Жизнь вне Земли?..

gordon0030@yandex.ru

Архив выпусков | Участники

↓№ 126↑

26.08.2002 Хронометраж

1:07:00

Где искать внеземную жизнь? Астробиологи утверждают, что возникшую жизнь трудно уничтожить. Почему тогда мы не находим ее признаков во Вселенной? Почему надежды встретить систему, подобную солнечной, тают с каждым днем? Об экзопланетах, их отличии от планет солнечной системы и о том, есть ли жизнь на Марсе — доктора физико-математических наук Леонид Ксанфомалити и Сергей Капица.

Участники:

Леонид Васильевич Ксанфомалити — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией Института космических исследований РАН

Сергей Петрович Капица — доктор физико-математических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института физических проблем им. П. Л. Капицы РАН

План дискуссии:

• Поиск жизни вне Земли — извечная тема философии всех времен. Джордано Бруно и Исаак Ньютон (последний считал обитаемым Солнце)

• Современность: 30 лет поисков жизни вне Земли с нулевым результатом

• Марс как возможно обитаемая планета. Почему на Марсе не найдены признаки жизни?

• Альтернатива: спутники-океаны

• Биологи и астробиологи утверждают, что возникшую жизнь очень трудно уничтожить — ее признаки должны присутствовать

• Существование обмена метеоритным материалом между планетами

• Другая возможность — экзопланеты. Их уже почти сто

• Отличие строения экзопланетных систем от солнечной системы — солнечная система низкоэнтропийная в отличие от экзопланетных систем

• Сходство экзопланетных систем и спутниковой системы Юпитера

• Солнечная система — странное исключение

• Планетные тела, пригодные для возникновения и развития амино-нуклеино-кислотной формы жизни. Их не более 30 на каждые 100 млн звезд. Те, что известны — гигантские раскаленные газовые шары

• Новые исследования ждут появления новых технических средств. Недавний шеф НАСА Голдин — «Построить космический телескоп размером в 1 милю».

• «Надежды встретить систему, подобную солнечной, тают с каждым днем» (П. Артимовиц)

• Происхождение тел в экзопланетных системах ставит теоретиков в тупик. А теперь и происхождение Солнечной системы.

• Где искать внеземную жизнь? Вероятность ее возникновения, по-видимому, очень мала.

• Другие цивилизации, если они существуют, разнесены не только в пространстве (что в принципе преодолимо), но и во времени...

Материалы к программе:

Из статьи В. Н. Жаркова, В. И. Мороза «Почему Марс?»

Перечень марсианских миссий выглядит весьма внушительно: пролетные аппараты «Маринер (1965–1969)», «Марс-4» (1974); искусственные спутники «Маринер-9» (1971), «Марс-2 и 3 (1971), 5 (1974)», «Фобос-2» (1989), «Марс-Глобал-Сервейер» (1997); посадочные аппараты «Марс-6» (1974), «Викинг-1 и 2» (1976), «Марс-Пасфайндер» с марсоходом «Соджорнер» (1997) и др. Полученные результаты легли в основу современных представлений о поверхности, внутреннем строении и атмосфере и эволюции Марса. Интерес к Марсу связан, с одной стороны, с надеждой получить информацию о том, как формировалась Земля, о ранней эпохе ее развития, с другой — выяснить, действительно ли на раннем Марсе были условия для возникновения биологической активности.

Роль метеоритной бомбардировки. Постепенно становится ясно, что заключительная катастрофическая метеоритная бомбардировка — одна из важнейших эпох в истории Луны, Земли и Марса. На Луне следы этой бомбардировки сохранились в виде гигантских круговых морей и крупных кратеров. На Земле они полностью стерты. Марс занимает промежуточное положение: на нем можно обнаружить некоторые последствия таких событий. Например, в Южном полушарии — это гигантские кратерные бассейны Эллада и Аргир. А в Северном — следы гигантских круговых кратеров стерты последующими геологическими процессами. Наибольшее изменение в истории Марса, видимо, связано с тем, что катастрофическая бомбардировка по существу разрушила имевшуюся в то время плотную атмосферу планеты и теплый влажный климат сменился климатом близким к современному.

Проблема раннего Солнца и эволюция планет земной группы. Светимость раннего Солнца была примерно на 30% меньше современной. Это заключение получено на основе детальных численных моделирований эволюции звезд. Низкая светимость молодого Солнца означает, казалось бы, что температура поверхности ранней Земли и Марса должна быть существенно меньше современной. Между тем имеются данные, согласно которым на Земле в архее был теплый влажный климат. Предполагается, что относительно теплый климат на Земле и Марсе в ранние эпохи обеспечивался парниковым эффектом в их атмосферах, который создавался углекислым газом при небольшой примеси водяного пара. Парниковый эффект играет огромную роль в формировании климата современной Земли, поддерживая среднюю температуру ее поверхности на 38 К выше эффективной (т. е. соответствующей равновесию планетарного уходящего и солнечного приходящего излучений). На современном Марсе парниковый эффект тоже есть, но гораздо более слабый, всего около 4 К.

Многообразие марсианской проблематики. Марс — планета, наиболее похожая на Землю. Но кроме того, что он меньше по массе и размеру, много различий также в характеристиках коры, поверхности и атмосферы, в истории воды. Атмосфера Марса на 95% состоит из диоксида углерода. Давление у поверхности близко к давлению тройной точки воды — 6,1 мбар. И это, возможно, не случайное совпадение. Открытые водоемы не могут существовать на Марсе, однако вода присутствует: следы водяного пара в атмосфере, вода, адсорбированная реголитом, кристаллизационная (в некоторых минералах горных пород), лед в полярных шапках и, возможно, при определенных условиях (в теплых областях в теплое время суток, при соляных добавках) жидкая — в грунтовых порах. Ряд особенностей современной поверхности планеты указывает на то, что были эпохи, когда вода играла еще большую роль. Разветвленные долины, весьма напоминающие русла высохших рек (вади), — наиболее яркий пример. Гипотеза о более теплом древнем Марсе с открытыми водоемами — реками, озерами, может быть, морями — и с более плотной атмосферой (на что указывает изотопный состав последней) обсуждается уже более двух десятилетий. Каковы запасы воды на Марсе? Как они распределяются между разными резервуарами (реголитом, вечной мерзлотой и др.), широтными зонами, геологическими провинциями? Как менялось это распределение со временем (история воды)? Действительно ли была, и если да, то как давно началась и закончилась эпоха теплого и влажного климата; была ли она однократным событием или повторялась?

Поиски жизни на Марсе. В возникновении гипотезы о жизни на Марсе можно выделить несколько этапов:

• открытие «каналов» и сезонных изменений (конец XIX — начало ХХ в.);

• попытки идентификации полос поглощения органических веществ в спектре Марса (50–60-е годы);

• проведение на посадочных аппаратах «Викинг-1 и 2» экспериментов по обнаружению следов жизнедеятельности микроорганизмов, а также сложных органических молекул (1976);

• исследования метеорита ALH 84001 и т. д.

Каналы оказались оптическим обманом. Сезонные изменения объясняют сейчас перемещением пыли. Полосы поглощения, как выяснилось, не имели отношения к Марсу. Наконец, результаты биологических экспериментов на «Викингах» были отрицательными (хотя иногда они трактуются и как неопределенные). Тем не менее поиски должны быть продолжены. За последние 10 лет к Марсу стартовали семь космических аппаратов. Один из них? японский — еще находится в полете. Что же касается остальных шести, то только два сработали успешно — «Марс-Пасфайндер» и «Марс-Глобал-Сервейер». Погибли российский «Марс-96» и американские «Марс-Обсервер» (1992), «Марс-Клаймит-Орбитер» и «Марс-Полар-Лэндер» (1999). В настоящее время создана программа исследований Марса, предусматривающая запуск двух космических аппаратов (спутник и посадочный аппарат) в каждое астрономическое окно, т. е. с интервалом примерно два года. Кульминацией должна стать очень сложная миссия с доставкой на Землю образца марсианского вещества (старт в 2005 г., прибытие капсулы с образцом в 2008 г.). К американским проектам космических миссий прибавились европейские.

Из статьи Л. Ксанфомалити «Находки в SNC-метеорите ALH 84001»

Осенью 1996 г. в журнале «Science» была опубликована статья американца Мак-Кея с соавторами «Поиск прошлой жизни на Марсе: возможные следы биогенной активности в метеорите ALH 84001 с Марса», где говорилось, что проведенные по нескольким направлениям исследования метеорита (хотя каждое в отдельности и не доказывает существование древних марсианских микроорганизмов) предполагают такую возможность.

Происхождение метеорита ALH 84001. Метеорит нашли в Антарктиде в 1984 году. Обычно метеориты слабо выделяются на фоне почвы, и их находят редко. Но в Антарктиде на фоне снега это сделать гораздо легче, хотя они глубоко внедряются в лед, но при выветривании старых снегов выходят на поверхность. Так находят до 400 образцов в год. Группа метеоритов SNC, в которую входят всего 12 образцов, долгое время не попадала ни в какую классификацию. Сокращение SNC — первые буквы названий населенных пунктов, где были найдены первые образцы еще в 1865, 1911 и 1815 гг. в Индии, Египте и Франции. Определить происхождение метеоритов группы SNC удалось только в наши дни — сегодня существуют методы, способные проанализировать состав вещества всего по нескольким десяткам тысяч его атомов.

В 1980–83 гг. удалось провести изотопный анализ газа, содержащегося в них. Оказалось, что химический состав газа и его изотопные соотношения совпали с такими же данными для атмосферы Марса, переданными с Марса аппаратами «Викинг» в 1976–78 гг. Изотопный состав — это своеобразный паспорт; химический состав может значительно изменяться, но изотопный всегда стабилен. У всех SNC наблюдается характерное (марсианское) соотношение изотопов кислорода. ALH 84001 довольно крупный, 1,9 кг. Он пролежал после обнаружения 9 лет, не привлекая внимания. В 1993 было доказано, что изотопный состав содержащегося в нем кислорода соответствует марсианскому. В 1994 было показано наличие у него скрытых признаков SNC. А в августе 1996 группа ученых под руководством Д. Мак-Кея из исследовательского центра им. Джонсона (NASA) объявила о возможном присутствии в метеорите древних окаменелостей биологического, но не земного происхождения. (Все метеориты, как правило, загрязнены земной флорой. И Антарктида, вопреки распространенному мнению, вовсе не стерильное место.)

Этот метеорит был выбит с поверхности Марса и впоследствии захвачен полем земного тяготения. Методы современной физики и химии позволили не только определить возраст, но и длительность пребывания в открытом космосе. Возраст 11 образцов SNC составляет от 180 до 1300 млн лет. Но ALH 84001 оказался намного старше. По первым определениям, он возник из жидкой магмы 4,5 млрд лет назад, когда Марс еще не был сформирован до конца. Затем он повергся сильному удару, который оставил в нем многочисленные трещины. За 16 миллионов лет до нашего времени еще более мощный удар выбросил его с поверхности Марса в космос, где он и оставался до встречи с Землей. 13 тысяч лет назад он выпал на льды Антарктиды, где его и нашли.

Минеральные конденсации, осажденные из жидкой воды, были обнаружены в SNC метеоритах сразу, как только начались их подробные исследования. Метеорит ALH 84001 относится к изверженным породам (ортопироксениты), имеет слоистую структуру и сравнительно легко раскалывается по слоям. Именно в трещинах и порах вдоль слоев были обнаружены возникшие еще на Марсе образования, которые появились, как предполагается, в результате просачивания воды в материал. Именно эти образования и стали предметом исследования Мак-Кея с соавторами.

Глобулы, образованные вторичными карбонатами. Само наличие жидкой воды рассматривается как абсолютно необходимое условие для возникновения на планете жизни. На первых этапах истории Марса это условие выполнялось. Другое обязательное условие — присутствие органических материалов, из которых построены все организмы амино-нуклеино-кислотной формы жизни (единственно известной). Во всех метеоритах SNC присутствуют малые (следовые) количества карбонатов. Но в отличие от них, только ALH 84001 включает вторичные (переработанные) их следы, локализованные в виде микроскопических пятен, «глобул», как их обозначили Мак-Кей и его коллеги, размерами от 1 до 250 мкм. Анализ показывает, что кислород и углерод в глобулах имеют характерный изотопный состав, доказывающий их марсианское происхождение. Анализ проводился методом лазерного испарения в вакууме ничтожно количества вещества из глобул и его масс-спектрометрического разделения. Возраст этих образований был оценен в 3,6 млрд лет (когда условия на Марсе были благоприятными для возникновения жизни).

Кроме радиоизотопного определения возраста об этом говорят проходящие через отложения трещины, возникшие еще на Марсе. Именно в этих глобулах или в непосредственной близости от них Мак-Кей и его коллеги обнаружили несколько видов странных следов: ничтожные отложения особых органических соединений (полициклических ароматических гидрокарбонатов — ПАГ); колонии микроскопических удлиненных образований, напоминающих окаменелости древних земных бактерий; и еще меньшие зерна специфического минерального состава, характерные для жизнедеятельности и продуктов распада земных микроорганизмов. Мак-Кей и его коллеги провели весьма подробный сравнительный анализ метеорита ALH 84001 и других образцов из Антарктиды, по-видимому исключающий земное происхождение этих образований.

(Однако происхождение самих глобул не обязательно приписывать осаждению их из воды. Имеются данные, что такие образования возникают при высоких температурах, более 650 °С. Тогда их происхождение вряд ли связано с бактериями. Но изотопный состав кислорода в материале глобул свидетельствует о температурах ниже 100 °С. Единого мнения пока здесь нет.)

Полициклические ароматические гидрокарбонат. Концентрация ПАГ в глобулах относительно невелика, всего 10^−б, а общее содержание органического материала составляет 250 · 10⁻⁶. ПАГ включают множество близких по строению химических соединений (из которых неспециалистам наиболее известен нафталин). Непосредственно микроорганизмами они не вырабатываются, однако возникают как продукт их распада. Но не только. Встречаются ПАГ также в углистых хондритах, приходящих из пояса астероидов, там где они заведомо небиологического происхождения. Но Мак-Кей и др. отмечают, что по сравнению с последними, а также по сравнению с огромным разнообразием земных ароматических гидрокарбонатов, спектр молекулярных масс ПАГ в ALH 84001 гораздо уже и охватывает массы от 178 до 276 а. е. м. Примерно такой же спектр масс присущ продуктам распада простейших земных микроорганизмов.

Интересен изотопный состав карбонатов в ALH 84001. Земные бактерии обладают способностью сепарировать изотопы, в результате чего в ферментах (и в следах бактерий) изотопа ¹³C меньше, чем в природных материалах. Именно это и обнаружено в ALH 84001 методами тонкой лазерной масс-спектрометрии. Возможно, это наиболее убедительный аргумент.

Греди и др. отмечают, что естественные химические реакции также приводят к некоторому фракционированию изотопов углерода, но сепарацию ¹³С, достигающую 60‰, скорее способны выполнить микроорганизмы. Мак-Кей и его коллеги приводят доказательства того, что ПАГ не попали в метеорит ALH 84001 ни во время лабораторных исследований, ни в Антарктиде. Отмечается также тот парадоксальный факт, что органических соединений в глубине метеорита гораздо больше, чем у поверхности. Это трудно объяснить с позиции загрязнений земными органическими соединениями, но соответствует сценарию их испарения с оплавленной корки метеорита во время его прохождения сквозь земную атмосферу. Кроме того, среди земных ПАГ много серосодержащих, но в ALH 84001 их нет.

Формы, подобные окаменелостям земных бактерий. Благодаря значительному прогрессу в усовершенствовании техники электронных микроскопов в работе Мак-Кея и его коллег удалось исследовать образования весьма малых размеров. Разрешение на снимках достигает нескольким нанометров, а сами удлиненные образования имеют размеры менее 100 нм. Как отмечалось выше, вблизи поверхности разломов (но не у самой оплавленной корки) обнаружено скопление многочисленных овальных, а в некоторых случаях — удлиненных и червеобразных образований, очень похожее на окаменелые колонии древнейших земных бактерий. Сходство форм весьма впечатляющее, а некоторые образования, возможно, даже имеют сегментированное строение.

Авторы считали важным показать, что эти образования не были случайно занесены в метеорит ALH 84001 за 13 тысяч лет его пребывания Антарктиде и что формы и размеры образований подобны существующим или существовавшим земным бактериям. Оставался также вопрос, как окаменелости нанобактерий оказались именно в изверженной, а не в осадочной породе, как это чаще бывает на Земле. Сравнение с другими метеоритами, найденными в Антарктиде, показало, что рассматриваемы образования присутствуют только в ALH 84001, причем только в глобулах. Что касается изверженной породы, то она расслаивается, бактерии легко могли попасть туда с водой. Сложнее выглядит сравнение размеров предполагаемых окаменелостей с земными микроорганизмами. Kpитики отмечают, что земные бактерии с типичными размерами 0,5–20 мкм в 100–1000 раз больше этих образований. Последних скорее следует oтнести к «нанобактериям», так как их размеры всего 20–100 нм, в среднем в 10 раз меньше длины волны видимого (зеленого) света.

Однако вопрос о существовании земных нанобактерий остается дискуссионным. Есть два сообщения, что нечто похожее найдено и на Земле. Р. Фолк из Техаского университета (Остин) сообщил о находке окаменелостей примерно тех же размеров, и даже соответствующих живых микроорганизмов в районе горячих источников в Италии. Возраст окаменелостей около 2 млрд лет. Микробиолог Т. Стивенс из Северо-западной лаборатории в Ричлэнде обнаружил бактерии всего лишь вдвое больших размеров, чем наибольшие образования в ALH 84001. Эти бактерии обитают в изверженных породах на глубине 5 км в восточной части штата Вашингтон. Необычен способ, которым они получают энергию. В отсутствие органических веществ и света, они используют реакции восстановления углекислого газа в метан, с выделением энергии, а необходимый для этого водород получают при взаимодействии горных пород с водой. (Заметим, что фотосинтез при таких размерах столкнулся бы с проблемой дифракции света; поэтому нанобактерии даже на поверхности планеты действительно должны использовать другие источники энергии).

Дискуссия. Возраст образований, 3,6 млрд лет, по определениям Мак-Кея с коллегами, совпадает с тем временем, когда климат Марса был благоприятным для возникновения жизни. Эти условия рассматривались применительно к отрицательным результатам поисков жизни на Марсе с помощью аппаратов «Викинг» группой почти однофамильца Мак-Кея (Мак-Кий и др., 1992). Однако М. Вадва с коллегами представила другую оценку возраста того же образца, — всего 1,39 млрд лет, найденную по содержанию в метеорите стронция и рубидия. А это уже совсем другие условия на Марсе. Кто из них прав, пока неясно. В частности, почему нет более поздних подобных образований в более молодых SNC? Если жизнь на Марсе была, то почему ее нет теперь? С помощью экспериментов на «Викингах» жизнь амино-нуклеино-кислотного (земного) типа на Марсе найти не удалось.

Вероятность обнаружения микроорганизмов, аналогичных земным, оценивалась в 40%. Результаты были неоднозначными и, скорее всего, отражали сложный химизм грунта Марса, активируемого солнечной ультрафиолетовой радиацией. Зато однозначными оказались результаты пиролитического эксперимента, где проба грунта постепенно разогревалась до высокой температуры, а отходившие газовые продукты анализировались масс-спектрометром и газовым хроматографом. Любая известная форма жизни при пиролизе выделяет органические летучие вещества. Исследовались образцы, взятые с глубины от 4 до 6 см. Чувствительность приборов к органическим составляющим достигала 10⁻¹⁰. Никаких органических соединений отмечено не было, хотя при анализе 0,1 г антарктического грунта обнаруживалось более 20 органических соединений.

Позже в литературе высказывалась мысль, что этот отрицательный результат нельзя относить ко всей планете, что он может быть локальным. Но дело в том, что возникшую однажды жизнь уничтожить очень непросто. Жизнь не только приспосабливается к окружающей среде, но и приспосабливает ее к себе. Поэтому многие выражают мнение, что однажды возникшая жизнь на Марсе могла бы исчезнуть лишь под действием каких-то совершенно катастрофических обстоятельств. С другой стороны, если бы она сейчас существовала, ее было бы трудно не обнаружить, поэтому результатами «Викингов» пренебрегать не следует. Специалисты задаются также вопросом, почему так похожи пути эволюции примитивной жизни на Земле и Марсе (если результаты анализа ALH 84001 правильны), и видят в этом проявление панспермии — проникающих повсюду зародышей жизни, присутствующих в космосе. Много говорится о необходимости расширения исследований Марса космическими средствами.

Уроки SNC показали, что наука конца XX в. готова к открытию простейших форм жизни на некоторых небесных телах, где для этого имеются минимальные условия. Эти условия уже понятны, как и пути возникновения примитивных микроорганизмов, и сформулированы в научной литературе. На V Международной конференции по биоастрономии (1996) в своем докладе нобелевский лауреат К. де Дюв сказал: «Жизнь возникла естественным образом, путем многочисленных химических реакций, имевших высокую вероятность в условиях ранней Земли». Некоторые авторы рассматривают вопрос об ALH 84001 шире, чем просто возможное существование примитивной (одноклеточной) биоты, и пытаются осмыслить проблему в свете поиска разумной жизни во Вселенной.

Если жизнь столь распространена, почему поиск внеземного разума... безрезультатен? Возможно, мы одна из первых развитых цивилизаций в Галактике, обреченная блуждать в космосе и находить массу протоплазмы, но никого, с кем можно было бы поговорить. Все почти 50-летние поиски разумных сигналов из космоса не дали ровно ничего. Для объяснения этого факта приводятся самые тонкие и остроумные идеи, но самая простая причина может заключаться в том, что земная цивилизация уникальна, по крайней мере в нашей части Галактики. «Великое молчание Вселенной», по-видимому действительно определяется крайне малой вероятностью перехода от простейших одноклеточных к сложным многоклеточным организмам. Только эволюция последних может привести к появлению разума. И. Кроуфорд подчеркивает, что хотя перспективы найти жизнь в Галактике растут, но это перспективы найти примитивные ее формы. «Тот факт, что жизни потребовалось почти 3 млрд лет, чтобы перейти от одноклеточных к многоклеточным, показывает, что этот шаг очень труден». Половина жизненного пути Солнца и 5/6 истории Земли понадобилось, чтобы прийти к «кембрийскому взрыву», — внезапному и необъяснимому появлению на ней многоклеточных, пишет С. Гулд (1989). Сколько сотен миллионов лет понадобится, чтобы эта вероятность реализовалась где-то еще во Вселенной? Факт доисторического существования простейшей жизни на Марсе (если ALH 84001 действительно такой факт содержит) может быть посланием об одиночестве нашей цивилизации во Вселенной, планетные системы которой если где-то и населены, то скорее всего, одноклеточными.

Из статьи Л. Ксанфомалити «Спор о происхождении находок в метеорите ALH 84001 продолжается»

Проблема метеорита ALH 84001 стимулировала новые исследования, касающиеся условий возникновения жизни как на Марсе, так и на самой Земле. Обращаясь к проблеме происхождения жизни на Земле, де Дюв (1997) пишет: «Жизнь возникла естественным химическим путем, методом прогрессивного усложнения, начиная, по-видимому, с малых молекул, таких, которые возникают в космосе в абиогенных реакциях. Поскольку процессы, вовлеченные в такое усложнение, были химическими и составляли большое число последовательных шагов, они должны были быть высокодетерминированными, т. е. иметь высокую вероятность в определенных превалирующих условиях [ранней Земли]. Если подобные условия реализуются где-либо еще, можно ожидать, что жизнь точно так же возникнет и там». Таким образом, предполагаемое подобие физических условий на раннем Марсе и на Земле свидетельствует в пользу вполне возможного возникновения марсианских микроорганизмов.

Рассматривался также вопрос о возможном развитии возникших микроорганизмов на органических веществах, присутствующих в некоторых метеоритах. Пригодность самих органических материалов, содержащихся в метеоритах, в качестве питательной среды для земной (и марсианской) биоты была недавно подтверждена посевами на водных экстрактах из метеорита Мурчисон С2. Микроорганизмы успешно развивались на таком экстракте. Более того, питательная среда позволила вырастить на ней даже побеги картофеля. Такой результат стал неожиданным, так как считалось, что органические компоненты метеоритов в значительной степени должны быть переработаны, прежде чем станут питательной средой для микроорганизмов и растений.

Заметим, что наряду с химическими имеются ограничения на возможность возникновения жизни, определяемые физическими условиями на планете. В частности, рассматривались энтропийные ограничения, возникающие у гипотетических планетных систем звезд поздних спектральных классов, причем отмечалось, что для условий окружающей среды на Марсе таких ограничений нет.

С момента первой публикации основная часть дискуссии велась вокруг двух вопросов.

Первый: образовались ли углеродосодержащие отложения путем осаждения из жидкой фазы (растворов в воде) при температурах менее 100 °С (допускающих сохранение живых организмов) или же при температурах в несколько сотен градусов (исключающих такую возможность)?

Второй — это ничтожные размеры образований, не позволяющие поместить в них известные клеточные органы. Первый вопрос допускает возможность экспериментальных проверок.

Метеорит ALH 84001 продолжает исследоваться. Д. Мак-Кей обнаружил в нем микропленочные полимеры, которые напоминают подобные же образования, секретируемые некоторыми земными микроорганизмами. Разумеется, сходство может быть чисто внешним. Продолжаются, как можно видеть, и другие экспериментальные работы, направленные на подтверждение гипотезы. Но критических публикаций много. Редакционная статья в журнале «Science», 1998, v. 279, озаглавленная «Отсутствие жизни?», цитирует доказательства земного происхождения некоторых включений в метеорите и отмечает противоречия в аргументации сторонников их марсианского происхождения.

Обзор по материалам Л. Ксанфомалити о внесолнечных планетных системах

Экзопланета — планета, находящаяся за пределами Солнечной системы (греческая приставка «экзо» означает «вне», «снаружи»); альтернативный термин — внесолнечная планета (extra solar planet). Впервые такие планеты были обнаружены косвенно в 1990-х годах по слабому «покачиванию» звезд, вокруг которых они обращаются. К середине 2001 планетные системы были открыты у 58 близких к Солнцу звезд и двух радиопульсаров, причем в некоторых случаях обнаружены системы из нескольких планет, однако до сих пор ни одну из них не удалось непосредственно наблюдать и исследовать. Точное измерение движений звезды позволяет оценить массы наиболее крупных членов ее планетной системы и параметры их орбит. Не исключено, что некоторые экзопланеты не входят в околозвездные системы, подобные Солнечной системе, а движутся в межзвездном пространстве сами по себе.

Поскольку наиболее легко обнаруживаются самые массивные экзопланеты, сильно раскачивающие звезду, вокруг которой они обращаются, большинство из открытых до сих пор экзопланет оказались массивнее Юпитера. Некоторые по массе близки к Сатурну, а в отдельных случаях — к Земле. Поскольку почти одновременно с открытием экзопланет астрономы обнаружили звездообразные объекты сверхмалой массы — коричневые карлики, — возникла необходимость провести четкую границу между звездами и планетами. Сейчас считается общепринятым, что планета — это объект, в котором за всю его историю реакции ядерного синтеза не происходят ни в каком виде. Как показывают расчеты, при формировании космических объектов нормального (солнечного) химического состава с массой более 13 масс Юпитера (Мю) в конце этапа их гравитационного сжатия температура в центре достигает нескольких миллионов кельвинов, что приводит к развитию термоядерной реакции с участием дейтерия — тяжелого изотопа водорода, наиболее легко вступающего в реакцию ядерного синтеза. При меньших массах объектов ядерные реакции в них не происходят. Поэтому массу в 13 Мю считают максимальной массой планеты; объекты с массами от 13 до 70 Мю называют «коричневыми карликами», а еще более массивные — «звездами».

История открытия экзопланет. Астрометрический поиск. Первые попытки обнаружить экзопланеты связаны с наблюдениями за положением близких звезд. В 1916 американский астроном Эдуард Барнард (1857–1923) обнаружил, что слабенькая красная звездочка в созвездии Змееносца быстро перемещается по небу относительно других звезд — на 10 угл. секунд в год. Астрономы назвали ее Летящей звездой Барнарда. Хотя все звезды хаотически перемещаются в пространстве со скоростями 20–50 км/с, при наблюдении с большого расстояния эти перемещения остаются практически незаметными. Звезда Барнарда — весьма заурядное светило, поэтому возникло подозрение, что причиной ее наблюдаемого «полета» служит не особенно большая скорость, а просто необычная близость к нам. Действительно, звезда Барнарда оказалась на втором месте от Солнца после системы Альфа Кентавра.

Масса звезды Барнарда почти в 7 раз меньше массы Солнца, поэтому влияние на нее соседей-планет (если они есть) должно быть весьма заметным. Более полувека, начиная с 1938, изучал движение этой звезды американский астроном Питер ван де Камп (1901–1995). Он измерил ее положение на тысячах фотопластинок и заявил, что у звезды обнаруживается волнообразная траектория с амплитудой покачиваний около 0,02 угл. сек., следовательно вокруг нее обращается невидимый спутник. Из расчетов П. ван де Кампа следовало, что масса спутника чуть больше массы Юпитера, а радиус его орбиты 4,4 а.е. В начале 1960-х годов это сообщение облетело весь мир. Но не все астрономы согласились с выводами П. ван де Кампа. Продолжая наблюдения и увеличивая точность измерений, Дж. Гейтвуд (G. Gatewood) и его коллеги к 1973 выяснили, что звезда Барнарда движется ровно, без колебаний, а значит массивных планет в качестве спутников не имеет. Однако эти же работы принесли и новую находку: были замечены зигзаги в движении пятой от Солнца звезды Лаланд-21185. Сейчас получены веские доводы, что вокруг этой звезды обращаются две планеты: одна с периодом 30 лет (масса 1,6 Мю, радиус орбиты 10 а.е.) и вторая с периодом 6 лет (0,9 Мю, 2,5 а.е.). Для подтверждения этого открытия ведутся наблюдения.

Планеты у нейтронных звезд. В конце 1980-х годов несколько групп астрономов в разных странах создали высокоточные оптические спектрометры и начали систематические измерения скоростей ближайших к Солнцу звезд. Эта работа специально была нацелена на поиск экзопланет и через несколько лет действительно увенчалась успехом. Но первыми открыли экзопланету радиоастрономы, причем не одну, а сразу целую планетную систему. Произошло это в ходе исследования радиопульсаров — быстро вращающихся нейтронных звезд, излучающих строго периодические радиоимпульсы. Поскольку пульсары — чрезвычайно стабильные источники, радиоастрономы могут выявлять их движение со скоростью порядка 1 см/с, а значит, обнаруживать рядом с ними планеты с массами в сотни раз меньше, чем у Юпитера.

Первое сообщение в журнале «Nature» об открытии планетной системы вокруг пульсара PSR1829–10 (обозначался также PSR1828–11 и PSR B1828–10, современное обозначение PSR J1830–10) сделала в середине 1991 группа радиоастрономов Манчестерского университета (М. Бэйлес, А. Лин и С. Шемар), наблюдающих на радиотелескопе в Джодрелл-Бэнк. Они объявили, что вокруг нейтронной звезды, удаленной от Солнца на 3,6 кпк, обращается планета в 10 раз массивнее Земли по круговой орбите с периодом 6 месяцев. В 1994 в неопубликованном сообщении авторы уточнили, что планет три: с массами 3, 12 и 8 земных и периодами, соответственно, 8, 16 и 33 месяца. Однако до сих пор это открытие не подтверждено независимыми исследованиями и поэтому остается сомнительным.

Первое подтвердившееся открытие внесолнечной планеты сделал польский радиоастроном Алекс Вольцжан (A. Wolszczan), который с помощью 305-метровой антенны в Аресибо изучал радиопульсар PSR 1257+12, удаленный примерно на 1000 св. лет от Солнца и посылающий импульсы через каждые 6,2 мс. В 1991 ученый заметил периодическое изменение частоты прихода импульсов. Его американский коллега Дейл Фрейл подтвердил это открытие наблюдениями на другом радиотелескопе. К 1993 выявилось присутствие рядом с пульсаром PSR 1257+12 трех планет с массами 0,2, 4,3 и 3,6 массы Земли, обращающихся с периодами 25, 67 и 98 сут. В 1996 появилось сообщение о присутствии в этой системе четвертой планеты с массой Сатурна и периодом около 170 лет.

Та легкость, с которой планеты были найдены у первого пульсара, вдохновила радиоастрономов на анализ сигналов и других пульсаров (их сейчас открыто более 1000). Но поиск оказался почти безрезультатным: лишь еще у одного далекого пульсара (PSR 1620–26) обнаружилась планета-гигант в несколько раз массивнее Юпитера. До сих пор планетная система пульсара PSR 1257+12 демонстрирует нам единственный пример планет типа Земли за пределом Солнечной системы.

Считается весьма странным, что вообще рядом с нейтронной звездой обнаружились маломассивные спутники. Рождение нейтронной звезды должно сопровождаться взрывом сверхновой. В момент взрыва звезда сбрасывает оболочку, с которой теряет большую часть своей массы. Поэтому ее остаток — нейтронная звезда-пульсар — не может своим притяжением удержать планеты, которые до взрыва быстро обращались вокруг массивной звезды. Возможно, что обнаруженные у пульсара планеты сформировались уже после взрыва сверхновой, но из чего и как — не ясно. Пока планетные системы нейтронных звезд по причине их непонятного происхождения считают чем-то неполноценным.

Успех Доплер-эффекта: планеты у нормальных звезд. Первую «настоящую» экзопланету обнаружили в 1995 астрономы Женевской обсерватории Мишель Майор (M. Mayor) и Дидье Квелоц (D. Queloz), построившие оптический спектрометр, определяющий доплеровское смещение линий с точностью до 13 м/с. Любопытно, что американские астрономы под руководством Джеффри Марси (G. Marcy) создали подобный прибор раньше и в 1987 приступили к систематическому измерению скоростей нескольких сотен звезд; но им не повезло сделать открытие первыми. В 1994 Майор и Квелоц приступили к измерению скоростей 142 звезд из числа ближайших к нам и по своим характеристикам похожих на Солнце. Довольно быстро они обнаружили «покачивания» звезды 51 в созвездии Пегаса, удаленной от Солнца на 50 св. лет. Колебания этой звезды происходят с периодом 4,23 сут и, как заключили астрономы, вызваны влиянием планеты с массой 0,47 Мю (для нее уже предложено имя — Эпикур).

Это удивительное соседство озадачило ученых: совсем рядом со звездой как две капли воды похожей на Солнце бешено мчится планета-гигант, обегая ее всего за четыре дня; расстояние между ними в 20 раз меньше, чем от Земли до Солнца. Астрономы не сразу поверили в это открытие. Ведь обнаруженная планета-гигант из-за ее близости к звезде должна быть нагрета до 1000 К. Горячий юпитер? Такого сочетания астрономы не ожидали. Быть может, за колебания звезды была принята пульсация ее атмосферы? Однако дальнейшие наблюдения подтвердили открытие планеты у звезды 51 Пегаса. Затем обнаружились и другие системы, в которых планета-гигант обращается очень близко к своей звезде; термин «горячий юпитер» прочно вошел в обиход.

Поиском экзопланет сейчас занято более 150 астрономов на различных обсерваториях мира, включая самую продуктивную научную группу Дж. Марси и группу М. Майора. Для выработки терминологии и координации усилий в этой области Международный астрономический союз (МАС) создал Рабочую группу по внесолнечным планетам, первым руководителем которой избран американский астроном-теоретик Алан Бос (A. Boss). Предложена временная терминология, согласно которой «планетой» следует называть тело массой менее 13 Мю, обращающееся вокруг звезды солнечного типа; такие же объекты, но свободно движущиеся в межзвездном пространстве, следует называть «коричневыми субкарликами» (sub-brown dwarfs). Сейчас этот термин употребляется в отношении нескольких десятков предельно слабых объектов, найденных в 2000–2001 в туманности Ориона и не связанных со звездами. Они излучают в основном в инфракрасном диапазоне и по массе, вероятно, лежат в промежутке между коричневыми карликами и планетами-гигантами. Ничего определенного о них пока сказать нельзя.

Свойства обнаруженных экзопланет. Несколько столетий астрономы бьются на загадкой происхождения Солнечной системы. Главная проблема в том, что нашу планетную системы до сих пор не с чем было сравнить. Теперь ситуация изменилась: практически каждый месяц астрономы открывают новую экзопланету; пока это планеты-гиганты, но скоро новые приборы позволят обнаруживать и планеты земного типа. Станет возможной классификация и сравнительное изучение планетных систем. Это значительно облегчит отбор жизнеспособных гипотез и построение правильной теории формирования и ранней эволюции планетных систем, в том числе — Солнечной системы.

В настоящее время поиск планет произведен приблизительно у 1000 звезд; это почти все звезды в окрестности 30 пк от Солнца;

у 58 звезд обнаружены планетные системы, содержащие от 1 до 3 планет, всего обнаружено около ста экзопланет;

минимальная масса экзопланеты (M sin i), обнаруженной рядом с нормальной звездой, равна 0,15 Мю;

обнаружены планетные системы у двух радиопульсаров, причем в одной из этих систем (PSR 1257+12) присутствуют планеты земной массы;

заподозрены планеты еще у дюжины звезд;

орбитальные периоды обнаруженных экзопланет лежат в диапазоне от 3 сут до 7 лет, а большие полуоси орбит — от 0,04 до 3,7 а.е.;

эксцентриситеты орбит экзопланет лежат в диапазоне от 0,0 до 0,93; при этом орбит с большим эксцентриситетом оказалось довольно много (в отличие от Солнечной системы, где большие планеты движутся по почти круговым орбитам);

амплитуда наблюдаемых колебаний лучевой скорости звезды под виянием планеты от 3 м/с (инструментальный предел) до 200 м/с;

ближайшая экзопланета обнаружена у звезды Эпсилон Эридана, на расстоянии 10 св. лет от Солнца. Она чуть меньше Юпитера и обращается на расстоянии 3,3 а.е. от звезды чуть менее массивной и менее горячей, чем Солнце;

лишь в одном случае (звезда HD 209458) Земля оказалась почти в плоскости орбиты экзопланеты (i = 85,2°). Поэтому астрономы систематически, дважды в неделю, наблюдают прохождения экзопланеты перед звездой, вызывающие неглубокие (1,5%) затмения. Это позволило очень точно установить орбитальные и физические параметры планеты и звезды. В частности, имея массу 0,69 Мю, планета в 1,54 раза больше Юпитера по размеру. Это не удивительно, если учесть, что она обращается на расстоянии всего 0,045 а.е. от звезды, немного более массивной и яркой, чем наше Солнце. В таком положении планета должна быть весьма горячей и иметь протяженную атмосферу.

В целом обнаружение первых внесолнечных планетных систем стало одним из крупнейших научных достижений 20 столетия. Решена важнейшая проблема — Солнечная система не уникальна; формирование планет рядом со звездами — это закономерный этап их эволюции. В то же время становится ясно, что Солнечная система нетипична: ее планеты-гиганты, движущиеся по круговым орбитам вне «зоны жизни» (область умеренных температур вокруг Солнца), позволяют длительное время существовать в этой зоне планетам земного типа, одна из которых — Земля — имеет биосферу. По-видимому, другие планетные системы редко обладают этим качеством.

Библиография

Галимов Э. М. К вопросу о существовании жизни на Марсе//Астроном. вестник. 1997. Т. 31. № 3.

Жарков В. Н. От физики Земли к сравнительной планетологии//Природа. 1998. № 12.

Ксанфомалити Л. Находки в SNC-метеорите ALH 84001//Астроном. вестник. 1997. Т. 31. № 3.

Ксанфомалити Л. Спор о происхождении находок в метеорите ALH 84001 продолжается//Астроном. вестник. 1998. Т. 32. № 6.

Ксанфомалити Л. Парад планет. М.: Наука, 1998.

Ксанфомалити Л. Поиск систем внесолнечных планет с помощью спектрального метода лучевых скоростей и астрометрии//Астроном. вестник. 1999. Т. 33. № 6.

Ксанфомалити Л. Внесолнечные планетные системы//Астроном. вестник. 2000. Т. 34. № 6.

Ксанфомалити Л. В. 24 Генеральная ассамблея МАС, симпозиум 202 «Планетные системы во Вселенной»//Астроном. вестник. 2001. Т. 35. № 2.

Сурдин В. Г. Каталог экзопланет//Природа. 2000. № 7.

Мороз В. И. Физика планеты Марс. М., 1978.

Artimowitz P., Lubow S. H. Mass flow through gaps in circumbinary disks//Astrophys. J. 1996. V. 467.

Artimowitz P. Growth and interaction of extrasolar planets//24 General Assembly IAU. Abstract Book, 2000.

Boss A. How do you get hot Jupiters?//Northern Light. 2000. № 2.

Hartmann W. The history of Earth. New York, 1991.

McKay D. S., Gibson E. K., Thomas-Keprta K.L. et al. Search for Past Life on Mars: Possible Relic Biogenic Activity in Martian Meteorite ALH 84001//Science. 1996. V.273.

Sagan C. Cosmos. New York, 1980.

Тема № 126

Эфир 26.08.2002

Хронометраж 1:07:00

www.ntv.ru

Сайт управляется системой uCoz