Жизнено пространство

Валентин Д. Иванов

1. Направете място! Направете място!

„Направете място! Направете място!“ призова Хари Харисън преди повече от четиридесет години в едноименния си роман , чиято тема е страхът от пренаселване. Различните форми на Малтусианска катастрофа са двигател на действието в много научнофантастични произведения, обаче днес човечеството е изправено пред противоположния проблем – в Млечния път има твърде много незаето жизнено пространство. Другото име на тази загадка е Парадокс на Ферми, наречена с името на италианския ядрен физик Енрико Ферми (1901-1954), който я е формулирал четири години преди смъртта си, докато обядвал с приятели и обсъждал дали изчезването ка кофите за боклук от улиците на Лос Аламос не е свързано със зачестилите съобщения за наблюдения на летящи чинии. Сарказмът и остроумието на Ферми са му попречили да зададе въпроса „Къде са те?“, имайки предвид не кофите за боклук, разбира се, а по-старите космически цивилизации. В основата на парадокса стои съображението, че е достатъчна една-единствена технологична цивилизация с експанзионистична политика, за да засели цялата галактика, в която живеем, за период от време, хиляди пъти по-кратък от възрастта на самата галактика. Изчисленията показват, че това е възможно с космически кораби, развиващи само 0.1% от скоростта на светлината. Не е нужна нова и екстравагантна физика като нула-транспортировка, нито дори сигма-диритринитация.

Има много опити да се реши Парадоксът на Ферми и като изключим хипотезата, че човечеството се намира във виртуална симулация или в добре защитена „зоологическа градина“, повечето от тях се свеждат до някаква форма на „геноцид на разума“*. Например приема се, че преминаването от едноклетъчен към многоклетъчен живот е малко вероятно или че технологичните цивилизации се самоунищожават с вероятност, равна на единица, или че губят интерес към експанзията, или пък изразходват ресурсите на планетата си, преди да развият технология, достатъчна висока за междузвездна експанзия. Последният сценарий се защитава от доста футуристи, които твърдят, че стабилното състояние на човешката цивилизация е на нивото на технологиите и с населението на деветнадесети век.

____________________

• Специално внимание заслужава идеята на сръбския астроном Милан Циркович за миграцията на космическите цивилизации към покрайнините на галактиките. Той който изхожда от три съображения: (а) цивилизациите ще имат нужда от все по-голяма изчислителна мощ; (б) изчислителната мощ е фундаментално ограничена от радиационния фон; (в) радиационният фон в галактиките е по-висок, отколкото извън тях. Следователно, развитите технологични цивилизации ще мигрират към покрайнините на галактиките или дори извън тях, създавайки там своеобразна Галактическа технологична зона. Виж Cirkovic, M. M. & Bradbury, R. J. 2006, New Astronomy, 11, 628.

2. Обитаваме зони всякакви

През 2001 г. Гилермо Гонзалез, който по това време работи в Университета на щата Вашингтон в Сиатъл, публикува заедно с двама свои колеги статия в американското научно списание „Икар“ , в която дефинира ново понятие: галактическа обитаема зона. Обитаемите зони не са новост за астрономите – Шкловский и Сейгън ги дискутират в тяхната книга от 1966 година „Вселена, живот, разум“, а има и по-ранни работи. Но преди статията на Гонзалез, обитаемата зона се разглежда само в контекста на допустими радиуси на планетни орбити около звездите – те се определят от изискването температурата на повърхността на планетата да е такава, че да позволява наличието на течна вода. Ако планетата е твърде близо до звездата, повърхността й ще е прекалено гореща, както на Венера или Меркурий, и обратно, ако планетата е твърде далече, температурата й ще е твърде ниска и водата ще замръзне. Лесно е да си представим, че обитаемата зона на по-горещите звезди е по-далеч от звездата, а на по-студени – по-близо (Фиг. 1).

Фиг. 1. Поведение на околозвездната обитаема зона (маркирана с жълта ивица) за звезди със спектрални класове AFGKM, по ред на намаляване на звездната маса, светимост и температура. По хоризонталната ос е нанесен радиусът на планетните орбити, в земни орбити, а по вертикалната ос е нанесена масата на централната звезда, в слънчеви маси. Положението на планетите от Слънчевата система е показано с черни точки. Пунктираната линия обозначава критичния радиус на орбита, след който приливните сили ще изравнят орбиталния период (годината) и периода на въртене около собствената ос (деня). Планетите, които се намират вляво от тази линия, ще са обърнати към звездите си винаги с една и съща страна, точно както Луната винаги е обърната с една и съща страна към Земята.

Изборът на водата като критерий не е случаен – тя е необходимо (но не достатъчно) условие за наличие на живот. Разбира се, това е антропоцентрична дефиниция – може да се теоретизира за живот на базата на силиция и на метана, например. Нещо повече, дефиницията не е и не може да бъде строга, защото границите на обитаемата зона зависят и от други параметри като маса на планетата и структура на планетната атмосфера. В ранната история на Марс, преди около четири милиарда години, е имало период, в който той е бил богат на вода, също като Земята. Но малката маса на червената планета й изиграва лоша шега по две причини: първо, планетата лесно губи атмосферата си, защото атомите и молекулите с по-високи скорости се „изпаряват“ точно както се изпарява врящата вода на котлона. Второ, ядрото на Марс изстива бързо и с това слага край на геологичната активност, която до този момент е била потенциален източник на енергия за древни марсиански микроорганизми. Обаче, ако на мястото на Марс се намираше планета, три или пет пъти по-масивна от Земята, днес Слънчевата система можеше да изглежда много по-различно, защото такава масивна планета е в състояние да задържи атмосферата си, а плътните атмосфери, богати на въглероден диоксид, са чудесно място за парников ефект – същият ефект, който застрашава да направи Земята необитаема, можеше да ни даде още една обитаема планета в нашата система. От друга страна, по-малко масивна Венера би могла да загуби по-голяма част от атмосферата си и да избегне парниковия ефект, който е отговорен за чудовищните 400-500 градуса на повърхността й. Обобщавайки, подходяща комбинация на планетна маса и атмосфера ще разшири обитаемата зона около една звезда, а неподходяща – ще я стесни.

Не на последно място, потенциални обитаеми зони може да има и около големите газови гиганти, дори орбитите на самите гиганти да са прекалено далече от централната звезда, за да им осигурява тя достатъчно енергия, защото спътниците им могат да получават допълнителна енергия от приливното взаимодействие с планетата-гигант: ситуация, позната от филма „Аватар“.

3. Спалнята на нашата галактика

Ако квартал „Люлин“ е спалнята на София, галактичната обитаема зона е „спалнята“ на Млечния път. Границите на тази зона се определят от факта, че галактиките не са еднородни системи и параметрите на звездите в тях се менят, най-вече като функция на разстоянието до центъра им. Не всички къщи са подходящи за живеене и не всички звезди са подходящи за обитаване. Гонзалез въвежда следните два критерия за обитаемост: (1) наличие на тежки елементи, от които да се образуват планети, и (2) ниска локалната честота на избухване на свръхнови, които потенциално могат да „стерилизират“ една планета.

Първото изискване почива на експериментален факт: от 1992 г., когато Волчжан и Фрейл откриха около пулсара PSR 1257+12 първите планети извън слънчевата система, до сега са ни станали известни повече от 420 планети около други звезди. Повечето от тях се намират около планети с високо съдържание на тежки елементи (Фиг. 2). В една типична спирална галактика тежките елементи са най-много в звездите близо до центъра и намаляват с отдалечаване от него. Причината е проста – близо до ядрото на една галактика звездообразуването е най-активно, материята се рециклира по-бързо и с всяко преминаване през цикъла газ-звезди-газ тя става все по-богата на тежки елементи.

Фиг. 2. Разпределение на съдържанието на тежки елементи за 297 звезди с планети (някои от тях са с повече от една). По хоризонталната ос е нанесено съдържанието на желязо, в логаритмични единици. Положението на Слънцето е отбелязано с прекъсната вертикална линия. Звездите с [Fe/H]=0,5 съдържат приблизително три пъти повече тежки елементи от Слънцето, звездите с [Fe/H]=-0,5 – три пъти по-малко, а тези с [Fe/H]=-1 – десет пъти по-малко. Практически отсъстват планети около звезди, чието съдържание на тежки елементи е по-малко от 40% от това на Слънцето (пунктираната линия), а най-често се срещат планети около звезди, които съдържат с около 60% повече тежки елементи от нашата звезда.

Стадият на свръхнова е лебедовата песен на една звезда: звездите излъчват за сметка на енергията, отделена при термоядрени реакции в ядрата им, при което водородът се превръща в хелий. Когато звездата изчерпи горивото си, гравитацията надделява и звездата започва да се свива неконтролируемо. Но това увеличава температурата и налягането в центъра й и за кратко там започват термоядрени реакции с по-тежки елементи, което е напълно достатъчно звездата да избухне и за броени дни да започне да свети с енергия, сравнима с тази на цяла галактика.

Планетите, които имат нещастието да се намират близо до една свръхнова, ще бъдат подложени на ударна доза излъчване. При планетите от земен тип най-напред високоенергийните частици ще разрушат озоновия слой, след което в течение на много дни и седмици планетата ще бъде „поливана“ с ултрвиолетова радиация.

Фатално ли е това за живите организми? Да, ако свръхновата избухне в непосредствена близост (не повече от десетина парсека ) и ако те се намират само на повърхността на планетата. Но няколко сантиметра вода са достатъчни, за да защитят живота в океана, а от историята на собствената си планета знаем, че миграцията от океана към сушата е бърз процес, отнел само стотина милиона години. Като изключим централната част около ядрото, през по-голямата част от историята на една галактика избухването на свръхнова е рядко явление – типичният интервал между толкова близки взривове е милиарди години. Известно повишаване на честотата на свръхновите има в спиралните ръкави, където плътността на звездите е по-висока, но като правило звездите ги пресичат сравнително бързо. За отбелязване е, че Слънцето се намира в така наречената зона на коротация – тесен пояс, в който скоростта на въртене на звездите съвпада с тази на спиралните ръкави. Ако една звезда от този пояс се намира извън спиралните ръкави, тя никога няма да ги пресече.

Комбинацията между двата критерия изключва от обитаемата зона най-вътрешните и най-външните части на галактиките (Фиг. 3), съответно заради високата звездна плътност, която прави избухването на близки свръхнови по-вероятно, и заради недостатъчното съдържание на тежки елементи. Следователно, галактичната обитаема зона наподобява пояс. Но галактиките се променят с времето – звездите постепенно преработват водорода и хелия в тежки елементи. Процесът е бавен и отнема милиарди години, но неизменно води до изместване на галактичната обитаема зона навън. Нещо повече, с възрастта, центърът на галактиката става все по-слабо активен, защото звездите, на които предстои да се превръщат в „опасните“ свръхнови от втори вид и нови, не се появяват до следващия етап на активно звездообразуване. По тази причина вътрешната граница на галактичната обитаема зона се разширява по-бавно от външната и поясът на живота става все по-широк (Фиг. 4).

Фиг. 3. Обитаема зона в типична спирална галактика като нашата. Вътрешната област около ядрото е изключена заради високата звездна плътност, която прави избухването на близки свръхнови по-вероятно, а външната – заради недостатъчното съдържание на тежки елементи.

Фиг. 4. Еволюция на галактическата обитаема зона (отдолу нагоре) в една типична спирална галактика: „поясът“ на живота увеличава диаметъра си и става по-широк. Целият Млечен път ще бъде обитаем само след около 5-6 милиарда години.

4. Братя по разум, къде не сте?

Поради изключващия характер на своята дефиниция, галактичната обитаема зона по-скоро ни подсказва къде не могат да възникнат цивилизации, подобни на нашата, отколкото да ни даде предписание къде да ги търсим. Нещо повече, тази зона не взима под внимание възможната миграция на цивилизациите, стига те да не се ограничават до планети от земен тип.

Помага ли това ново понятие по някакъв начин да разберем по-добре Парадокса на Ферми?

Отговорът на този въпрос става очевиден от Фиг. 5, която обобщава резултатите от компютърен модел , създаден от австралийския астроном Чарлз Лайнуейвър и неговите колеги. През първите 2-3 милиарда години след формирането на една галактика обитаема зона практически няма, защото в централната й част избухват твърде много свръхнови, а в покрайнините няма достатъчно тежки елементи, от които да се образуват планети. Но през следващите 2-3 милиарда години ситуацията се променя – честотата на свръхновите постепенно намалява, а металичността се увеличава и преди 5-7 милиарда години значителна част от галактиката става обитаема. Отначало това е сравнително тесен пояс на около 6-8 килопарсека от центъра, но с времето той се разширява навътре и навън и през последните 5 милиарда години обитаемата зона обхваща практически цялата галактика (която има радиус от около 15 килопарсека), без най-вътрешните й части, където звездите съдържат твърде много метали.

Фиг. 5 Еволюция на галактичната обитаема зона в Млечния път, според компютърната симулация на Чарлз Лайнуейвър и неговите колеги. По хоризонталната ос е нанесено разстоянието от центъра на галактиката в килопарсеци (Слънцето се намира на около 8 килопарсека от центъра). По вертикалната ос е нанесена възрастта на звездните системи, т.е. времето преди настоящия момент (в милиарди години): образуването на галактиката съответства на долната част на фигурата, а днешният ден – на горната. Зелената зона е подходяща за живот и белите изолинии показват областите, в които има 68 и 95 процента вероятност една звезда да има подходящи параметри, за да съществува живот в нейната система. В сините зони металичността на звездите е твърде ниска или твърде висока за образуване на планети, а звездите в червената зона са подложени на прекалено много и близки до тях експлозии на свръхнови. Зелената линия вдясно показва разпределението на звездите в обитаемата зона по възраст, т.е. ако животът на всяка подходяща планета възниква практически веднага след формирането й, днес повечето екосистеми са на възраст между 2 и 4 милиарда години. Жълтата точка показва положението на Слънчевата система.

Обобщавайки, в наши дни галактическата обитаема зона обхваща напълно нашата галактика и ограниченията се отнасят предимно за първите няколко милиарда години от историята й. До същия извод стига и астрономът Летиция Кариджи от Националния университет в Мексико, която заедно с група свои колеги моделира обитаемата зона на галактиката в съзвездието Андромеда. Следователно, понятието „галактическа обитаема зона“ има по-скоро значение като аргумент при анализа на историята на живота във Вселената, отколкото като практическо предписание за подобряване на стратегията при търсене на извънземни цивилизации. Така например, ако се вземе предвид, че за възникване на сложен живот на нашата планета са били необходими около 4 милиарда години, и ако се приеме, че това е типичното време за възникване на такъв живот, трябва да се изключат от галактичната обитаема зона всички звезди, които са по-млади от 4 милиарда години. Това намалява зоната, защото покрайнините на галактиката са населени предимно с млади звезди, и значително повишава средната възраст на живота в галактиката (Фиг. 6).

Фиг. 6 Еволюция на галактичната обитаема зона в Млечния път, според компютърната симулация на Чарлз Лайнуейвър и неговите колеги. За разлика от Фиг. 4 този модел изисква интервал от около 4 милиарда години пре-биологична еволюция, преди на една планета да възникне сложен живот, което изключва от галактическата обитаема зона звездите, по-млади от 4 милиарда години (отбелязани в сиво). Разпределението на живота по възраст (зелената линия вдясно) има пик в интервала 4-6 милиарда години.

5. Не питай какво може да направи за теб Парадоксът на Ферми, а какво можеш да направиш ти за него

За някои парадоксът на Ферми е последното убежище на антропоцентризма и пречка пред коперниканството. Но той е и поредното доказателство колко малко разбираме Вселената. Въвеждането на галактическата обитаема зона се провали като опит да бъде разрешен парадоксът, но пък ни помага да разберем как се е развивал животът през ранната история на Вселената.