Обсерватория Pan-STARRS на Гавайях, та же самая, что открыла Оумуамуа, обнаружила несколько миров-сирот. Одним из самых интересных является PSO J318.5-22. Строка цифр относится к его положению в небе — для краткости мы будем называть его PSO 22. Этот объект находится примерно в 80 световых годах от нас — достаточно близко, чтобы можно было установить некоторые из его особенностей. Масса PSO 22 примерно в 6,5 раза больше массы Юпитера. Поскольку для запуска ядерных реакций, создающих звезду, требуется масса, превышающая массу Юпитера в 15-20 раз, PSO 22 иногда называют субзвёздным объектом. Количество излучаемой им инфракрасной энергии указывает на то, что его температура составляет около 1800°F (900°C), что значительно выше температуры Юпитера, но значительно ниже диапазона, характерного для малых звёзд. Одна из особенностей PSO 22, которая делает его таким интересным, заключается в том, что можно получить кое-какую информацию о его составе. В частности, в его атмосфере был обнаружен метан, а также пара щелочных элементов — натрий и калий. Таким образом, по составу мир может быть похож на Уран и Нептун. Ещё одна интересная особенность PSO 22 обусловлена тем фактом, что его масса значительно больше, чем у Юпитера. Когда он был выброшен из планетной системы, где родился, он, скорее всего, забрал с собой большое количество местного мусора благодаря своей сильной гравитации. Эти обломки должны представлять собой материал, из которого формировались местные планеты, а также материал типа кометного и астероидного. Он также мог бы унести все луны, которые образовались вокруг него. Таким образом, PSO 22 является хорошим кандидатом в миры-сироты с собственной луной или лунами на его орбите. CFBDSIR214947.2-040308.9: Планета-сирота, связанная со звёздным скоплением Многие звёзды образуются внутри так называемых звёздных «яслей» — облаков, достаточно больших, чтобы породить звёзды в количестве от тысяч до миллионов. CFBDSIR214947.2-040308.9, которую мы будем сокращённо называть C9, представляет собой планету, которая сформировалась в окрестностях члена таких «яслей», а затем была выброшена в межзвёздное пространство. Она была обнаружена с помощью прибора, разработанного специально для поиска объектов, испускающих инфракрасное излучение, на больших участках неба. C9 — очень молодой объект, возраст которого составляет всего от 20 до 200 миллионов лет. Он связан со скоплением звёзд, известным как AB Золотой Рыбы, примерно в 65 световых годах от Земли. Все звёзды в этом скоплении движутся в одном и том же общем направлении и поэтому, как полагают, сформировались все вместе примерно в одно и то же время. C9 движется вместе с группой AB Золотой Рыбы, что даёт нам очень веские доказательства в пользу того, что миры-сироты выбрасываются из планетных систем, когда эти системы только формируются. Это не говорит о том, что миры-сироты не могут быть выброшены в другие моменты истории планетной системы, но с учётом нашего понимания процессов формирования планет и эволюции ясно, что наиболее вероятным сценарием является выброс миров-сирот в эпоху формирования планет. WISE J085510.83-071442.5: Свободно плавающий мир-изгой Если C9 — это мир-сирота, который образовался в звёздном скоплении и всё ещё движется вместе с этим скоплением, то существуют и другие миры-сироты, которые не имеют явной связи ни с какими звёздными скоплениями. WISE J085510.83-071442.5, который мы будем сокращенно называть WISE-5, является прекрасным примером миров такого рода. WISE-5 был обнаружен с помощью телескопа НАСА WISE (Wide-Field Infrared Survey Explorer — Широкоугольный инфракрасный обзорный исследователь), который исследует большие участки неба в поисках слабых источников инфракрасного излучения. Масса WISE-5 несколько неясна, но, вероятно, превышает массу Юпитера в 3-10 раз. Его температура низкая — возможно, до -70°F (-50°C). Возраст WISE-5 совершенно непонятен, но составляет не менее 1 миллиарда и меньше 10 миллиардов лет. Расстояние от Земли до этого мира-сироты оценивается примерно в 7 световых лет. Для сравнения, ближайшие к нашей Солнечной системе звёзды находятся на расстоянии около 4 световых лет. Таким образом, WISE-5 станет отличным кандидатом для дальнейших наблюдений с помощью телескопов следующего поколения — таких, как TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) и космический телескоп «Джеймс Уэбб» (см. главу 17). Вероятно, он находится достаточно близко к нашей солнечной системе, чтобы мы могли искать признаки наличия жизни. Молодые обособленные объекты планетарной массы в звёздном скоплении Сигмы Ориона В звёздном скоплении Сигма Ориона была обнаружена совокупность очень молодых, но обособленных планет. Эти миры-сироты обладают массой в пределах от 5 до 15 масс Юпитера, поэтому они слишком малы, чтобы запустить ядерный синтез и тем самым превратиться в звёзды. Однако температура их поверхности колеблется от 2800° до 3600°F (от 1400° до 1900°C), что гораздо выше, чем у планет-гигантов в нашей Солнечной системе. Эти миры-сироты представляют собой новый тип гигантских планет. Звёздное скопление Сигма Ориона находится примерно в 1200 световых годах от Земли и отличается своей молодостью — ему всего от 1 до 5 миллионов лет. Считается, что формирование планет-гигантов в таких Солнечных системах, как наша, происходит в течение отрезков времени продолжительностью от 1 до 10 миллионов лет, поэтому данные миры-сироты, должно быть, были выброшены из своих родных систем на самом пике процесса формирования планет. Это подтверждает утверждение о том, что процесс формирования планет протекает весьма жёстко. Как мы упоминали выше, благодаря своей большой массе подобные миры смогли бы унести изрядное количество материала туманности, из которой формировались планеты. Таким образом, у этих сбежавших планет могли бы быть собственные вращающиеся облака газа и пыли, из которых могли бы сформироваться луны. Такие системы лун могли бы оставаться пригодными для жизни до тех пор, пока приливные взаимодействия поддерживали бы их источники тепла, а это время могло бы растянуться на миллиарды лет. MOA-2011-BLG-262Lb: Мир-сирота с небольшой луной на орбите При использовании гравитационного линзирования (см. главу 11) была обнаружена система планет-сирот из двух объектов, среди которых более крупная планета представляет собой газовый гигант, а другая — луну, обращающуюся вокруг него. Эта система известна как MOA-2011-BLG-262Lb, которую мы будем сокращённо называть MOA-b. Считается, что масса газового гиганта примерно в четыре раза превышает массу Юпитера, а луна должна быть меньше Земли. Помимо этого, о системе MOA-b известно не так много. Её значение в данном случае заключается в том, что, если эти наблюдения точны, данная система является доказательством того, что у планет-сирот могут быть собственные луны. Если учесть сложность использования гравитационного линзирования для обнаружения планет, факт находки системы «планета плюс луна» говорит о том, что их, ожидающих своего открытия, ещё очень много. 15 ЖИЗНЬ, НЕ ПОХОЖАЯ НА НАС. ЧТО, ЕСЛИ МЫ — НЕ ЕДИНСТВЕННЫЙ ВАРИАНТ? До настоящего момента мы прямо или косвенно обсуждали жизнь, похожую на нас. То есть мы говорили о жизни, основанной на химических реакциях, в которых участвуют соединения углерода и которые происходят (или, по крайней мере, происходили изначально) в жидкой воде. В этой главе мы рассмотрим возможность жизни, не похожей на нас — жизни, которая всё ещё основана на химии, но в образовании которой участвуют химические элементы, отличные от углерода, или жидкости, отличные от воды. Это расширение нашего определения значительно увеличивает спектр разнообразия, которое необходимо учитывать, когда мы говорим о живых существах в нашей галактике. Сказав это, мы должны отметить, что в данной главе мы рассматриваем только жизнь, сформированную естественными причинами. Увлекательная возможность жизни, созданной как следствие развития передовых технологий (вспомните о компьютерах и роботах), оставлена для следующей главы, которая посвящена жизни, действительно не похожей на нас. Мы начинаем это обсуждение с утверждения, которое можно воспринимать как честную рекламу. Оба автора признаются, что являются так называемыми углеродными шовинистами. То есть, мы считаем, что специфические особенности атома углерода делают его идеальным инструментом для развития и поддержания сложной жизни. Возможно, лучший способ начать изучение возможности существования жизни, не похожей на нашу, — это узнать, что же делает углерод таким особенным. Атом углерода имеет шесть положительно заряженных протонов в своем ядре, и шесть вращающихся вокруг ядра отрицательно заряженных электронов, чтобы уравновесить этот положительный заряд. О том, где могут находиться эти электроны, законы квантовой механики говорят нам две вещи: • Электроны могут занимать так называемые энергетические уровни, расположенные на некоторых строго ограниченных и определённых расстояниях от ядра. • На каждом энергетическом уровне есть место только для определённого, строго ограниченного количества электронов. В целом, на ближайшем к ядру энергетическом уровне есть место для двух электронов, в то время как на следующих двух уровнях может находиться до восьми электронов на каждом. (У более крупных атомов больше электронов, и они занимают более высокие уровни. На этих уровнях также находится строго определённое количество электронов, но точные значения вычислить сложнее.) Это означает, что в атоме углерода на самом нижнем уровне находятся два из шести электронов, и в то же время на следующем уровне находятся остальные четыре. Именно самые внешние электроны (они называются валентными электронами) образуют связи с другими атомами для создания молекул. Представьте себе, что каждый из четырёх внешних электронов — это своего рода липучка на поверхности атома, позволяющая атому углерода сцепляться с другими атомами, в том числе с другими атомами углерода[12]. Когда атомы углерода соединяются друг с другом, они образуют длинные цепочки, кольца, сложные петли и множество иных форм, которые мы наблюдаем в молекулах, поддерживающих жизнь на Земле. Иногда они отдают для связи с другим атомом углерода сразу два своих валентных электрона — представьте, что два атома склеены двумя парами липучек вместо одной. Эти так называемые двойные связи играют важную роль в создании сложности, которую мы наблюдаем в молекулах на основе углерода на Земле. Чрезвычайно важной молекулой на основе углерода является ДНК, которая позволяет живым существам на Земле передавать информацию от одного поколения к другому. Она делает это с помощью четырёх молекул, называемых азотистыми основаниями. Эти молекулы обычно обозначаются первой буквой их названий — аденин (A), гуанин (G), цитозин (C) и тимин (T) — и их последовательность в ДНК организма представляет собой сообщение, передаваемое от поколения к поколению. Мы утверждаем, что у любой жизни, основанной на химических веществах, должно быть нечто, играющее роль ДНК — что-то такое, что может передавать информацию от одного поколения другому. Очевидно, что это «что-то» не обязательно должно быть тем же самым, что и наша ДНК. И действительно, учёные смогли создать в лаборатории ДНК, которая содержит кодирующие молекулы, отличные от упомянутых выше, и это позволяет предположить, что в других мирах могли возникнуть другие молекулы, переносящие информацию. История кремния Подход многих учёных к решению вопроса об альтернативной жизни состоит в том, чтобы найти в живых системах на Земле какую-то функцию, которую сейчас выполняют молекулы на основе углерода, а затем узнать, могут ли выполнять ту же функцию молекулы на основе иного химического элемента. Это такой же хороший способ начать нашу дискуссию, как и любой другой, хотя ниже мы утверждаем, что он может быть полон всякого рода ограничений. Однако прежде, чем перейти к подробному обсуждению конкретных типов атомов, мы должны уделить чуточку внимания одной вещи: относительному изобилию химических элементов в природе. Очевидно, что более обычный в природе атом с большей вероятностью послужит основой для жизни, чем более редкий — уже хотя бы потому, что первый более доступен для химических реакций, ведущих к образованию жизни. Следовательно, в дальнейшем мы сосредоточим наше внимание на обычных элементах и проигнорируем возможность жизни, основанной на относительно редких атомах. Если мы взглянем на нашу Солнечную систему или на галактику в целом, то обнаружим, что самыми распространёнными элементами являются водород и гелий, за которыми следуют кислород и углерод. Чтобы подчеркнуть то, что будет важно в ходе нашего последующего обсуждения, скажем, что на каждый атом кремния в Солнечной системе приходится около 10 атомов углерода. Один балл в пользу углеродных шовинистов. Однако если мы рассмотрим только Землю, ситуация будет совершенно иной. Формирование планет земной группы включало процесс сортировки — например, на Земле почти нет гелия, хотя во Вселенной он встречается в изобилии. Мы считаем, что значительная часть углерода, который мог бы пойти на формирование Земли, вместо этого связалась в виде летучих соединений, которые были выброшены из внутренней области Солнечной системы новорождённым Солнцем. По сути, оказывается, что на Земле на каждый атом углерода приходится около 30 атомов кремния — полная противоположность их относительному содержанию в Солнечной системе в целом. Один балл в пользу парней, топящих за кремний, хотя значительная часть кремния на Земле заключена в минералах глубоко под её поверхностью и, следовательно, недоступна жизни. Когда мы получим представление о распространённости химических элементов, реальный вопрос о жизни, не похожей на нас, сводится к следующему: существуют ли атомы, отличные от атомов углерода, которые могли бы обеспечивать такую сложность молекул, которую мы наблюдаем у земной жизни? То есть, могут ли эти другие атомы образовывать цепочки, кольца и сложные структуры, как это делает углерод, чтобы заложить основу для существования широкого спектра молекул, необходимых для жизни? Это, как мы указывали выше, ведёт нас к кремнию. Самый простой способ наглядно представить это — вспомнить о втором правиле квантовой механики, приведённом выше. Представьте, что вы начинаете с углерода, а затем добавляете восемь электронов (конечно же, сопровождая это аналогичным увеличением числа протонов в ядре). Это даст нам атом, который, как и углерод, имеет четыре валентных электрона, поскольку из новых электронов четыре заполнят до конца второй энергетический уровень, и останется ещё четыре для следующего, самого верхнего уровня, на котором они могут образовывать связи. И действительно, элемент, у которого на восемь электронов больше, чем у углерода, — это кремний, расположенный в периодической таблице прямо под углеродом. Это упражнение объясняет, почему формы жизни на основе кремния на протяжении десятилетий были неотъемлемой частью научной фантастики. С химической точки зрения кремний — это элемент, обладающий наибольшим сходством с углеродом, и, как мы уже отмечали, он довольно распространён во Вселенной. Однако, сделав это замечание, мы должны отметить, что между углеродом и кремнием существует фундаментальная разница. Поскольку валентные электроны кремния находятся на третьем энергетическом уровне, тогда как электроны углерода находятся на втором, атом кремния крупнее своего углеродного аналога. Химики предположили, что именно это различие так затрудняет образование длинных цепочек из атомов кремния. Это означает малую вероятность того, что в жизни на основе кремния цепочки атомов кремния смогут играть ту же роль, что и молекулы типа ДНК в жизни на углеродной основе: «липучки» расположены слишком далеко друг от друга, чтобы два атома кремния могли образовать больше одной связи друг с другом. Таким образом, значительная часть сложности, которую мы наблюдаем в молекулах на основе углерода, просто недоступна кремнию. Это отражается в таком факте: известно, что специалисты в области органической химии используют для описания самых сложных молекул на основе кремния такие слова, как «монотонный». Другая проблема возникает во время анализа обмена веществ у кремниевой жизни. Углеродный метаболизм основан на соединении атмосферного кислорода с углеводами — молекулами, содержащими атомы углерода и водорода. Простейшим примером этого процесса является сжигание метана[13], молекулы, в которой один атом углерода связан с четырьмя атомами водорода. Конечными продуктами этой реакции являются углекислый газ (газообразный) и вода. (По сути, кислород воздуха соединяется с углеродом метана с образованием двуокиси углерода и с его водородом с образованием воды.) Оба эти вещества легко удалить из того места, где вырабатывается энергия организма — например, такого рода взаимодействием с кислородом является появление углекислого газа в воздухе, выдыхаемом вами прямо сейчас. Аналогичной реакцией в кремниевом мире было бы сгорание молекулы, в которой один атом кремния связан с четырьмя атомами водорода — вещества, известного как моносилан. Это привело бы к образованию в качестве отходов диоксида кремния (диоксида кремния). При привычных для нас температурах это вещество является твёрдым и выводится из организма с гораздо большим трудом, чем углекислый газ — оно является основным компонентом кварца и песка, например. Кстати, есть такие научно-фантастические рассказы, в которых формы жизни на основе кремния выдают свою истинную природу, испражняясь кирпичами из твёрдого диоксида кремния и оставляя за собой безошибочный след. Из-за сложностей такого рода в научном сообществе существует общее мнение о том, что живые системы, полностью основанные на кремнии (то есть системы, в которых кремний полностью заменяет углерод), вряд ли будут существовать на планетах, которые мы обычно считаем пригодными для жизни. (Сделав это замечание, мы должны добавить, что данное утверждение не означает, что кремний не может быть включен в живые системы. Многие организмы на Земле — например, диатомовые водоросли в океане — создают твёрдые части, используя атомы кремния в своей основанной на углероде структуре.) Однако мы можем представить себе экзотические планеты, где химия кремния может генерировать некоторые очень сложные молекулярные структуры: например, находящаяся в приливном захвате планета земной группы с расплавленной дневной стороной в звёздной системе, богатой металлами и другими тяжёлыми элементами. Но у нас нет возможности узнать, будут ли большие потоки энергии, пронизывающие такую экзопланету, создавать автономные самовоспроизводящиеся системы, которые мы обычно ассоциируем с жизнью. Мы завершаем это обсуждение жизни на основе кремния представлением того, что мы считаем одним из самых сильных аргументов в пользу углеродного шовинизма. Как мы видели выше, кремния на Земле гораздо больше, чем углерода. Однако, несмотря на это численное преимущество, роль кремния в живых системах на Земле лучше всего охарактеризовать как незначительную, в то время как углерод, представленный относительно бедно, составляет основу всех живых систем. Это подсказывает нам, что в углероде есть нечто особенное, если дело касается жизни, и что жизнь в других местах, возможно, за некоторыми исключениями, будет основана на углероде. Мы потратили много времени на разговоры о возможности жизни на основе кремния по нескольким причинам. Во-первых, как мы уже отмечали, кремний является элементом, в наибольшей степени подобным углероду. Кроме того, научно-фантастических сценариев, затрагивающих жизнь на основе кремния, существует, вероятно, больше, чем посвящённых любой другой её форме. Такая художественная литература обычно изображает кремниевые формы жизни в виде оживших минералов или скал. Если же принять во внимание аргументы, приведённые в этом разделе, то нам кажется, что эти формы жизни будут редкими в галактике, или же вообще не будут существовать. Так какие же другие виды жизни, не похожей на нас самих, мы обнаружим с большей вероятностью? Иной выбор