УСКОРЕННОЕ РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ И ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ ОБНАРУЖЕНИЕ ПЛАНЕТ ОКОЛО ДРУГИХ ЗВЁЗД ПОИСК ЖИЗНИ И РАЗУМА ВО ВСЕЛЕННОЙ
УСКОРЕННОЕ РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ И ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ ОБНАРУЖЕНИЕ ПЛАНЕТ ОКОЛО ДРУГИХ ЗВЁЗД ПОИСК ЖИЗНИ И РАЗУМА ВО ВСЕЛЕННОЙ
Вопрос о происхождении жизни, о её разумных формах волновал науку с античных времён. Римский философ Лукреций Кар (98 – 55 гг. до н.э.) в своей поэме «О природе вещей» писал: «Весь этот видимый мир вовсе не единственный в природе, и мы должны верить, что в других областях пространства имеются другие земли с другими людьми и другими животными».
Исследуя собственное вращение галактик, астрономы обратили внимание на то, что скорости звёзд, расположенных на периферии галактик, и скорости спутников галактик заметно выше той, которую они имели бы, если бы всё вещество галактики было сосредоточено в звёздах, газе и пыли.
Расширение Вселенной — явление, состоящее в почти однородном и изотропном расширении космического пространства в масштабах всей Вселенной, выводимое через наблюдаемое с Земли космологическое красное смещение (наблюдаемое для всех далёких источников - галактик, квазаров - понижение частот излучения).
Наблюдения указывают на то, что в галактиках имеется не излучающая свет и потому не доступна для наблюдения темная материя, которая по массе в несколько раз превышает суммарную массу всех звёзд. Это несветящееся вещество не участвует в электромагнитном взаимодействии, слабо проявляется в ядерном и слабом взаимодействиях, поэтому оно себя не обнаруживает. Но оно участвует в гравитационном взаимодействии, и его можно обнаружить по массе, т. е. гравитационному влиянию на другие объекты, в том числе и свет.
Природа темной материи пока не ясна, но она вносит основной вклад в массу галактик. Поэтому ранее приведённое значение средней плотности Вселенной нужно увеличить почти в три раза.
.png)
УСКОРЕННОЕ РАСШИРЕНИЕ ВСЕЛЕННОЙ И ТЁМНАЯ ЭНЕРГИЯ. Делать выводы о бесконечном расширении Вселенной пока преждевременно, так как ряд наблюдений указывают на существование во Вселенной более экзотической по свойствам тёмной материи, которая получила название тёмной энергии. По своей массе тёмная энергия должна превышать все другие формы материи и вносить основной вклад в расширение Вселенной.
На основании проведённых в конце 1990-х годов наблюдений ряда сверхновых звёзд был сделан вывод, что расширение Вселенной ускоряется со временем. Затем эти наблюдения были подкреплены другими источниками: измерениями реликтового излучения, гравитационного линзирования и другими.
Расстояния до других галактик обычно определяются измерением их доплеровского красного смещения, зависящего от скорости излучающего тела прямо пропорционально (при скорости v значительно меньшей скорости света). Величина красного смещения света удалённых галактик с учётом закона Хаббла v = H · r оказывается пропорциональной расстоянию до этих галактик с коэффициентом пропорциональности H (параметром Хаббла или, не совсем точно, постоянной Хаббла).
Однако значение параметра Хаббла H требуется сначала каким-нибудь способом установить, например, измерив значения красного смещения для галактик, расстояния до которых уже вычислены другими методами. Для этого в астрономии применяются «стандартные свечи», то есть объекты, светимость которых известна. Лучшим типом «стандартной свечи» для космологических наблюдений являются сверхновые звёзды определённого типа (все вспыхивающие звёзды этого типа, находящиеся на одинаковом расстоянии, должны иметь почти одинаковую наблюдаемую яркость; при этом желательно делать поправки на вращение и состав исходной звезды). Сравнивая наблюдаемую яркость сверхновых в разных галактиках, можно определить расстояния до этих галактик.
В конце 1990-х годов было обнаружено, что в удалённых галактиках, расстояние до которых было определено по закону Хаббла, сверхновые упомянутого типа имеют яркость ниже той, которая им полагается. Иными словами, расстояние до этих галактик, вычисленное по методу «стандартных свечей», оказывается больше расстояния, вычисленного на основании ранее установленного значения параметра Хаббла. Был сделан вывод, что Вселенная не просто расширяется, она расширяется с ускорением.
Ранее существовавшие космологические модели предполагали, что расширение Вселенной замедляется. Они исходили из предположения, что основную часть массы Вселенной составляет материя – как видимая, так и невидимая (тёмная материя). На основании новых наблюдений, свидетельствующих об ускорении расширения, было постулировано существование неизвестного вида энергии с отрицательным давлением . Её назвали «тёмной энергией».
Проявление тёмной энергии было обнаружено по наблюдениям вспышек сверхновых звёзд в очень далёких галактиках. Удалось определить расстояние до них методами, независящими от метода, использующего доплеровское красное смещение линий в спектрах и закон Хаббла. Дело в том, что есть определённая категория сверхновых, которые обладают одинаковой максимальной светимостью из-за однородной массы взрывающихся белых карликов.
Постоянство максимальной светимости позволяет этим взрывам использоваться в качестве так называемых «стандартных свечей» для измерения расстояния до их галактик, поскольку визуальная звёздная величина сверхновых зависит прежде всего от расстояния (вообще говоря, при измерениях расстояний до удалённых галактик в качестве «стандартных свечей» могут использоваться и другие астрономические объекты).
Эти наблюдения были подкреплены измерениями реликтового излучения и другими методами.
Удалось определить расстояние до них независимо от метода измерения расстояния по красному смещению линий в спектрах далёких галактик и закону Хаббла. Оказалось, что это расстояние больше, чем даёт закон Хаббла. Отсюда следовало, что на таких расстояниях расширение происходит с ускорением, то есть во Вселенной проявляет себя новая сила отталкивания, которая является определяющей в больших масштабах, а на малых расстояниях ею можно пренебречь.
Плотность тёмной энергии постоянна во времени. Природа тёмной энергии и связанная с ней сила отталкивания пока не известны.
По мнению учёных средняя плотность Вселенной равна критической плотности, и основной вклад в неё вносит тёмная энергия. Свойство тёмной энергии совершенно необычное, она проявляет себя только в гравитационном взаимодействии и не участвует в слабом ядерном и электромагнитном взаимодействиях. Она проявляет себя как сила отталкивания, пропорциональная расстоянию между телами.
Так как по мере расширения объём Вселенной увеличивается, то плотность обычной и тёмной материи уменьшается (масса этих видов материи не меняется), тогда как плотность тёмной энергии остаётся постоянной. Поэтому, начиная с определённого момента времени, масса тёмной энергии будет превышать массу остальных видов материи, и она будет оказывать основное влияние на гравитацию Вселенной. Наблюдения показали, что ускоренное расширение показывают галактики, которые находятся на расстоянии около 5 млрд св. лет от нас. Это означает, что тёмная материя и энергия стала преобладать над обычней материей, когда возраст Вселенной был около 7 млрд лет.
В начале XIX в., изучая собственное движение звёзд, астрономы обратили внимание на то, что движение Сириуса не было прямолинейным, он испытывал периодические отклонения от прямой траектории. Было предположение, что вокруг Сириуса вращается невидимая звезда, которая своим притяжением приводит к видимым колебаниям Сириуса.
Когда для наблюдений стали использовать более мощные телескопы, около Сириуса обнаружили слабенькую звезду — белый карлик. Это открытие подтолкнуло астрономов к более тщательному исследованию движений звёзд.
Рассмотрим схему наблюдаемого пути близкой к нам звезды Барнарда за 30 лет (см. рисунок). Сплошная линия — невозмущённое движение звезды на фоне далёких звёзд. Кружки показывают реальное возмущённое движение, вызванное тёмными спутниками.
Теоретический анализ движения показал существование вокруг неё трёх спутников. Первый находится на расстоянии 1,8 а. е., второй —
2,8 а.е., третий — 4,5 а.е. от звезды Барнарда, а их массы соответственно равны 1,3, 0,6, 0,7 массы Юпитера.
Возможно, вокруг звезды вращаются и менее массивные спутники с массами, сравнимыми с массой Земли, но их влияние на движение звезды настолько мало, что их трудно обнаружить.
Потенциально обитаемые экзопланеты
| Название планеты | Индекс подобия | Расстояние (св. лет) | Год открытия |
|---|---|---|---|
| Земля | 1,00 | 0 | — |
| Kepler-438b | 0,90 | 470 | 2015 |
| Проксима Центавра b | 0,87 | 4,224 | 2016 |
| Kepler-296e | 0,85 | 1089,6 | 2014 |
| KOI-3010.01 | 0,84 | 1213,4 | 2.011 |
| Gliese 667 Сс | 0,84 | 23,6 | 2011 |
| Kepler-442b | 0,83 | 1291,6 | 2015 |
| Kepler-62e | 0,86 | 1199,7 | 2013 |
| Kepler-452b | 0,83 | 1400 | 2015 |
| Gliese 832 с | 0,81 | 16,1 | 2014 |
| Kepler-283c | 0,79 | 1496,8 | 2011 |
В настоящее время для поиска планет за пределами Солнечной системы (экзопланет) используют и другие методы, основанные на наблюдениях: по ослаблению света от звезды, когда планета проходит по её диску и заслоняет часть звезды; по измерению доплеровского смещения спектральных линий в звёздном спектре из-за движения звезды вокруг центра масс звезды и экзопланеты.
Трудность поиска экзопланет состоит в том, что для обнаружения планеты типа Земли скорости, которые нужно измерить, составляют несколько метров в секунду, а ослабление света звезды составит доли процента.
Несмотря на все трудности, к настоящему времени обнаружено свыше 4000 экзопланет. В основном это планеты-гиганты. Среди них сотни планет с массами, сравнимыми с массой Земли, и около 40 экзопланет, расположенных на расстояниях от звезды, на которых они получают достаточно тепла для формирования комфортных условий жизни на поверхности. Среди них есть близкие к Земле, например, планеты, расположенные около звезды τ Кита.
Теперь основная цель наблюдений – обнаружение атмосферы у этих экзопланет и определение её химического состава. Если в химическом составе будет обнаружен кислород, углекислый газ, метан, то на этих планетах возможно наличие жизни.
Открытие большого числа экзопланет заставило ученых исследовать проблемы возникновения жизни на планетах. Так, вне зоны, благоприятной жизни вокруг Солнца, на спутнике Юпитера Европе под ледяной коркой существует гигантский тёплый водяной океан, подогреваемый теплом, выделяемым за счёт действия приливных сил со стороны Юпитера и соседних спутников. В этом океане могут существовать и развиваться живые организмы. Поэтому в будущем планируются запуски спускаемых аппаратов на Европу, которые смогут проникнуть в этот океан.
Более того, высказывались обоснованные предположения о существовании жизни на поверхности спутника Сатурна Титана, на котором обнаружены речки и озёра с жидким метаном и метановые облака. Как считают учёные, при тех низких температурах метан по своим физическим свойствам похож на воду при земных условиях и может служить основой для жизни
Благодаря церкви, которая опиралась на учение Птолемея, Земля считалась центром Вселенной. Жизнь и человек созданы Богом только на Земле. И только гениальный Н. Коперник в первой четверти XV в. низвёл Землю из центра Вселенной, поместив её на третье место от центрального Солнца.
ЖИЗНЬ ВО ВСЕЛЕННОЙ. Первые телескопические наблюдения Галилео Галилея показали, что на Луне видны горы и моря, как на Земле. Напрашивался вывод о возможности жизни на ней.
Эти мысли ясно выразил Джордано Бруно, ярый приверженец теории Коперника. Он писал: «Существуют бесчисленные солнца, бесчисленные земли, которые кружатся вокруг своих солнц, подобно тому как наши семь планет кружатся вокруг нашего Солнца... На этих мирах обитают живые существа».
В 1600 г. Джордано Бруно был сожжен на костре за свои еретические идеи о множестве обитаемых миров. Современным ученым, занимающимся этой проблемой, ничто не угрожает. Однако у них, как и у Джордано Бруно, пока еще нет фактических доказательств существования внеземных цивилизаций. Многие астрономы искали проявление жизни на планетах Солнечной системы. Так, открытие итальянским астрономом Джованни Скиапарелли каналов и морей на Марсе во время Великого противостояния планеты в конце XIX века вызвало большой интерес к проблеме связи с марсианской цивилизацией.
Предлагали прорубить в сибирской тайге просеки в виде теоремы Пифагора с гигантскими квадратами на катетах и гипотенузе, засеять их пшеницей, и тогда на зелёном фоне тайги «марсиане» увидят этот рисунок и в конце концов дадут нам знать о себе.
Многие ученые сейчас убеждены в том, что на остальных восьми планетах нашей Солнечной системы не существует разумной жизни или технически развитой цивилизации.
Академик АН СССР А. И. Опарин написал:
«Отличительная черта современного прогресса знания – новый подход к изучению природы Земли. Данные непосредственного космического эксперимента ставят на строго научную основу гипотезы о единстве закономерностей образования различных тел Солнечной системы – Луны, планет, астероидов, метеоритов.
Это, в свою очередь, заставляет иначе взглянуть на роль, которую должны были играть в формировании Земли и других небесных тел космическая среда, излучения, идущие из космоса, солнечная радиация. Признание важной роли космоса в эволюции Земли привело к знаменательным сдвигам и в науке о происхождении жизни.»
Изучение вариаций интенсивности космических лучей, перепадов гравитации, связанных с положением нашей Солнечной системы в Галактике, определили новые подходы не только к изучению происхождения и развития жизни на Земле, но и к поискам ее во Вселенной. Астрономы и биологи обнаружили достаточно доказательств того, что на нашей планете представлена лишь небольшая часть флоры и фауны Вселенной.
По словам биохимика Мэрилендского университета Сирила Поннамперума, «Земля – это, в сущности, образцовая лаборатория процессов, которые могли происходить бесчисленное число раз в других солнечных системах». Насколько часто жизнь эволюционирует до разумных существ, мы не знаем. Но если разумная жизнь возникла один раз, она может возникнуть множество раз, хотя, возможно, и в других формах.
Человек «сделан» в основном из веществ, самых распространенных во Вселенной, – водорода, углерода, азота и кислорода. Вероятно, атмосфера «молодой» Земли состояла из этих же элементов, затем углерод соединился с водородом и образовал метан, а азот с водородом – аммиак. Сочетание кислорода с водородом стало водой.
Двадцать лет назад химик из Чикагского университета Стэнли Миллер получил весьма сложные органические молекулы из подобных простейших газовых смесей, пропуская через них электрический разряд и имитируя таким образом грозу, которая могла произойти в первобытные времена. Созданная Миллером «атмосфера» начала извергать потоки аминокислот в расположенную под ней воду. Ученому таким образом удалось наблюдать процесс, происходивший более 4 млн. лет назад, когда моря Земли наполнялись пенистой смесью, состоящей из «строительных блоков» живых организмов.
В подобных опытах по моделированию условий, существовавших на древней Земле, исследователи нашли многочисленные пути образования «предбиологических» соединений. Они создали аминокислоты, из которых состоит белок, этот строительный материал живых организмов и важный компонент клеток, а также нуклеиновые кислоты. Вышеперечисленные соединения – основа всех форм жизни на Земле.
Небиологический характер происхождения органических молекул (называемых так потому, что они содержат жизнеобразующие атомы водорода и углерода) получил подтверждение в 1969 г., когда возле Мерчисона (Австралия) упал метеорит, «на борту» которого обнаружили аминокислоты, подобные полученным в лаборатории. Наличие аминокислот предполагалось и в лунных породах, что подтвердили образцы, доставленные экипажем «Аполлона-14».
Далеко не все планеты могут служить прибежищем жизни. Для того чтобы на них могла возникнуть жизнь, они должны обращаться вокруг звезд, которые светят с постоянной интенсивностью в течение миллиардов лет, и находиться в так называемой обитаемой зоне – области космического пространства, где интенсивность солнечного излучения не слишком велика и не слишком мала для процессов жизнедеятельности.
Основа развития любой цивилизации – ее энергетические возможности. По этому признаку условно разделены все возможные внеземные миры. Те, на которых освоили энергию, по мощности равную Солнцу, хотя и относятся к высокому уровню, но все же считаются второстепенными. На первом месте, вероятно, стоят цивилизации, располагающие энергией сотен солнц, освоившие энергетические мощности целых галактик.
Современные теории звездной эволюции предсказывают, что образование планет, обращающихся вокруг обычных, подобных Солнцу, звезд, скорее, правило, чем исключение.
Для установления контактов с внеземными цивилизациями потребуется сооружать новые мощные радио- и инфракрасные телескопы, с помощью которых можно расширить исследования ближайших звезд и некоторых других космических объектов. Большое внимание будет уделено исследованию ядер галактик и центра нашей Галактики.
ФОРМУЛА ДРЕЙКА. К проблеме поиска связи с внеземными цивилизациями учёные обратились в конце 50 – 60 гг. XX века. Учёные Карл Саган, Фрэнк Дрейк и Иосиф Шкловский попытались на основе знаний из астрономии, биологии, химии, социологии и других естественных наук оценить количество разумных цивилизаций в нашей Галактике, с которыми мы могли бы надеяться связаться в настоящее время. Фрэнк Дрейк предложил следующую формулу для оценки числа Nц цивилизаций в Галактике:
Nц = Rзв·fпл·n·fж·fраз·fсв·T,
где
R≅ 1 звёзд/год – скорость образования звёзд спектральных классов от F до M. Время жизни этих звёзд свыше 4 млрд лет, что достаточно для возникновения и эволюции жизни до разумной на планете;
fпл≅ 1 – доля звёзд, имеющих планетные системы, тесть полагают, что все солнцеподобные звёзды имеют планетные системы;
n≅ 0,1 – среднее число планет в планетной системе, имеющих благоприятные для жизни условия (в Солнечной системе только Земля, то есть n1/8);
fж ≅ 1 – доля планет, у которых при хороших условиях рано или поздно жизнь обязательно возникнет, как на Земле;
fраз≅ 1 – доля планет, где жизнь возникла и благодаря естественному отбору эволюционировала в разумную;
fсв≅ 1 – доля возникших высокоразвитых цивилизаций, у которых появилось желание и возможность связи с другими цивилизациями;
Т – время жизни высокоразвитой цивилизации в годах. Полагают, что наша высокоразвитая цивилизация уже прожила почти 60 лет, начиная с того момента, как мы построили радиотелескопы и получили возможность посылать сигналы с Земли и принимать сигналы из космоса. Если мы не уничтожим сами себя, то наша цивилизация просуществует несколько миллионов лет.
Многие астрономы убеждены в том, что в обозримой Вселенной находятся миллиарды планет. Только в нашей Галактике, куда Солнце входит как обычная звезда, насчитывается сто миллиардов звезд и, вероятно, миллиарды планет.
Расчёты показали, что в Млечном Пути (одной из миллиардов галактик Вселенной) должно быть от одной цивилизации (нашей земной) до миллиона. Подставив в формулу Дрейка приведённые цифры (Т = 1 млн. лет), получим число цивилизаций в нашей Галактике: Nn = 100000. Одна высокоразвитая цивилизация на 1000000 звёзд!
В крупные радиотелескопы астрономы пытаются услышать эти цивилизации. Первые наблюдения в рамках поиска внеземных цивилизаций были проведены в 1960 г. Тогда астрономы, используя радиотелескоп с диаметром антенны в 25 м, прослушивали две близкие звезды, похожие на Солнце, τ Кита и ε Эридана в надежде услышать радиосигналы искусственной природы. Сигналы пока так и не были обнаружены. С помощью гигантских антенн радиотелескопов Центра дальней космической связи в Евпатории были отправлены послания в сторону нескольких ближайших звёзд, похожих на наше Солнце.
«Время от времени перед наукой возникают интересные вопросы, которые могут в дальнейшем приобрести огромное практическое значение, – говорит академик В. А. Амбарцумян. – «В таких случаях всегда находятся скептики, не желающие согласиться с энтузиастами в оценке значения нового научного направления. Так было перед открытием атомной энергии. То же самое происходит сейчас и в отношении поисков внеземных цивилизаций и установления связи с ними».
Тем не менее, за последние годы человечество достигло таких успехов в астрономии, технике связи, кибернетике, которые создали реальные возможности установить связи с разумной жизнью из других миров при условии, если такие цивилизации существуют. Речь идет не только о простых формах жизни, но и о ее высших формах, вплоть до цивилизаций».
В 1974 г. с радиотелескопа в Аресибо было отправлено послание a в сторону шарового скоплении М13 в созвездии Геркулеса, содержащее 1679 бит информации и посланное на радиочастоте 2380 Мгц (длина волны 12,6 см).
Сообщение представляет собой развёртку кадра с 23 столбцами и 73 строками. На развёртке изображена фигура человека и схема Солнечной системы. Справа указан рост в единицах длины волны (14 × 12,6 см = 176 см).
Слева – численность населения Земли (около 4 млрд человек, в двоичной системе).
В верхней части – последовательность чисел от 1 до 10 в двоичном коде.
Затем следует последовательность чисел 1, 6, 7, 8 и 15 – порядковые номера важнейших для нас химических элементов: водорода, углерода, азота, кислорода и фосфора.
Под ними 12 групп из пяти чисел каждая – это формулы важнейших для жизни молекул. И ещё ниже – двойная спираль молекулы ДНК.
00000010101010000000000 00000000000000000000000 00100000001000000000000 00101000001010000000100 00010000001100000000010 00100000111110000000000 110001000100010010U0010 00000000001100000000000 00100001011101001011011 10101010101010100100100 00001000001100000000001 00000010011100100111111 00000000000000000000000 11111000001100000011111 10111000011100000110111 00000000000011000000000 00000000001100000000000 00000000010100000111011 00000000001101000000000 00100000000100000000100 00100000010100000111111 00000000001101000000000 00010000001100000001000 00100000010100000110000 00000000010101000000000 00001100001100000010000 00100000110110000000000 00000000011111000000000 00000011000100001100000 00000000000000000000000 00000000000000000000000 00000000001100110000000 00111000001000000000000 11000011100011000011000 00000011000100001100000 00111010100010101010101 10000000000000110010000 00001100001100000010000 00111000000000101010100 11010001100011000011010 00010000001000000001000 00000000000000101000000 11111011111011111011111 00100000001100000000100 00000000111110000000000 00000000000000000000000 01000000001100000000100 00000011111111100000000 00010000000000000000010 01000000000100000001000 00001110000000111000000 00000000000000000000000 00100000001000000010000 00011000000000001100000 00001000000000000000001 00010000000000001100000 00110100000000010110000 11111000000000000011111 00001100000000110000000 01100110000000110011000 00000000000000000000000 00100011101011000000000 01000101000001010001000 11000011000011100011000 01000100100010010001000 10000000100000000010000 00000100010100010000000 11010000110001110011010 00000100001000010000000 11111011111011111011111 00000100000000010000000 00000001001010000000000 01111001111101001111000
Так как основное количество звёзд в Галактике концентрируется в сравнительно тонком диске с радиусом R ≈ 15000 пк и толщиной h ≈ 1000 пк, и полагая, что Nц = 100000 развитых цивилизаций распределены среди звёзд равномерно, оцените расстояние до ближайшей цивилизации. Сколько лет лететь до неё даже со скоростью, близкой к скорости света?
Наблюдения вспышек сверхновых звёзд в очень далёких галактиках позволили определить расстояния до них независимо от метода красных смещений. Полученное различие в оценках расстояний указывает на ускоренное расширение Вселенной на больших расстояниях. Это говорит о том, что наряду с силой всемирного тяготения между телами во Вселенной действует сила всемирного отталкивания.
По-видимому, эта сила отталкивания является проявлением особой формы материи, которая называется тёмной энергией. Одним из её свойств является то, что она обладает отрицательным давлением.
В настоящее время обнаружено свыше 4000 экзопланет, определены их массы и расстояния до звезды, вокруг которой они обращаются. Среди них всего около 40 с массами, сравнимыми с массой Земли, и расположенных на расстояниях от звезды, обеспечивающих комфортные условия для образования и эволюции жизни на ней.
Для поиска внеземных цивилизаций проводится прослушивание космического пространства, а также посылаются закодированные послания в области Галактики, где, возможно, существует разумная жизнь.