милиарда години. Около 500 милиона години след това се появява фотосинтезата под формата на едноклетъчни организми, които метаболизират въглероден диоксид и произвеждат кислород като страничен продукт. Това постепенно е променило химическия състав на атмосферата ни, предизвиквайки кислородната катастрофа преди около 2,4 милиарда години и в крайна сметка появата на сложни форми на живот.

Това е било последвано от дълъг и сложен процес на химическа и биологична еволюция, който в крайна сметка е довел до условия, подходящи за сложен живот, и до появата на всички известни видове. Като се има предвид важността на тези зависещи от времето етапи, Мадау твърди, че уравнението на Дрейк е само част от историята. Поглеждайки отвъд него, той е създал математическа рамка за оценка на времето на образуване на „умерени земни планети“ (УЗП) в нашия ъгъл на Галактиката и появата на микробен живот на тях.

Тази математическа схема позволява на астрономите да определят кои потенциално интересни звезди (с дадена маса, възраст и металичност) могат да бъдат оптимални кандидати за откриване на атмосферни биосигнатури. Според Мадау подходът му се състои в разглеждане на местната популация от дългоживеещи звезди, екзопланети и УЗП като поредица от математически уравнения, които могат да бъдат решени числено като функция на времето:

„Тези уравнения описват променящите се темпове на формиране на звездите, металните, гигантските и скалистите планети и обитаемите светове в историята на слънчевата околност – място, където по-подробните изчисления са оправдани от лавината от нови данни от космически и наземни инструменти и което е цел на настоящото и следващите поколения звездни и планетарни изследвания. Уравненията имат статистически характер, т.е. описват не раждането и еволюцията на отделни планетни системи, а промяната (във времето) в популацията (по брой) на УЗП в радиус от 100 парсека от Слънцето“.

Анализът на Мадау в крайна сметка показа, че в рамките на 100 парсека от Слънцето може да има до 10 000 скалисти планети в обитаемата зона на тяхната звезда. Той също така констатира, че формирането на УЗП в близост до нашата Слънчева система вероятно е било епизодично, като е започнало с бурно звездообразуване преди около 10-11 милиарда години, последвано от друго събитие, което е достигнало своя пик преди около 5 милиарда години и е довело до формирането на Слънчевата система. Друг интересен извод от математическата система на Мадау е, че повечето от УЗП в радиус от 100 парсека вероятно са по-стари от Слънчевата система, което потвърждава, че ние сме относително късен участник в този празник!

Не по-малко интересно е как това изследване може да повлияе на търсенето на извънземен живот. Използвайки общоприетата хронология за възникването на живота на Земята (абиогенеза) и прилагайки консервативна оценка на разпространението на живота на други планети – параметър f_l от уравнението на Дрейк – Мадау също така определи на какво разстояние от Земята може да се намира най-близката екзопланета с живот:

„По този начин, ако микробният живот е възникнал толкова бързо, колкото на Земята, на повече от 1% от УЗП (което е едно голямо „ако“), можем да очакваме, че най-близката обитаема планета ще бъде на по-малко от 20 парсека [65 светлинни години] от нас“, казва той.

Това би могло да бъде повод за предпазлив оптимизъм при търсенето на маркери за обитаемост и биосигнатури с помощта на следващото поколение големи наземни съоръжения и инструменти. От само себе си се разбира, че откриването на биосигнатури ще бъде изключително трудно. Възможно е също така животът да е толкова рядък, че да не успеем да открием никакви биосигнали в радиус от 1 килопарсека или повече.

Разбира се, няма никаква гаранция, че животът може да съществува на някоя от УЗП в близост до нашата Слънчева система. Причините и закономерностите на абиогенезата са един от най-слабо проучените научни проблеми, главно поради липсата на данни. Въоръжени само с един пример (Земята и земните организми), учените не могат да кажат със сигурност каква комбинация от условия е необходима, за да възникне живот. Мадау също така подчертава, че неговият подход (както и уравнението на Дрейк) е статистически по своята същност. Въпреки това работата му може да има значителни последици за астробиологията в близко бъдеще.

Използвайки нашата Слънчева система като еталон, както и много други параметри, за които има богати данни (напр. звездообразуване, маса, размер, металичност, брой близки екзопланети, които обикалят в обитаемата зона на звездата), учените ще могат да определят приоритетните звездни системи за изследване с телескопи от следващо поколение. Мадау заявява:

„Намирането и характеризирането на подобни на Земята планети ще бъде ключов научен критерий за бъдещите водещи космически мисии. С бързо приближаващата се възможност за откриване на обитаема среда и живот на екзопланетите пред нас стои истинско предизвикателство да разработим оптимална стратегия за наблюдение. Подробните спектрални изследвания на атмосферите на няколко екзопланети трябва да бъдат придружени от популационни изследвания, целящи определяне на тенденциите в свойствата на планетите, и статистически изследвания, които ще оценят вероятността за откриване на биосигнатури“.