Вероятность попадания в Европу Панспермия и интергалактический Wi-Fi в астрообзоре «Ленты.ру»
Как галактики росли в далеком прошлом, и чем эти процессы отличаются от тех, что происходят в современных галактиках? Что успела рассказать комета ISON об истории нашей планетной системы — до того, как разрушилась под лучами Солнца? Насколько серьезно можно рассматривать гипотезу о том, что в молодой Солнечной системе жизнь переносили с планету на планету метеориты? И если это действительно происходило, то до каких уголков системы эта жизнь могла добраться? Наконец, как сверхразвитая цивилизация может посылать нам сигналы с помощью пульсаров? Об этом и многом другом читайте в свежем обзоре астрономических препринтов на «Ленте.ру».
Металл
В астрономическом смысле металлами называются все химические элементы тяжелее гелия. То есть углерод или кислород — это металлы, а железо — так и вообще тяжелый металл. Поэтому термин «металличность» в астрономии означает обилие элементов тяжелее гелия внутри какой-нибудь системы — звезды, молекулярного облака или даже целой галактики.
Тяжелые элементы образуются в ходе термоядерных реакций в недрах звезд в результате переработки (горения) более легких элементов. В первую очередь — водорода и гелия. Затем они выбрасываются в межзвездное пространство в ходе вспышек сверхновых и могут попасть во «вторичную переработку». Так, наше Солнце — это звезда уже второго (а в некотором смысле — даже третьего) поколения.
Астрофизики понимают, что количество непереработанного (малометалличного) газа — водорода, темп образования звезд из этого газа, их эволюция и структура потоков вещества в галактике взаимосвязаны. Ученые даже неплохо представляют себе эту взаимосвязь для относительно близких галактик, то есть галактик, удаленных от нас на расстояние до десяти миллиардов световых лет. Но вот что происходило в галактиках, когда Вселенной было «всего» один-два миллиарда лет, астрофизикам до последнего времени известно не было. Группа европейских и японских ученых попыталась прояснить этот вопрос.
Далекие галактики
Иллюстрация Troncoso et al.
Астрофизики анализировали спектры 40 далеких галактик, полученные на одном из восьмиметровых телескопов VLT Европейской Южной Обсерватории. Спектр излучения галактики позволяет многое сказать как о соотношении количества металлов и непереработанного газа в разных ее частях, так и о темпе образования новых звезд.
Оказалось, что эти галактики во много (до десяти) раз менее металличны, чем их более близкие аналоги. Логично было предположить, что снижение металличности было вызвано интенсивными слияниями этих галактик с менее металличными галактиками-спутниками — в молодой Вселенной такие процессы шли активно. Если бы эта гипотеза была верна, то недостаток тяжелых элементов коррелировал бы с характером движения звезд в галактике — всякие слияния возмущают орбиты звезды. Но эта корреляция не обнаружилась.
В то же время, для некоторых галактик выборки ученые смогли построить пространственную карту распределения непереработанного газа, металличности и темпа образования новых звезд в галактиках. В центральных областях, где газа было больше, обнаружились высокий темп звездообразования и малое количество металлов, тогда как галактическая периферия оказалась богата тяжелыми металлами. При этом полное количество непереработанного газа в галактиках почти не менялось на протяжении более чем двух миллиардов лет.
Всем этим данным авторы новой работы предложили такое объяснение: главную роль в эволюции галактик играл сильный поток «свежего» водорода из межгалактической среды. Вливаясь в галактику, поток разбавлял газ в ее центральной области, поддерживая звездообразование. В то же время, переработанное в звездах вещество в дальнейшем — в виде своего рода галактических «фонтанов» — выбрасывалось в периферийные области галактики, обогащая их тяжелыми элементами. В таком режиме галактики развивались как минимум два миллиарда лет.
Не только любители
Комета ISON (комета Невского-Новичонка) была открыта белорусским и российским любителями астрономии в сентябре 2012 года — в тот момент, когда она находилась на расстоянии около миллиарда километров от Солнца. Комета быстро приближалась к Солнцу (ее скорость составляет сотни тысяч километров в час) и разогревалась, что приводило к испарению и даже выбросам вещества с ее поверхности, образующим эффектную пылевую оболочку (кому) и хвост. Изучение этого вещества позволяет ученым судить о тех далеких областях солнечной системы, из которых комета к нам явилась.
Комета ISON, снятая «Хабблом»
Фото: NASA
ISON — непериодическая комета; она пролетела около Солнца (наибольшее сближение пришлось на 28-29 ноября 2013 года) в первый и, может, последний раз в своей жизни. На протяжении последних четырех-пяти миллиардов лет, прошедших с возникновения Солнечной системы, ее ядро находилось в так называемом облаке Оорта — скоплении ледяных глыб, окружающих Солнечную систему на расстоянии до ста тысяч астрономических единиц.
Вещество в этом облаке оставалось почти неизменным с момента рождения нашей планетной системы и поэтому очень интересует астрономов. Однако из-за большого удаления и малых размеров тел, составляющих облако Оорта, исследовать его не представляется возможным. Впрочем, возможны косвенные исследования, основанные на наблюдениях за отдельными телами, которые прилетают к нам из этого облака. В этом смысле изучение ISON — что-то вроде космической археологии.
Нет ничего удивительного, что за кометой Невского-Новичонка следило множество обсерваторий. В апреле-мае 2013 года на телескопе «Хаббл» была проведена серия наблюдений за ISON, когда та была на расстоянии 3,81 астрономической единицы от Солнца (4,34 астрономической единицы от Земли).
Часть собранных данных проанализировали в новой работе американские, финские и украинские ученые. Исследователей интересовали свойства поляризации солнечного света, рассеянного на испарившихся с поверхности кометы частицах. Поляризация излучения определяет степень того, насколько вектор электрического поля в электромагнитной волне стремится оставаться всегда в одной и той же плоскости. Среди прочего, поляризация света зависит от геометрической формы частиц, на которых он был рассеян.
Облако Оорта
Фото: Calvin J. Hamilton
Обработав данные с «Хаббла», ученые пришли к выводу, что по ряду параметров частицы ISON схожи с частицами, наблюдавшимися вокруг других известных комет. Но есть и отличия: не углубляясь в детали физической интерпретации, стоит сказать, что вблизи ядра кометы обнаружились частицы более или менее правильной, гладкой (возможно, даже сферической) формы. Если бы комета на момент наблюдений находилась ближе к Солнцу, то можно было бы предположить, что обнаруженные «гладкие» частицы — просто чуть подтаявшие кусочки льда. Но комета была еще слишком далеко от Солнца. Таким образом, возможны два варианта: либо кусочки льда подтаяли из-за некоторого неизвестного механизма разогрева кометы, либо частицы выглядят так со времен формирования Солнечной системы.
Более точный физический портрет кометы мы получим, когда будут обработаны все данные наблюдений ее прохождения по Солнечной системе, то есть уже в начале 2014 года.
Куда нас только не заносило
О механизмах распространения жизни в космосе обычно рассуждают в рамках гипотезы панспермии. Эта гипотеза не нова, ей более полутора сотен лет, но до сих пор всерьез она учеными не рассматривалась. Согласно этой гипотезе, жизнь на Землю была занесена, скорее всего, из космоса.
Однако если жизнь была занесена на Землю, то, возможно, она была занесена и куда-то еще после этого — уже с Земли. Скажем, при помощи материала, выброшенного с поверхности планеты после удара массивного тела. Трое ученых из Университета Пенсильвании поставили себе задачу дать строгое научное описание этому процессу.
Изображение: wmich.edu
Они моделировали выброс нескольких десятков тысяч крупных метеороидов с поверхности Земли и Марса — и прослеживали их судьбу в течение последующих десяти или 30-ти миллионов лет. Марс, как источник метеороидов, интересен тем, что в раннюю эпоху был горячей и влажной планетой, на которой вполне могла зародиться органическая жизнь. Более того, некоторые ученые считают, что земная жизнь первоначально зародилась именно на Марсе (из более чем 50 тысяч долетевших до Земли метеоритов как минимум сотня имеет марсианское происхождение). В одном из марсианских метеоритов — самом знаменитом, ALH84001 — по мнению некоторых исследователей, даже были обнаружены следы примитивной органической жизни. Впрочем, этот вывод до сих пор является спорным.
Авторов работы интересовало, с какой вероятностью и какая часть выброшенного вещества может попасть на другие планеты, двигаясь в суммарном гравитационном поле, создаваемом Солнцем и планетами нашей системы. В результате получилось, что вероятности таких событий довольно высоки. Большая часть вещества, разумеется, либо выпадала обратно, либо оставалась на орбите своей родной планеты. Но в первые десять миллионов лет 0,2 процента всех выброшенных с Земли тел попадали на поверхность Марса. Это десятки метеороидов. Обратный же «обмен» оказался в десять раз более интенсивным — на поверхности Земли, в конечном итоге, оказывалось до 2,6 процента всех выброшенных с Марса камней. При этом первые «осадки» выпадали уже через несколько сотен тысяч лет после выброса — в среднем, метеороидам требовалось несколько миллионов лет, чтобы достичь другой планеты.
Венера оказалась еще более «притягательной», в том смысле, что на нее падало 1,5 процента всех марсианских и целых 13 процентов всех земных обломков. Правда, из-за очень плотной атмосферы Венеры до ее поверхности могут долететь, не сгорев, только крупные обломки.
Проверили ученые и возможность попадания частей Марса и Земли на поверхность крупных спутников больших планет — Титана и Энцелада (спутники Сатурна), а также Ио, Европы, Ганимеда и Каллисто (спутники Юпитера). Энцелад и Европа сегодня рассматриваются как одни из наиболее вероятных мест в Солнечной системе, где мы можем обнаружить органическую жизнь. В итоге авторы выяснили, что только один из примерно десяти тысяч метеороидов, пролетающих мимо Юпитера или Сатурна, попадает на какой-либо из их больших спутников. Это значит, что для того, чтобы хотя бы один земной камень оказался, например, на поверхности Европы, на Земле должна произойти, как минимум, тысяча катастроф, при каждой из которых в космос выбрасывалось бы около десяти миллионов тонн вещества. Это масса не очень крупной горы.
Такая ситуация, конечно, маловероятна, но, по мнению авторов работы, не совсем невозможна. Поэтому, заключают исследователи, во время поисков жизни внутри Солнечной системы необходимо помнить, что, возможно, вся она зародилась в одном-единственном месте (и не факт, что на Земле), а потом распространилась по всем более или менее пригодным телам системы. По оценкам ученых, за последние три с половиной миллиарда лет полный объем обмена масс между Марсом и Землей составил почти десять миллиардов тонн вещества.
Межпланетный WiFi
В 1964 году советский астрофизик (а ныне академик) Николай Кардашев предложил классификацию развитых внеземных цивилизаций (ВЦ) по уровню потребляемой ими энергии. Цивилизация первого типа освоила запасы энергии на всей планете, второго типа — всю энергию, излучаемую своей звездой, третьего — всю энергию своей галактики. Позднее американец Карл Саган уточнил и расширил эту классификацию (современное человечество нельзя пока приписать даже к первому типу).
Кадр из сериала «Вавилон 5»
Встреча капитана Шэридана с высокоразвитым существом
Если рассуждать о поиске сигналов от ВЦ, эта классификация позволяет наложить ограничения на мощности используемых цивилизацией передатчиков информации. Действительно, невозможно передать сигнал мощнее, чем позволяют все доступные источники энергии. Однако даже мощности типичной звезды (например, Солнца) при передаче на расстояния, сравнимые с размерами Галактики, может быть недостаточно для того, чтобы получить регистрируемый радиосигнал, особенно широкополосный. Таким образом, заключили четверо радиоастрономов из Америки и Нидерландов, развитые технологические цивилизации будут (то есть могут) искать способ передачи сигналов с мощностью, превосходящей тип их цивилизации.
И для этого наиболее естественным кажется использование мощных природных источников радиоизлучения, радиопульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд. Пульсары излучают не во все стороны, а в довольно узком конусе, что делает их похожими на галактические радиомаяки. Авторы предполагают: если найти способ управлять модуляцией их периодического сигнала, то цивилизация могла бы использовать ближайший к ней пульсар как передатчик информации.
В своей работе они рассмотрели вариант амплитудной модуляции. По их мнению, схема может выглядеть так. На синхронную орбиту вокруг нейтронной звезды выводится относительно небольшой спутник, который постоянно находится внутри «луча» пульсара и в состоянии перехватывать и перерабатывать его излучение. Авторы при этом не задаются вопросом, как именно можно перехватывать излучение пульсара, ссылаясь на «возможные, еще неизвестные технологии». Если это все же получится сделать, то цивилизация сможет передавать информацию со скоростью 1/P бит в секунду, где P — период вращения пульсара. Последний составляет обычно от десятков миллисекунд до нескольких секунд, что дает скорость передачи информации от нескольких бит до килобита в секунду. «Нулю» в данном случае будет соответствовать, например, отсутствие наблюдаемого импульса (был перехвачен модулятором), а единице — его наличие. С точки зрения земного наблюдателя, мы тогда будем наблюдать пульсар, некоторые импульсы которого просто не появляются в ожидаемое время.
Крабовидная туманность и пульсар в ее центре
Фото NASA/HST/ASU/J. Hester et al
Более того, радиоастрономы такой тип поведения у пульсаров наблюдают уже давно. Этот эффект называется нуллингом (от англ. nulling — обнуление) и связывается со сложными процессами в магнитосфере нейтронных звезд. Какой-то осмысленной информации из статистики «пропавших» импульсов пока выделить не удалось. Авторы, разумеется, знают про этот эффект и уточняют, что в этом случае перехваченное излучение не может так просто исчезнуть, оно должно быть излучено в другом диапазоне длин волн — хотя бы в силу закона сохранения энергии. Если представить, что его энергия пойдет на нагрев спутника-модулятора, то, по полученным результатам, в те моменты, когда пульсар будет «гаснуть», мы должны видеть появление таких же импульсов, но в ультрафиолетовом диапазоне. И этот вывод вполне можно проверить экспериментально.