В 1960 году, готовясь к первой встрече по поиску внеземного разума (SETI), легендарный астроном и пионер SETI доктор Фрэнк Дрейк представил свое вероятностное уравнение для оценки числа возможных цивилизаций в нашей галактике — известное как уравнение Дрейка. Ключевым параметром в этом уравнении было ne — количество планет в нашей галактике, способных поддерживать жизнь — то есть «обитаемых». В то время астрономы еще не были уверены, что у других звезд есть системы планет. Но благодаря таким миссиям, как «Кеплер», было подтверждено наличие 5523 экзопланет, и еще 9867 ожидают подтверждения. На основании этих данных астрономы сделали различные оценки количества обитаемых планет в нашей галактике — по одной из оценок, их не менее 100 миллиардов. В недавнем исследовании, опубликованном на сервере препринтов arXiv, профессор Пьеро Мадау представил математическую основу для расчета населения обитаемых планет в пределах 100 парсеков (326 световых лет) от нашего Солнца. Предполагая, что Земля и Солнечная система соответствуют норме, Мадау подсчитал, что этот объем космоса может содержать до 11 000 экзопланет земного типа (также известных как скалистые), которые вращаются вокруг обитаемых зон своих звезд (HZ).
Профессор Мадау — профессор астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крус (UCSC). Центральное место в его исследовании занимает принцип Коперника, названный в честь знаменитого польского астронома Николая Коперника, изобретателя гелиоцентрической модели. Этот принцип, также известный как Космологический принцип (или Принцип посредственности), гласит, что ни люди, ни Земля не имеют привилегированного положения для наблюдения за Вселенной. Короче говоря, то, что мы видим, когда смотрим на Солнечную систему и космос, представляет собой целое. В своем исследовании Мадау рассмотрел, как зависящие от времени факторы сыграли жизненно важную роль в возникновении жизни в нашей Вселенной. Сюда входит история звездообразования нашей галактики, обогащение межзвездной среды (МЗС) тяжелыми элементами (сформированными в недрах первой популяции звезд), образование планет и распределение воды и органических молекул между планетами. . Как объяснил Мадау журналу Universe Today, центральная роль времени и возраста явно не подчеркивается в уравнении Дрейка:
«Уравнение Дрейка представляет собой полезное педагогическое обобщение факторов (вероятностей), которые могут повлиять на вероятность обнаружения жизненных миров – и, в конечном итоге, технологически развитых внеземных цивилизаций – вокруг нас сегодня. Но эта вероятность и эти факторы зависят, среди других величин , о звездообразовании и истории химического обогащения местного галактического диска, а также о временной шкале возникновения простой микробной и, в конечном итоге, сложной жизни». Земля — относительный новичок в нашей галактике, она образовалась вместе с нашим Солнцем примерно 4,5 миллиарда лет назад (то есть ее возраст составляет менее 33% от возраста Вселенной). Между тем жизни потребовалось около 500 миллионов лет, чтобы выйти из первобытных условий, существовавших на Земле ок. 4 миллиарда лет назад. Примерно через 500 миллионов лет после этого фотосинтез возник в форме одноклеточных организмов, которые метаболизировали углекислый газ и производили газообразный кислород в качестве побочного продукта. Это постепенно изменило химический состав нашей атмосферы, вызвав Великое событие окисления около 2,4 миллиарда лет назад и, в конечном итоге, возникновение сложных форм жизни.
Последовал долгий и сложный процесс химической и биологической эволюции, который в конечном итоге привел к созданию условий, пригодных для сложной жизни и появлению всех известных видов. Учитывая важность этих зависящих от времени шагов, Мадау утверждает, что уравнение Дрейка — это только часть истории. Заглянув за рамки этого, он создал математическую основу для оценки того, когда в нашем уголке галактики сформировались «планеты умеренного пояса» (TTP) и могла возникнуть микробная жизнь. Эта система позволяет астрономам определить, какие потенциальные целевые звезды (в зависимости от массы, возраста и металличности) могут быть оптимальными кандидатами для поиска атмосферных биосигнатур. Как описал Мадау, его подход состоит в рассмотрении местного населения долгоживущих звезд, экзопланет и ТТП как ряда математических уравнений, которые можно решить численно как функцию времени:
«Эти уравнения описывают скорость изменения звездных, металлических, гигантских и каменистых планет, а также формирование обитаемого мира на протяжении истории окрестностей Солнца, места, где более детальные расчеты оправдываются лавиной новых данных с космических и наземных станций. -объекты и цель звездных и планетарных исследований текущего и следующего поколения.Уравнения носят статистический характер, т.е. они описывают не рождение и эволюцию отдельных планетных систем, а, скорее, изменяющуюся (с течением времени) популяцию (по численности). ТТП в радиусе 100 парсеков от Солнца».
В конечном итоге анализ Мадау показал, что в пределах 100 парсеков от Солнца может находиться до 10 000 каменистых планет, вращающихся вокруг ГЦ своих звезд. Он также обнаружил, что образование ТТП вблизи нашей Солнечной системы, вероятно, было эпизодическим, начиная со вспышки звездообразования примерно 10–11 миллиардов лет назад, за которой последовало другое событие, достигшее пика около 5 миллиардов лет назад и создавшее Солнечную систему. Еще один интересный вывод из математической модели Мадау показывает, что большинство ТТП в пределах 100 парсеков, вероятно, старше Солнечной системы, подтверждая, что мы относительно поздно присоединились к вечеринке.
Не менее интересны последствия, которые это исследование может иметь для поиска внеземной жизни. Используя общепринятую временную шкалу возникновения жизни на Земле (абиогенез) и применяя консервативную оценку распространенности жизни на других планетах (параметр fl уравнения Дрейка), модель Мадау также указала, как далеко может находиться ближайшая экзопланета, на которой есть жизнь. быть: «Итак, если микробная жизнь возникла так же быстро, как и на Земле, в более чем 1% ТТП (и это большое «если»), то можно ожидать, что ближайшая, жизнеподобная планета, похожая на Землю, будет находиться на расстоянии менее 20 ПК от нас [65 световых лет]», — сказал он. «Это может быть поводом для некоторого осторожного оптимизма в поисках маркеров обитаемости и биосигнатур с помощью следующего поколения крупных наземных объектов и приборов. Излишне говорить, что биосигнатуры будет чрезвычайно сложно обнаружить. И также возможно, что жизнь может быть настолько редкой, что в пределах кпк или более нет никаких биосигнатур, которые мы могли бы обнаружить».
Конечно, нет никаких гарантий, что какие-либо ТТП вблизи нашей Солнечной системы могут поддерживать жизнь. Причины и общность абиогенеза — одно из наименее изученных научных направлений, главным образом из-за скудности данных. Вооружившись лишь одним примером (Земля и земные организмы), учёные не могут с уверенностью сказать, какое сочетание условий необходимо для возникновения жизни. Мадау также подчеркивает, что (как и уравнение Дрейка) его подход носит статистический характер. Тем не менее, его работа может иметь значительные последствия для астробиологии в ближайшем будущем. Используя нашу Солнечную систему в качестве ориентира, а также многие другие параметры, по которым имеются объемы данных (например, звездообразование, массу, размер, металличность и количество близлежащих экзопланет, вращающихся в пределах ГЦ звезды), ученые смогут отдать приоритет звездным системам для исследования с использованием телескопов нового поколения.
Сказал Мадау: «Количество и характеристики планет, подобных Земле, станут основным научным показателем для будущих флагманских миссий космического базирования. С быстро приближающейся возможностью поиска обитаемой среды и жизни на экзопланетах возникает реальная проблема: Разработка оптимальной стратегии наблюдений. Детальные спектральные исследования атмосфер нескольких экзопланет должны сопровождаться популяционными исследованиями, направленными на выявление тенденций в свойствах планет, и статистическими исследованиями, которые позволят нам оценить вероятность обнаружения биосигнатур».
