Когда Антонио произносит свою знаменитую фразу во втором акте «Бури»,

(И волей этой же судьбы) свершить деянье,

Для коего все прошлое — лишь пролог, а то, что грядет,

Предоставлено твоему и моему попечению,

пытаясь убедить Себастьяна убить его отца, короля Неаполя, и завладеть короной, он имел в виду нечто весьма отличное от того, что предполагают современные интерпретации. Призывая к столь гнусному злодеянию, он пытается донести мысль, что уже случившееся лишь подготавливает сцену для по-настоящему важных событий — тех, на которых будет зиждиться «наше собственное величие». Следовательно, в отличие от прошлого, будущее не предопределено и не предрешено, а полностью открыто для свободной воли действующих лиц. Это очень удачная метафора для прояснения связи между разумной жизнью во Вселенной и физическими процессами, которые создали условия для ее существования в ходе космологической истории. В отличие от других физических явлений, жизнь и разум могут — в достаточно свободном, но вполне реальном смысле — сами выбирать свою будущую судьбу. В еще более широком смысле эта фраза прекрасно отражает дилемму, присущую исследованию парадокса Ферми: изучение уже сформировавшегося исторического фона может дать нам лишь ограниченный объем знаний по сравнению с огромным множеством возможных эволюционных траекторий, по которым разумное сообщество может пойти в будущем. Мы лишь недавно начали хотя бы отчасти научно осмысливать это колоссальное пространство возможностей, хотя, как это часто бывает, некоторые деятели искусства и философы оказались тут первопроходцами. Настоящее и будущее неизмеримо масштабнее прошлого¹.

В меньшей степени аналогичный вывод справедлив как для пространства, так и для времени. Неоднородность локальных условий во всей Вселенной (даже если мы ограничим анализ нашей Галактикой) затмевает все, с чем до сих пор сталкивалась эволюция в известном нам виде на Земле. Это означает, что представление об астробиологическом ландшафте как о совокупности большего или меньшего числа землеподобных планет неизбежно ограничивает как количественные, так и качественные результаты нашего анализа. В свою очередь, это понимание может принести и освобождение: более смелые предположения, согласующиеся с законами физики и некоторыми общими соображениями вроде принципа Коперника, не должны быть обременены прошлым опытом и локальной спецификой.

Это не означает, что мы не должны учитывать все космологические и астрофизические данные в наших попытках адекватно оценить высокосложные области астробиологического ландшафта; нам просто нужно проявлять осторожность при экстраполяции прошлого опыта и наших локальных астрофизических и астробиологических данных. Эти данные, представленные в настоящей главе, служат мощным инструментом, ставшим доступным благодаря колоссальному прогрессу в наших астрономических знаниях со времен Ферми. Астробиологическая революция, начавшаяся в 1995 году, не просто радикально изменила наши общие взгляды на поиск жизни и разума за пределами Земли; она добилась этого статуса, доказав, что строгая наука способна двигаться по пути, который еще пару десятилетий назад считался безумными гипотезами и научной фантастикой. Нет никаких оснований полагать, что подобное партнерство между научными исследованиями и умозрительными гипотезами, включая научно-фантастический дискурс, не сможет продолжиться в XXI веке еще более быстрыми темпами.

Главное отличие от времен знаменитого обеда Ферми состоит в том, что сегодня мы гораздо лучше понимаем космологический и астрофизический фон, необходимый для возникновения разумных существ. Хотя в общих чертах вопрос о важности космологии для астробиологических исследований подробно обсуждался в книге «Астробиологический ландшафт»,² здесь я попытаюсь представить лишь краткий обзор некоторых ключевых данных и концепций с общей точки зрения SETI, сделав упор на темах, имеющих непосредственное отношение к парадоксу Ферми. В частности, сначала я представлю новую стандартную космологическую парадигму как общий базис для эволюции любого типа сложности, особенно тех ее пиков, которые представляют собой цели для SETI — то есть сообществ разумных наблюдателей. Одной из ключевых концепций, значимых для парадокса Ферми, является существование космологических горизонтов, очерчивающих пространственно-временной объем, в пределах которого имеет смысл искать следы и проявления таких разумных сообществ. Наконец, на локальном астрономическом уровне в Млечном Пути мы обратимся к конкретной подобласти — Галактической зоне обитаемости, где наиболее вероятно протекание процессов абиогенеза и ноогенеза. Хотя это не ограничивает протяженность региона, содержащего потенциальные цели для SETI, это, безусловно, влияет на его форму и эволюцию. Концепции, представленные в этой главе, будут активно использоваться при формулировании и оценке различных частных гипотез разрешения парадокса Ферми в главах 4–7.3

2.1  Новая стандартная космологическая модель

Космология после 1998 года ознаменовалась появлением новой парадигмы, часто называемой новой стандартной космологической моделью, которая представляет собой пересмотр стандартной космологии, сложившейся после 1965 года и открытия реликтового излучения. Наблюдения космологических сверхновых, опубликованные в 1998 году (и принесшие исследователям Нобелевскую премию по физике в 2011 году), подкрепленные данными космического аппарата WMAP (Wilkinson Microwave Anisotropy Probe) и миссии Planck, разрешили загадку «трех чисел» классической космологии и положили начало современной эпохе исследований происхождения крупномасштабной структуры Вселенной.⁴ Хотя именно эта новая стандартная космология (также называемая моделью Lambda-Cold Dark Matter, или λCDM) служит основой для нашего исследования парадокса Ферми, здесь уместно сделать несколько исторических замечаний по ряду причин, включая проведение часто упоминаемой аналогии между нашей проблемой и старинным космологическим ребусом — парадоксом Ольберса (парадоксом «темного ночного неба»).

Первая космологическая революция фактически произошла в 1920-х и 1930-х годах, когда применение локальной теории гравитации Эйнштейна — общей теории относительности — впервые позволило объяснить поразительный новый факт: глобальное расширение Вселенной. Модели Фридмана, представляющие собой динамические решения уравнений поля Эйнштейна для космологического случая, показали, что Вселенная эволюционирует из первоначального состояния экстремальной плотности и что ее прошлое конечно. Начальная сингулярность, поначалу считавшаяся математическим артефактом, не имеющим связи с физической реальностью, уступила место «первичному атому» Леметра и «космическому яйцу» Гамова, которые впоследствии развились в космологические модели Большого взрыва в том виде, в каком мы знаем их сегодня. После периода «великих споров» (1948–1965 годы) эта конечная протяженность прошлого нашего космологического домена — и тем более конечный возраст любой структуры внутри него — была окончательно доказана. Этот период ознаменовался становлением космологии как прочно обоснованной эмпирической физической науки в ходе серии экспериментальных проверок различных парадигм, кульминацией которых стало открытие реликтового излучения Пензиасом и Вильсоном в 1965 году.⁵ Однако количественная точность была достигнута лишь в период после 1998 года благодаря использованию таких передовых инструментов, как обсерватории COBE, WMAP и Planck, наблюдениям сверхновых на космологических расстояниях и составлению огромных каталогов галактик, таких как Слоановский цифровой обзор неба (Sloan Digital Sky Survey).⁶

Кроме того, вокруг формирующейся парадигмы Большого взрыва возникли вспомогательные теории — показавшие первоклассные результаты! — такие как теория первичного нуклеосинтеза (очень успешная), теория формирования структуры λCDM (успешная частично) и различные инфляционные сценарии (все еще довольно умозрительные, но обладающие огромным объяснительным потенциалом). Становление новой области квантовой космологии, а также все более тесная синергия между физикой элементарных частиц и космологией ранней Вселенной способствовали настоящему взрыву космологических открытий, свидетелями которого мы стали за последние три десятилетия или около того.

Самым важным процессом в истории нашей Вселенной является формирование структуры, которое можно интерпретировать как нарушение космологического принципа однородности и изотропии Вселенной на больших пространственных масштабах. Это конкретный пример ключевого фундаментального процесса спонтанного нарушения симметрии, который обусловливает весь — или почти весь — информационный объем Вселенной. Мы можем представить себе очень раннее состояние Вселенной как однородный «суп» из элементарных частиц и полей, полностью описываемый небольшим объемом информации (например, спектром частиц, плотностью и температурой), измеряемым максимум десятками или сотнями битов. Сегодня Вселенная невероятно сложна: для адекватного описания той ее части, что находится внутри нашего космологического горизонта, требуется, возможно, до 10¹²⁰ битов.⁷ Большая часть этой сложности сосредоточена в живых существах — как на Земле, так и везде, где они могут обитать; еще более грандиозным потенциальным «резервуаром» сложности служат разумные существа и их творения, некоторые из которых как раз и могут быть обнаружены в ходе современных и будущих исследований SETI.

Возраст Вселенной, согласно самым последним высокоточным космологическим данным, составляет⁸

τ = (13.798 ± 0.037) × 10⁹ years. (2.1)

Этот результат был получен на основе согласования различных измерений — в первую очередь со спутников Planck и WMAP — с наблюдениями ранних сверхновых типа Ia и степенью кластеризации обычных светящихся галактик при различных красных смещениях (так называемыми барионными акустическими осцилляциями). Как минимум, это верхняя граница возраста любого объекта или любого типа структуры внутри нашего космологического домена (который представляет собой более широкое множество, нежели просто видимая Вселенная; под последней понимается Вселенная внутри нашего космологического горизонта; см. раздел 2.4). Конечно, более существенной с астробиологической точки зрения является эпоха начала обитаемости, для которой должны быть выполнены соответствующие условия, особенно те, что связаны с формированием землеподобных планет. В недавней статье Абрахам Лёб утверждал, что в очень ранней Вселенной существовал короткий период продолжительностью около 7 млн лет (примерно через 10 млн лет после Большого взрыва), когда энергия, необходимая для жизни, могла обеспечиваться реликтовым излучением (которое в ту эпоху, конечно, еще не было в полном смысле микроволновым, поскольку максимум его излучения приходился на инфракрасную область спектра, что соответствовало температурному диапазону 273–373 К, в котором существует жидкая вода).⁹ Это позволило бы планетам — если таковые вообще существовали столь рано, что пока неясно — на далекой периферии их планетных систем быть обитаемыми независимо от их родительских звезд. Тот факт, что металличность, необходимая для формирования не только форм жизни, но и самих планет земного типа или их спутников, в то время была бы крайне низкой, а также кратковременность этой эпохи, служат весомыми аргументами против возможности укоренения жизни на столь раннем этапе. Тем не менее, хотя бы на концептуальном уровне, гипотеза Лёба способствует расширению пространственно-временных границ традиционно понимаемых зон обитаемости; подробнее об этом пойдет речь в разделе 2.3. Пока же нам следует отметить, что существование галактик и других уровней космологической структуры, по-видимому, является необходимой предпосылкой для возникновения любого типа жизни и разума. Однако оно не обязательно должно быть непременным условием для последнего, поскольку мы можем представить себе не только развитые технологические цивилизации, живущие и путешествующие за пределами традиционно понимаемых структур (например, совершающие межгалактические путешествия), но и, следуя по стопам «Создателя звёзд» Олафа Стэплдона, даже перестраивающие или преобразующие такие структуры к собственной выгоде.¹⁰ Это еще один пример того, что нам необходимо противостоять искушению судить о будущем (и, возможно, о настоящем) на основе преимущественно безжизненного и лишенного разумной жизни прошлого.

Хотя наша Вселенная в целом, очевидно, обитаема, весьма актуален вопрос о том, какие именно части космологической структуры способны поддерживать жизнь — и насколько вероятно возникновение жизни в ту или иную эпоху. Поскольку бо́льшую часть пространственного объема Вселенной составляет межгалактическое пространство, которое заведомо непригодно для жизни, нам необходимо искать пики плотности материи, соответствующие таким структурам, как галактики, а также группы и скопления галактик. Господствующей парадигмой формирования структуры в новой стандартной космологии по-прежнему остается концепция «снизу вверх» с преобладанием холодной темной материи (CDM), предполагающая, что сначала формировались более мелкие структуры, которые затем объединялись в более крупные. В частности, отдельные галактики сформировались раньше, чем небольшие группы (такие как Местная группа, в которой живем мы) и скопления галактик (такие как скопление Девы — ближайшее к нам богатое скопление галактик, насчитывающее около 2000 галактик); сами галактики, по всей видимости, собирались из уже существовавших протогалактических фрагментов и впоследствии росли, поглощая как другие подобные фрагменты, так и множество карликовых галактик на протяжении своей истории. Наш Млечный Путь изобилует остатками подобных эпизодов галактического каннибализма.¹¹

2.2  Размер и возраст Галактики

Поскольку парадокс Ферми обычно — хотя, как мы видели, не всегда и не обязательно — формулируется в контексте Млечного Пути, имеет смысл вкратце напомнить важные астрофизические факты о нашей Галактической обители. В то же время подобное рассуждение служит хорошим введением в важное понятие Галактической зоны обитаемости (далее — ГЗО), которая является одним из наиболее значимых направлений исследований в современной астробиологии, а также концепцией, имеющей очевидное значение для SETI и загадки Ферми.

Млечный Путь — это спиральная галактика с перемычкой (баром), обычно классифицируемая как «SBc» в морфологической классификации галактик Хаббла («камертонная диаграмма»).¹² Из-за очевидного факта, что мы не можем наблюдать Млечный Путь со стороны, это свойство — как и некоторые другие описательные параметры нашей звездной системы — остается в некоторой степени дискуссионным. То, что мы можем видеть из нашей точки наблюдения глубоко внутри диска, показано на рисунке 2.1: наблюдается сильная концентрация как звездного, так и межзвездного вещества в плоскости диска. Хотя размер видимого диска Галактики (примерно соответствующий тому, что астрономы называют радиусом Холмберга13), как считается, составляет около 20 кпк, сегодня мы знаем, что действительно важная с точки зрения динамики материя, связанная с любой галактикой, простирается гораздо дальше. В частности, для галактик, подобных Млечному Пути (гигантских спиралей), гало темной материи простирается на галактоцентрическое расстояние не менее 50 кпк (прямые и неоспоримые доказательства), а возможно, и до 300 кпк (согласно множеству косвенных свидетельств, число которых растет с каждым годом). Хотя бо́льшая часть массы этого темного гало состоит из небарионной холодной темной материи, в нем присутствует и незначительное количество барионов, вероятно, в форме чрезвычайно разреженной и очень горячей водородно-гелиевой плазмы.¹⁴ В огромном объеме Галактического гало крайне мало звезд или каких-либо других «вещей» или «объектов» в традиционном понимании; любые события, интересные с точки зрения астробиологии и SETI, наверняка разворачиваются в пределах радиуса Холмберга Галактики.¹⁵

Рисунок 2.1  Млечный Путь, запечатленный обсерваторией Gaia Европейского космического агентства

(ESA) в течение первого года ее наблюдений, с июля 2014 года по сентябрь 2015 года. Другие галактики Местной

группы видны на изображении, в частности Большое Магелланово Облако и Малое Магелланово Облако, а также M31 и M33. Некоторые артефакты процедуры наблюдения также заметны — изогнутые структуры и более темные полосы имеют не астрономическое происхождение, а отражают особенности процесса сканирования. Поскольку эта карта основана на наблюдениях, выполненных в течение первого года миссии, обзор неба еще не является однородным; это отражает как постепенный характер накопления наших астрономических знаний, так и всепроникающий характер эффектов отбора, систематических погрешностей

и артефактов — весьма полезный урок для астробиологии и исследований по программе SETI.

Источник: Предоставлено ESA/Gaia/DPAC

По общепринятым оценкам, Галактика содержит около 3 × 1011 звезд. Сюда входят видимые звездные объекты в диске Млечного Пути; в гало же находится малоизученное количество рассеянных массивных компактных объектов гало (MACHO), которые могут быть (или не быть) остатками предыдущих поколений звезд, такими как белые или черные карлики или старые нейтронные звезды, а также субзвездными объектами (коричневыми карликами или планетами-гигантами). Звезды различных спектральных классов распределены по Млечному Пути неравномерно, причем классы, наиболее интересные для астробиологов — приблизительно звезды F, G и K, — концентрируются к плоскости Галактики.¹⁶ Хотя данные о планетах, очевидно, эмпирически гораздо более скудны, предварительные оценки показывают, что общее число планет огромно — вероятно, существенно выше числа звезд и ненамного меньше даже в самых консервативных моделях.¹⁷ Это особенно важно в контексте «расширенной обитаемости», которая рассматривает среды обитания, подобные Европе или Титану, как по меньшей мере потенциально интересные. В Млечном Пути вполне может быть более 1012 таких сред обитания, не говоря уже о более гипотетических вариантах, таких как свободно плавающие планеты, число которых на несколько порядков больше.¹⁸

Галактика состоит из нескольких компонентов: гало, балджа, бара, тонкого диска и толстого диска. Компонент, представляющий наибольший интерес для астробиологов, — это тонкий диск. В тонком диске находятся все богатые металлами звезды, подобные нашему Солнцу и относимые к звездному населению I типа. (В нем также содержатся все гигантские молекулярные облака, кометы и другие объекты, которые иногда гипотетически рассматриваются как альтернативные, непланетарные среды обитания для жизни; и, поскольку химия имеет хоть какое-то значение для этих альтернативных форм жизни, интересную химию можно обнаружить только в тонком диске.) Тонкий диск заметно моложе самой Галактики: если возраст старейших объектов Млечного Пути, проэволюционировавших шаровых скоплений, составляет около 13 млрд лет, то возраст населения тонкого диска обычно не превышает 10 млрд лет.¹⁹ Как следует из названия, тонкий диск представляет собой весьма сплюснутую систему; фактически он настолько плоский, что во многих численных моделях имеет смысл учитывать только два измерения — галактоцентрическое расстояние и угловую координату в плоскости Галактики. Если какой-либо процесс изотропен в том смысле, что в среднем отсутствует зависимость от углового положения, то для задания пространственных координат требуется лишь одна координата — галактоцентрическое расстояние. При нашем нынешнем, весьма скудном понимании предпосылок астробиологической эволюции имеет смысл использовать эту одномерную модель для большинства соответствующих процессов. Хотя нам следует признать возможные исключения (например, вертикальные колебания относительно плоскости Галактики могут приводить к гравитационным возмущениям в облаке Оорта, вызывая тем самым кометные ливни на обитаемых планетах; или же спиральные рукава Галактики могут нести повышенный риск близких вспышек сверхновых или встреч с гигантскими молекулярными облаками, что чревато последствиями для форм жизни²⁰), на данный момент даже модели, учитывающие только радиальную зависимость, дают богатые и неожиданные результаты, большинство из которых были получены лишь с начала нынешнего века.

Солнце расположено вблизи внутреннего края рукава Ориона нашей Галактики, на расстоянии 8,33 ± 0,35 кпк от Галактического центра. В ходе астрономического прогресса XX века это расстояние постепенно «сокращалось» — от первоначальной грубой оценки в 10 кпк до принятого МАС значения в 8,5 кпк и, наконец, до современного значения. Возраст Солнечной системы обычно оценивается в²¹

τ_⊙ = (4.5681 ± 0.0004) × 10⁹ years. (2.2)

Разумеется, необходимо учитывать, что четко определенного «возраста Солнечной системы» может вообще не существовать, поскольку различные части нашей планетной системы возникли в разное время; ярчайшим примером этого является Луна, которая, согласно преобладающей теории, образовалась в результате медленного столкновения с Землей через 20–100 млн лет после формирования нашей планеты.

Солнце со своей свитой планет и других тел Солнечной системы обращается вокруг Галактического центра с периодом около 250 млн лет и совершает колебания как в плоскости Галактики (радиальные колебания), так и перпендикулярно ей (вертикальные колебания). Небольшие радиальные колебания означают, что с точки зрения наблюдателя в инерциальной системе Галактического центра орбита Солнца не является замкнутой, а образует фигуру в виде розетки. Что касается вертикальных колебаний, наша планетная система в настоящее время находится очень близко к плоскости Галактики и совершает вертикальные движения относительно нее с амплитудой около 100 пк и периодом около 87 млн лет.²² Вопрос о том, связаны ли эти астрофизические временные масштабы причинно-следственной связью с историей земной биосферы, остается сложным и интригующим с середины 1980-х годов и не решен по сей день.²³ В любом случае эти временные масштабы играют определенную роль в концепции Галактической зоны обитаемости, которая будет рассмотрена в разделе 2.3.

Что касается временной протяженности Млечного Пути, то она охватывает бóльшую часть истории Вселенной, определяемой уравнением (2.1). В 2013 году появились сообщения, что наиболее вероятный возраст известной звезды-субгиганта HD 140283, принадлежащей к чрезвычайно старому и бедному металлами населению гало, составляет 14,5 ± 0,8 млрд лет, что в пределах погрешности совпадает с возрастом Вселенной из уравнения (2.1)!²⁴ Хотя предположение о том, что звезда может быть старше Вселенной, разумеется, абсурдно (погрешности здесь, скорее всего, занижены), это свидетельствует о том, что процесс формирования структур шел относительно быстро, а первые звезды образовались всего через несколько сотен миллионов лет после Большого взрыва. Наше Солнце, как мы знаем из уравнения (2.2), представляет собой относительно молодую звезду диска. А на другом конце шкалы мы наблюдаем в Млечном Пути множество областей активного звездообразования (Орион, Телец и др.), где можно обнаружить звезды практически нулевого возраста. Звездообразование будет продолжаться в будущем Галактики еще очень долго — оценки в области физической эсхатологии простираются вплоть до 1012–1014 лет в будущем.²⁵ В отличие от предполагаемого отсутствия намеренного вмешательства в галактическом прошлом, такое отсутствие ничем не обосновано — да и в целом вряд ли является верным допущением — для будущего, в котором разумные существа, земные и внеземные (если они существуют), по всей видимости, окажут огромное влияние на свою астрофизическую среду. По причинам, которые могут быть как очевидными, так и непостижимыми, высокоразвитые технологические цивилизации могут решить продлить или сократить временные масштабы звездообразования. Некоторые из наиболее очевидных причин для этого мы обсудим в последующих главах.

Пригодность планет для жизни, определяемая земным типом жизни (и его умеренными расширениями), вытекает из свойств конкретных звездных и планетных населений Галактики. В частности, именно химический состав и динамические свойства звезд населения I в тонком диске Млечного Пути делают их планетные системы потенциально обитаемыми. Здесь необходимо провести одно важное различие между необходимыми и достаточными условиями обитаемости. Очевидно, что мы в состоянии установить некоторые из необходимых условий обитаемости, даже не имея глубокого теоретического понимания феномена жизни. Однако в высшей степени сомнительно (в лучшем случае), можно ли определить весь набор достаточных условий без такого глубокого понимания. Это порой приводит к путанице, особенно в научно-популярных материалах; смешение необходимых и достаточных условий служит одним из главных источников ошибок, заблуждений, затуманивания смысла и предрассудков нашей эпохи. Верный способ разграничить эти два понятия кроется в одной из наиболее интересных новых концепций, предложенных астробиологической революцией.

2.3. Галактическая зона обитаемости

Одна из ключевых вех в истории астробиологии связано с концепцией Галактической зоны обитаемости. Этот термин впервые появился в знаковой работе Гонсалеса, Браунли и Уорда в 2001 году, хотя идея о том, что не все уголки Вселенной одинаково гостеприимны для жизни, уходит корнями в прошлое.²⁶ У нее были примечательные предшественники, включая Альфреда Рассела Уоллеса, который в своей знаменитой книге 1903 года «Место человека во Вселенной» утверждал, что лишь ограниченное число положений, которые Земля и Солнце могли бы занимать внутри нашей звездной системы, сделало бы возможным абиогенез и эволюцию жизни на нашей планете. Что интересно, Уоллес пришел к глубоко ошибочному выводу, будто обитаемость нашей Солнечной системы обусловлена ее расположением вблизи центра Млечного Пути! Однако сама лежащая в основе этого логика — а именно то, что, стоит нам признать Землю и нашу планетную систему незамкнутыми системами, вероятность зарождения жизни и разума должна варьироваться по всему спектру возможных пространственных координат в Галактике, — абсолютно верна. Двоякая задача, состоящая в том, чтобы (i) правильно определить все меняющиеся в пространстве причинные факторы, влияющие на обитаемость планеты, и (ii) верно количественно оценить влияние этих факторов на распределение потенциально обитаемых планет, оказалась крепким орешком даже при всех успехах современной астрофизики.

Со времени краха модели нашей звездной системы Каптейна (и Уоллеса) и пионерских работ Шепли, 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:

τ_L ≡ τ_med − 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 R_out 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 его коллеги повторили исследование Лайнуивера по оценке количества планет земного типа, использовав улучшенные модели формирования и эволюции галактик. Результаты поразительны, поскольку они увеличивают шкалу Лайнвивера примерно до 2,7 млрд лет для родительских звезд, принадлежащих к стандартным спектральным классам F, G и K; если же мы включим красные карлики спектрального класса M — подобные родительской звезде системы TRAPPIST-1, — это значение возрастает еще сильнее, примерно до 3,8 млрд лет!³⁶ Хотя мы можем — и должны! — сомневаться в точности этих новых исследований, важно обратить внимание на общий вывод: огромная доля всего пространственно-временного объема Млечного Пути пригодна для жизни даже при нашей довольно ограниченной трактовке обитаемости³⁷.

В целом наилучшее подтверждение того, что астробиологические исследования обитаемости находятся на верном пути, дают космологические симуляции, которые начинаются как можно ближе к «первым принципам». Недавно появились две такие работы: Бранислава Вукотича с соавторами в 2016 году и Дункана Форгана с соавторами в 2017 году; они открыли новое направление исследований, задействовав космологические моделирование задачи N тел для определения происхождения, протяженности и эволюции ГЗО. Тот факт, что полученные результаты весьма схожи, несмотря на различное программное обеспечение, начальные условия и методологию, и что оба исследования в целом согласуются с полуаналитическими работами Лайнвивера и его коллег, Закриссона и его коллег, а также Берузи и Пиплс, ясно показывает, что астробиологическая теория достигла зрелости. Типичные результаты этих крупномасштабных численных симуляций представлены на рисунках 2.3 и 2.4.

В любом случае представляется несомненным, что самые внутренние области Галактики не благоприятствуют возникновению сложных биосфер и разумных форм жизни. Однако, хотя ГЗО имеет решающее значение для возникновения разумных существ, она не накладывает существенных ограничений на их последующую экспансию. На самом деле существует множество

Рисунок 2.3  Поверхностная плотность звездной массы в смоделированной галактике, подобной Млечному Пути. Данная модель задачи N тел

методом гидродинамики сглаженных частиц была создана с явной целью

изучения обитаемости. Представленные здесь результаты — с шагом в 10⁹ лет, начиная с эпохи формирования диска, — отражают необходимый астрофизический фон для любых поисков жизни. Именно такая численная астробиология способна улучшить наше понимание

Галактической зоны обитаемости и ее наблюдаемых свойств.

Источник: Vukotić, B., Steinhauser, D., Martinez-Aviles, G., Ćirković, M. M., Mićić, M., and Schindler, S. 2016,

«„Величие в этом воззрении на жизнь“: симуляционные модели Галактической зоны обитаемости методом N тел», Mon. Notices Royal Astron. Soc. 459, 3512–24. Любезно предоставлено Браниславом Вукотичем.

Рисунок 2.4 Доля пригодных для жизни ячеек сетки в смоделированной галактике, подобной Млечному Пути, как функция галактоцентрического расстояния ρ для различных эпох галактической истории. Это не число обитаемых планетных систем, поскольку ячейка сетки всё ещё значительно больше объёма пространства, должным образом отведённого под одну планетную систему; в этом отношении данная численная модель всё ещё напоминает «крупнозернистую» сетку. Эти ячейки можно представить как содержащие как минимум одну пригодную для жизни планету среди своих звёзд, в отличие от «мёртвых» объёмов пространства. Мы замечаем, что на более поздних этапах Галактическая зона обитаемости становится отчётливо выраженной и приобретает структуру, более сложную, чем структура наивного «круглого кольца».

Источник: Vukotic´, B., Steinhauser, D., Martinez-Aviles, G., C ´ irkovic´, M. M., Micic, M., and Schindler, S. 2016,

«„Величие в этом воззрении на жизнь“: симуляционные модели Галактической зоны обитаемости методом N тел», Royal Astron. Soc. 459, 3512–24. Любезно предоставлено Браниславом Вукотичем — Mon. Notices

Мыслимые причины, по которым разумные существа, достигнув статуса развитой технологической цивилизации, стали бы расширять свои границы за пределы ГЗО. Некоторые из этих причин носят чисто экономический характер: в конце концов, количество галактических ресурсов, расположенных за пределами ГЗО, значительно превышает их количество внутри неё. Хотя точная разница зависит от определения термина «ресурсы» (например, получат ли развитые цивилизации доступ к дешевой ядерной трансмутации химических элементов³⁸) и от плохо изученной внутренней границы ГЗО, очевидно, что это неравенство послужило бы сильным стимулом для экспансии. Могут существовать также соображения безопасности и этического характера: в конце концов, если в ГЗО возникают другие цивилизации, вероятность конфликта возрастает, если использование ресурсов осуществляется исключительно в их общих астрономических окрестностях.

В контексте исследований SETI можно пойти ещё дальше и постулировать существование Галактической технологической зоны (ГТЗ), которая может, но не обязательно должна, частично совпадать с ГЗО³⁹. Она представляла бы собой совокупность пространственных локаций, где существуют передовые технологические цивилизации и/или где они сосредоточивают основную часть своей материальной базы (в достаточно обобщённом смысле). Сам факт того, что любая технология ограничена законами физики — даже если в достаточно продвинутой форме она могла бы производить иное впе- чатление, как отмечал сэр Артур Кларк, — означает, что ГТЗ, очевидно, является целевой областью для практических проектов SETI. Довольно тривиально, но SETI не может по-настоящему исследовать распределение разумной жизни, если по какой-либо мыслимой причине она не развивает технологии (опять же, в достаточно обобщённом смысле, поскольку они могут чрезвычайно отличаться от того, что мы обычно понимаем под технологиями⁴⁰). Если есть доля правды в аргументах, часто приводившихся на ранних этапах развития SETI, о том, что морские виды могли развить интеллект, но не технологии из-за гидродинамических ограничений и нехватки окислителей, — такие морские медитирующие разумы невозможно было бы обнаружить с помощью проектов SETI. Насколько сильно ГТЗ расходится с ГЗО, зависит от общего астробиологического ландшафта Галактики — если бы мы это знали, мы бы уже нашли верное решение парадокса Ферми, и эта книга была бы излишней. Тем не менее, некоторые выводы можно сделать даже в нашем состоянии неведения. Учитывая размеры ГЗО, представляется очевидным, что для выхода за её пределы из средней точки внутри неё потребовались бы весьма развитые межзвёздные путешествия. Это предполагало бы наличие очень передовых технологий, сопоставимых по меньшей мере с цивилизациями II типа по шкале Кардашёва. Поиски признаков внеземной технологической активности в других галактиках (такие как инфракрасный обзор Ĝ или работа по поиску возможных аномалий на диаграмме масса — светимость) фактически представляют собой попытки обнаружить ГТЗ; хотя такие неортодоксальные проекты SETI всё ещё находятся в зачаточном состоянии, полученные к настоящему времени отрицательные результаты уже чрезвычайно сузили пространство параметров, описывающих очень развитые цивилизации — III типа по шкале Кардашёва и, возможно, некоторые цивилизации типа 2.x.

Существует некоторая критика концепции ГЗО, встречающаяся в недавней литературе или в менее формальном контексте конференций и дискуссий в блогах. Это происходит на фоне периодического «громкого молчания» вокруг неё: например, термин «Галактическая зона обитаемости» примечательно отсутствует в предметных указателях к Complete Course in Astrobiology, к недавней специализированной хрестоматии Fitness of the Cosmos for Life и к популярной и увлекательной книге Confessions of an Alien Hunter⁴¹. Критику можно разделить на две категории: общие замечания, основанные на мнимом консерватизме в отношении внеземной жизни, и техническая критика полезности самой концепции. Аргументы первой категории аналогичны критике того, что сосредоточение внимания исключительно на околозвёздных зонах обитаемости слишком ограничивает рамки исследований, поскольку оно не учитывает возможность подлёдной жизни на Европе и других спутниках газовых гигантов, нагреваемых за счёт приливной диссипации, а не солнечного света. Когда мы переходим к пространственным масштабам, превосходящим масштабы планетной системы, открываются другие, чрезвычайно разнообразные возможности. О потенциальных средах обитания, существующих благодаря радиоактивному распаду или даже гравитационному коллапсу, рассуждали как учёные, так и писатели-фантасты. Таким образом, согласно этой форме критики, концепция ГЗО основана на ошибочном овеществлении понятия обитаемости применительно к земным формам жизни⁴².

Во второй категории можно встретить весьма весомую критику, суть которой сводится к тому, что термин «ГЗО» предполагает градуалистский характер изменений — допущение, не слишком подтверждаемое свидетельствами. Напротив, сильные локальные флуктуации могут, в принципе, свести на нет те корреляции, на которых основана эта концепция. Рассмотрим, к примеру, градиент распространенности химических элементов в Галактике. Он, очевидно, является результатом процесса усреднения, при котором показатели металличности различных объектов и вдоль различных лучей зрения измеряются и сводятся в общую картину, демонстрирующую этот градиент. Эта картина неполна по двум причинам: (i) мы, очевидно, никогда не сможем надеяться охватить измерениями все локации в Галактике и вынуждены полагаться на конечные и обычно небольшие выборки, и (ii) характер химической эволюции вещества в Галактике таков, что химическое обогащение происходит неоднородно, а перемешивание обогащенной межзвездной среды никогда не бывает идеальным. Обе эти причины оставляют простор для флуктуаций, выходящих за рамки измеренного среднего градиента; это означает, что, к примеру, локальная область с высокой металличностью может сформироваться за пределами внешней границы ГЗО и дать начало пригодной для жизни — и фактически обитаемой — планете.

(Точно так же может случиться, что уже сформировавшаяся и обитаемая планетная система — или же система на стадии формирования — будет выброшена в результате тесного сближения с другой проходящей мимо звездой. Этот механизм гравитационной пращи хорошо изучен и в масштабах астрономического времени должен срабатывать с достаточной регулярностью⁴³. Таким образом, мы можем обоснованно ожидать обнаружения какой-то пригодной для жизни или даже обитаемой планетной системы за пределами ГЗО, возможно, даже вне галактического диска. Кроме того, выброшенной может оказаться и одиночная землеподобная планета; расчеты, проведенные Грегори Лафлином и Фредом К. Адамсом, показывают, что существует очень малая, но ненулевая вероятность того, что Землю постигнет подобная участь до того, как наша планета станет непригодной для сложной жизни из-за неуправляемого парникового эффекта (примерно через 1 млрд лет), или до того, как Солнце вступит в фазу эволюции на асимптотической ветви гигантов и уничтожит её (примерно через 6 млрд лет)⁴⁴.)

Но это лишь начало истории, поскольку, если принять во внимание процессы, происходящие после формирования пригодной для жизни планеты и абиогенеза на ней, мы можем столкнуться с классической ситуацией «эффекта бабочки», когда ничтожные локальные причины способны вызвать масштабные глобальные последствия. Это вызывает тревогу с точки зрения состоятельности концепции ГЗО, поскольку малая вероятность первоначального события может компенсироваться его огромным последующим влиянием. Если древняя доктрина панспермии верна в каком-либо из ее современных вариантов⁴⁵, обитаемая планета вскоре после абиогенеза могла бы стать «источником» жизни — и, если бы это произошло достаточно быстро, обширные области за пределами ГЗО к настоящему времени уже могли быть «заражены». Кроме того, эти «зараженные» участки могли бы стать вторичными «источниками» — опять же, возможно, далеко за пределами первоначальных границ ГЗО.

Поэтому термин «Галактическая зона обитаемости» всегда следует использовать с осторожностью. Высказываемая в ее адрес критика, безусловно, в некоторой степени оправдана — но на каждое возражение можно ответить с точки зрения теоретической и практической полезности. Овеществление земной обитаемости до некоторой степени неизбежно, поскольку у нас нет ни эмпирических данных, ни серьезных теоретических моделей радикально иной формы жизни, а значит, и радикально иной концепции обитаемости. Если и когда ситуация в этом отношении изменится, у нас появятся основания для обобщения или даже полного отказа от ГЗО как концепции. А пока, как и в большинстве других астробиологических исследований, нам следует помнить об ограничении ГЗО рамками представлений, связанных с земной жизнью, а именно: необходимой для нее (био)химической основой, потребностью в планетах земного типа, стабильностью условий и так далее. Хотя суждение о том, является ли подобная схема слишком узкой или слишком широкой, всегда субъективно, неоспоримо то, что она служит необходимым базисом и фундаментом для любого рода астробиологического мышления. Даже если мы являемся самыми радикальными сторонниками альтернативных форм жизни — кремниевой жизни или парящей юпитерианской фауны Сагана — Салпитера, — единственный способ говорить об их специфических свойствах состоит в их противопоставлении земным формам жизни⁴⁶. Таким образом, земная пригодность для жизни по-прежнему остается нормой в ее надлежащим образом ослабленном методологическом смысле; следовательно, ГЗО вполне оправдана как рабочая концепция.

То же самое относится и к другим направлениям критических нападок. Хотя область, охватываемая ГЗО, никогда не сможет претендовать на то, чтобы содержать абсолютно все потенциальные среды обитания с традиционной пригодностью для жизни, она все же будет охватывать большинство из них. По сути, это статистическая концепция, предполагающая наличие исключений и отклонений, как и любая другая статистическая концепция в принципе. Таким образом, любая надежда провести четкие границы ГЗО иллюзорна, но это не умаляет самой идеи; в конце концов, тот факт, что у земной атмосферы нет четкой границы, не обесценивает понятие «атмосфера» и не препятствует исследованиям в области наук об атмосфере или изучению ее взаимодействия с космическим пространством. Если же пойти на шаг дальше и допустить возможность того, что разумные существа эволюционируют в развитую технологическую цивилизацию, а затем колонизируют другие планетные системы, мы со всей очевидностью окажемся в области крайне нелинейных и непредсказуемых процессов. (В конце концов, будь они предсказуемыми, мы не столкнулись бы с такой неопределенностью вокруг парадокса Ферми, а вы, скорее всего, не читали бы сейчас эту книгу!)

В важном обзоре Гонсалеса за 2005 год различные концепции зон обитаемости были обобщены в рамках некоторого единого подхода⁴⁷. В соответствии с общими физическими требованиями, зоны обитаемости обладают полным четырехмерным пространственно-временным объемом; в качестве альтернативы мы можем говорить об обитаемых эпохах, зарезервировав термин «зона обитаемости» только для трехмерной области пространства (как я и буду делать далее в этой книге). Эта тенденция к обобщению служит важным указателем на то, что нас ждет впереди, поскольку дальнейшее развитие теоретической астробиологии вряд ли возможно без достижения большей количественной и численной точности, которая достижима лишь в достаточно широком пространстве параметров модели.

Мы можем прийти к выводу, что идея ГЗО — крайне полезная и интересная теоретическая концепция, находящаяся, однако, на самой ранней, почти эмбриональной стадии развития. Она требует колоссального объема дальнейшей работы и детальной проработки. Очевидно, что она создает важную основу для более количественных дискуссий о возникновении и эволюции жизни в более широком, галактическом масштабе. В то же время ее не следует переоценивать или воспринимать слишком буквально. В качестве инструмента для увлекательных исследований она прекрасно служила астробиологии на протяжении более чем десятилетия с момента ее появления; примерами могут служить новаторские и провокационные исследования зон обитаемости в галактиках ранних типов и в M31⁴⁸.

2.4 Горизонты и временные масштабы

Часть путаницы, сопровождающей не только обывательские дискуссии, но и некоторые специализированные анализы парадокса Ферми, связана с ограничениями, которые космологические временные и пространственные масштабы накладывают на биологическую и культурную эволюцию. Одним из примеров служит часто цитируемое, якобы скептическое мнение о том, что мы действительно одиноки во Вселенной. Если только мы не откажемся от натурализма в отношении происхождения жизни и разума (ненаучный и неправдоподобный шаг; см. раздел 3.2), то легко показать, что подобное мнение заведомо ложно — независимо от любых дальнейших астробиологических знаний. Современная космология постулирует пространственно бесконечную Вселенную, которая однородна и гомогенна на больших масштабах⁴⁹. В такой Вселенной существует бесконечное число галактик и бесконечное число звезд любой заданной категории, включая бесконечное число солнцеподобных звезд. Внутри этой конкретной бесконечности солнцеподобных звезд существует доля тех, что обладают планетами земного типа, и их число опять же бесконечно. Среди бесконечного числа планет земного типа обязательно найдутся такие, чья история и все прочие особенности сколь угодно близки к земным. Даже если эта доля составляет всего 10⁻100, их количество все равно будет бесконечным, а значит, во Вселенной должно существовать бесконечно много биосфер. Опять же, даже если доля биосфер, в которых развивается разум человеческого уровня, крайне мала, это все равно означало бы бесконечное число внеземных разумных видов. Это всего лишь применение теоремы Бореля (о «бесконечных обезьянах»), логика которой в неявной форме была известна еще со времен Эпикура и Лукреция, если не раньше⁵⁰. Этот аргумент был прямо поддержан великим русским физиком и правозащитником Андреем Дмитриевичем Сахаровым в трогательном последнем абзаце его Нобелевской лекции⁵¹:

В бесконечном пространстве должны существовать многие цивилизации, в том числе и более умные, более «удачные», чем наша. Я защищаю также космологическую гипотезу, согласно которой развитие Вселенной повторяется в своих основных чертах бесконечное число раз. При этом другие цивилизации, в том числе и более «удачные», должны существовать бесконечное число раз на «предыдущих» и «последующих» листах Книги Вселенной. Но все это не должно умалять наших священных устремлений в этом нашем мире, где мы, как вспышка во тьме, возникли на один миг из черного небытия бессознательного существования материи. Мы должны осуществить требования Разума и создать жизнь, достойную нас самих и смутно угадываемых нами Целей.

Обратите внимание, что Сахаров не предрешает вопрос о том, является ли эта бесконечность временной, пространственной или и той и другой одновременно. Он также апеллирует к широкому коперниканству — к которому я вернусь в главе 3, — допуская разнообразие цивилизаций. Хотя великий физик-диссидент не обращался конкретно к парадоксу Ферми, его рассуждения тесно перекликаются со многими направлениями гипотез, предложенных для объяснения этой «Большой головоломки». Этот аргумент оставался бы в силе даже в том случае, если бы существовал только один возможный (в физическом или логическом смысле) тип разума — а именно человеческий. Конечно, это привело бы к резкому снижению частоты встречаемости разумных видов по сравнению с оптимистическим взглядом, согласно которому существует множество возможных форм разума и множество различных путей эволюции, ведущих к нему. Но опять же, какой бы малой ни была конечная доля от бесконечности, она все равно дает бесконечность.

Таким образом, мы определенно не одиноки во всей Вселенной. Но скептический взгляд все же может быть оправдан, по крайней мере в принципе. То, что действительно представляет для нас интерес в астробиологии и исследованиях SETI, — это число видов и сообществ, с которыми мы можем находиться в причинном контакте. Следовательно, нам необходимо исследовать причинную структуру Вселенной на больших масштабах, чтобы очертить ту часть пространства-времени, которая может содержать обнаруживаемые разумные виды. Это вопрос о космологических горизонтах. Горизонты — это, грубо говоря, поверхности, отделяющие те точки пространства-времени, с которыми мы можем общаться, от тех, доступ к которым закрыт из-за расширения Вселенной. В зависимости от того, относится ли эта недоступность к конкретной эпохе или ко всем временам, мы можем говорить о различных типах горизонтов. Для наших целей важно, что наша реальная Вселенная, достаточно хорошо описываемая парадигмой λCDM, обладает как горизонтом частиц (применимым к конкретной эпохе), так и горизонтом событий (зафиксированным на все времена величиной темной энергии λ)⁵².

Венгерский астроном и эксперт в области SETI Иван Альмар подробно рассмотрел аналогию между парадоксом Ферми и парадоксом Ольберса⁵³. Последний также связан с простым, но драматичным вопросом, который бросает вызов некоторым из наших самых глубоких представлений о мире. В случае Ферми это был вопрос: «Где все?», тогда как в случае Ольберса: «Почему ночное небо темное?». Почему, в самом деле, ночное небо темное, если на основе наивных ньютоновских представлений о статической и бесконечной Вселенной оно должно быть столь же ярким, как поверхность звезд? Иными словами, почему существует столь огромный контраст между яркими звездами (и другими источниками света) и темнотой большей части Вселенной, вопреки сильной термодинамической тенденции всех систем приходить к равновесию за конечное — и обычно короткое — время релаксации⁵⁴? В современной космологии это разрешается за счет конечного возраста источников; в конце концов, всей Вселенной «всего» 13,7 млрд лет, а большинство источников значительно моложе. У горячих источников просто не было времени, чтобы прогреть холодные глубины (межгалактического) пространства. Незначительный вклад вносит расширение Вселенной и соответствующее космологическое красное смещение, однако главным объяснением является конечная временная протяженность⁵⁵. Аналогия с парадоксом Ферми вполне очевидна: почему мы наблюдаем «Великое молчание», в то время как жизнь — и особенно разумная жизнь — стремится распространяться, общаться, создавать артефакты и заполнять Вселенную следами своего существования?

Одно из возможных скептических возражений можно отвергнуть без обиняков: тот факт, что нам известно множество звезд и всего один вид разумной жизни, не имеет никакого значения, пока мы придерживаемся натуралистического взгляда на жизнь и разум. В конце концов, число звезд, известных — или даже наблюдаемых — во времена Ольберса, было на много порядков меньше числа звезд, необходимого для возникновения контрфактического парадоксального вывода. И, с другой стороны, как уже упоминалось в главе 1 и как будет более подробно показано в последующих главах, одна-единственная внеземная цивилизация, стоящая достаточно высоко на шкале Кардашёва, представляет собой лучшую цель для SETI, чем миллион или более цивилизаций нашего нынешнего человеческого уровня. Простая (контрфактическая) цивилизация III типа по шкале Кардашёва в Млечном Пути была бы не менее очевидной, чем (контрфактическая) яркость ночного неба⁵⁶. Так что дело здесь вовсе не в цифрах.

А как насчет ответов, аналогичных тем, что даются на парадокс Ольберса? Расширение Вселенной вряд ли играет здесь серьезную роль, если только плотность обитаемых и разумных миров не является чрезвычайно низкой — что само по себе требовало бы объяснения! Существует версия этой идеи, которая будет рассмотрена в главе 5 под заголовком «Редкая Земля». Примечательно, что в данном случае, как и в парадоксе Ольберса, хаббловское расширение играет лишь вспомогательную роль по отношению к главному объяснительному механизму. Главная роль должна быть отведена чему-то, что препятствует появлению обнаруживаемых разумных существ и в Млечном Пути. Можем ли мы объяснить это конечным возрастом источников (понимаемых в обобщенном смысле как источники обнаруживаемого излучения)? Обитаемые миры должны быть моложе структур во Вселенной, так что такой предел, очевидно, существует. Можно было бы возразить, что обилие требований, необходимых для появления разумных видов, еще больше приближает «точку отсчета» возникновения обнаруживаемых источников к настоящему времени, тем самым несколько ослабляя проблему.

Однако в свете результатов Лайнвивера, отраженных в уравнении (1.3), эта оговорка во многом утратила свою актуальность. Роль времени прохождения света от источников в парадоксе Ольберса теперь играет шкала времени Ферми — Харта из уравнения (1.1), которая настолько меньше шкалы времени Лайнвивера (1.4), что мы вправе считать, будто сигнал в конечном итоге достигает «любой точки»; разумеется, это проявляется еще ярче, если мы, следуя идее StrongFP (сильного парадокса Ферми), будем рассматривать проявления и следы внеземной астроинженерии как сигналы, распространяющиеся со скоростью света. Таким образом, аналогия здесь действительно прослеживается, и насколько важную роль парадокс Ольберса сыграл в развитии наших космологических представлений, настолько же парадокс Ферми способен сыграть аналогичную роль для астробиологии и исследований SETI⁵⁷. Я буду постоянно придерживаться этой линии мысли при изложении различных объяснительных гипотез в главах 4–7. Перед этим нам необходимо рассмотреть еще одну важную концепцию, касающуюся взаимоотношений наблюдателей и Вселенной в целом: внегалактический SETI⁵⁸.

Космологический горизонт представляет собой самый крупный пространственный масштаб, на котором два любых наблюдателя могут, в принципе, общаться. Таким образом, он очерчивает абсолютный внешний предел для любых обзоров в рамках SETI. Космологический горизонт концептуально и безусловно ограничивает внегалактический SETI. Адвокат дьявола может поставить под сомнение сам смысл внегалактических поисков, когда даже поиски гораздо ближе к дому, в пределах Млечного Пути, сопряжены с таким количеством проблем и трудностей. Внегалактические расстояния на много порядков превосходят межзвездные расстояния внутри нашей Галактики, так что принимаемый нашими детекторами поток излучения оказывается на вдвое большее число порядков меньше. В зависимости от используемого метода (в первую очередь от выбора диапазона волн в электромагнитном спектре), отношение сигнал/шум неизбежно оказывается ничтожно малым, и особенно если мы ожидаем сигнал, меняющийся во времени в масштабах человеческих наблюдений — и, более того, человеческой жизни! — точное обнаружение может быть попросту невозможным. Если перспективы успеха традиционного (= внутригалактического) SETI кажутся призрачными, то шансы найти что-либо на расстояниях мегапарсекового масштаба и вовсе следует признать ничтожно малыми.

Однако этим дело, конечно, не ограничивается, поскольку существуют обстоятельства, благоприятные для внегалактического SETI. Важнейшим из них является тот факт, что при внегалактических наблюдениях мы можем охватить гораздо больший объем пространства. Направляя взгляд на множество внешних галактик вместо одного лишь Млечного Пути, мы исследуем на несколько порядков больше потенциальных мест обитания высокоразвитых цивилизаций. В принципе, выигрыш в исследуемом объеме с лихвой компенсирует потерю силы сигнала (то есть принимаемого потока излучения), поскольку исследуемый объем возрастает с увеличением расстояния R как R³, тогда как принимаемый поток уменьшается как R^⁻². (По крайней мере, эти евклидовы приближения будут справедливы на расстояниях до нескольких сотен мегапарсек, прежде чем начнут играть существенную роль такие эффекты, как ослабление блеска источников из-за ускоренного расширения Вселенной). Следовательно, если бы цели SETI были в среднем однородно распределены в пространстве, времени и по собственной мощности излучения, то осуществлять поиск как можно дальше во внегалактическом пространстве было бы очевидно выгодно.

На практике, однако, все обстоит иначе, поскольку существуют четкие инструментальные пороги обнаружения, и для большинства мыслимых методов поиска они слишком высоки для нашего нынешнего оборудования и оборудования ближайшего будущего. Цена детектирующего прибора в реалиях человеческой экономики растет гораздо круче по мере снижения порога чувствительности, необходимой для регистрации чрезвычайно слабых сигналов. В астрономической практике это означало бы создание более крупных телескопов (радиотелескопов, оптических или инфракрасных), желательно размещенных в космосе, а еще лучше — на больших расстояниях от всех земных источников помех, например, на обратной стороне Луны. Все это требует колоссальных затрат и постоянного финансирования на таком уровне, который вряд ли будет доступен для практического SETI в обозримом будущем.

Один конкретный класс решений парадокса Ферми, связанный с гипотезой «уникальной Земли» (подробнее о ее структурных деталях см. в главе 5), частично опирается на существование космологических горизонтов. Это проявляется в двух различных аспектах. Во-первых, как подчеркивал канадский астроном Пол Вессон, чьи

Сценарий для внегалактического SETI

Увеличенный объем исследуемого пространства остается важной мотивацией в определенном классе поисков по программе SETI, в которых ищется особенно энергоемкий пример астроинженерии, различимый на больших расстояниях⁵⁹. Например, предположим, что мы ищем цивилизации, способные строить сферы Дайсона, но они в действительности (о чем мы не знаем) весьма редки: вероятность построить такую составляет лишь 1 из 10⁹ в галактике класса L^* вроде Млечного Пути за миллион лет. Предположим также — и это вполне вероятно, — что каждая построенная сфера Дайсона имеет очень долгий срок службы, сравнимый с хаббловским временем. По сути, будучи однажды построенной, она просто остается там навсегда. Нетрудно показать, что в этом предельно упрощенном сценарии вероятность наличия хотя бы одной потенциальной цели для поисков SETI во всем Млечном Пути составит всего около 1 процента. С другой стороны, если аналогичное масштабное соотношение справедливо для всех галактик со светимостью более 0,1 L^*, независимо от их морфологического типа и других особенностей, ожидаемое число целей в кубе со стороной в 50 Мпк, центрированном на нашей Галактике, составит около 16. Это значение получено путем интегрирования темпа появления сфер Дайсона по функции светимости галактик⁶⁰. Я ограничил рассматриваемые светимости значением L > 0.1 L^*, чтобы исключить карликовые галактики, которые в большинстве своем химически не эволюционировали и потому лишены предпосылок для возникновения жизни и разума; см. обсуждение ГЗО выше. Появление сфер Дайсона в данном примере представляет собой пуассоновский процесс, начинающийся с момента возникновения ГЗО около 10 млрд лет назад, при этом эффекты времени запаздывания сигнала не учитываются.

Очевидно, что в таком, признаем, надуманном сценарии внутригалактический поиск SETI не имеет особого смысла — в отличие от внегалактического! Реальная же ситуация, безусловно, лежит где-то посередине между этой крайностью и полным отрицанием внегалактического SETI, которое до самого недавнего времени оставалось доминирующей точкой зрения.

работы, к слову, также сыграли важную роль в формировании современных представлений о парадоксе Ольберса, средняя плотность наблюдателей может быть столь низкой, что число галактик, содержащих хотя бы одну технологическую цивилизацию в пределах нашего космологического горизонта, будет равно единице или какому-то очень малому числу⁶¹. Такие редкие цивилизации, очевидно, были бы необнаружимы с помощью средств настоящего или ближайшего будущего, даже если бы некоторые из них уже достигли статуса III типа по Кардашёву. Заметим, что в этом есть определенная философская привлекательность, поскольку общее число цивилизаций в любой конкретный момент времени (начиная с некой ранней эпохи) все еще может быть бесконечным — при условии, что Вселенная пространственно бесконечна, как в открытых или плоских моделях Фридмана. Однако эта бесконечность не порождала бы никаких наблюдаемых и, тем более, парадоксальных свойств.

Кроме того, вглядываясь в далекие галактики, мы смотрим в прошлое. Горизонт частиц представляет собой, очень приблизительно, множество точек, которые мы видим в момент начальной сингулярности Большого взрыва (или того, что выдает себя за сингулярность в современных физических и космологических теориях). Таким образом, мы видим галактики на более ранних стадиях их эволюционного развития — и это относится как к морфологической, химической, так и к астробиологической эволюции. К примеру, мы наблюдаем М31 такой, какой она была примерно 2 млн лет назад, что является ничтожно малым промежутком времени в космологическом контексте. Тем не менее этого достаточно, чтобы наблюдатели в М31, даже обладай они инструментами с абсолютной чувствительностью, не смогли бы обнаружить Homo sapiens, чей возраст составляет всего 200–300 тыс. лет. Гипотетический андромедянин смог бы обнаружить в Млечном Пути лишь те разумные виды, возраст которых прямо сейчас, с нашей нынешней точки зрения, превышает 2 млн лет. Таким образом, наши точные аналоги (как и все остальное, что моложе этого двухмиллионолетнего предела) оказались бы упущены при обзоре⁶². Простейший — и наивный — взгляд на астробиологическую эволюцию предполагает, что чем глубже мы уходим в прошлое, тем меньше у нас шансов обнаружить сложные биосферы и, как следствие, технологические цивилизации (а значит, и цели для SETI) в общем астробиологическом ландшафте.

Рисунок 2.5 Простая схема трех «режимов» астробиологической сложности, с которыми мы, в принципе, можем ожидать столкнуться на фоне существующей космологической истории и структур; ATC — развитая технологическая цивилизация; IGM — межгалактическое вещество.

Источник: любезно предоставлено Слободаном Поповичем Баги

Хотя в общем случае такой вывод может и не подтвердиться, поскольку шкала времени Лайнвивера в уравнении (2.4) оставляет достаточно времени для множества «циклов» взлета и падения цивилизаций в любой отдельно взятой галактике, потеря временной «глубины» становится все более выраженной по мере того, как мы продвигаемся к еще более далеким галактикам. Для целей, расстояние до которых значительно меньше τ_Lc, у нас все еще есть веские теоретические основания заниматься внегалактическим SETI — даже если мы пока не обладаем достаточными наблюдательными ресурсами с точки зрения чувствительности. Там, во Вселенной, существуют многие миллионы таких потенциальных целей.

В качестве подходящего завершения этой вводной главы на рисунке 2.5 я схематично представляю дискретное распределение ожидаемой астробиологической сложности. Хотя точное определение подобной сложности может еще долго ускользать от нас, интуитивно все вполне понятно: «мертвое пространство» за пределами космологических структур (главным образом галактик) заполнено чрезвычайно разреженным межгалактическим веществом (IGM), очевидно необитаемо и обладает нулевой астробиологической сложностью. Хотя в IGM могут происходить интересные физические процессы, в своей основе это очень простая система, которую можно описать небольшим числом физических параметров. На противоположном конце шкалы сложности находятся гипотетические развитые технологические цивилизации, которые могут быть пространственно весьма компактными (хотя это, конечно, необязательно) и крошечными в космологических масштабах, но обладают очень высокой плотностью обработки информации и требуют огромного перечня параметров для детального описания. Между этими двумя крайностями лежат области тонких галактических дисков, содержащие обитаемые планеты и, возможно, биосферы, подобные земной. Они все еще находятся на довольно низком уровне шкалы сложности, поскольку пространство целенаправленного проектирования, доступное развитым технологическим субъектам, вероятно, затмевает морфологическое пространство обычной, естественной дарвиновской эволюции. Рисунок намеренно выполнен так, чтобы показать: традиционный дискретный анализ в терминах решеток и ячеек — включая такие методы, как клеточные автоматы или многосеточные методы, — должен быть применим и к астробиологической сложности.