Галактический рецепт: ингредиенты обитаемой планеты

Знали ли вы, что один из наиболее опасных ядов является ключевым ингредиентом для зарождения жизни в той форме, которая нам известна? Космический химик Карин Оберг рассказывает о том, как она сканирует Вселенную на предмет наличия в ней этого парадоксального элемента, используя в своей работе крупнейший радиотелескоп ALMA, помогающий обнаружить сосредоточие молекулярной активности и процесс формирования пригодных для жизни планет.

Уверена, я не единственная в этом зале,

кто, вглядываясь в звёзды,

задаётся вопросом: «Одиноки ли мы

или где-то есть и другие обитаемые
планеты, подобные нашей»?

Но, полагаю, из присутствующих здесь
я единственный человек,

которого этот вопрос волновал так сильно,

что определил карьерное будущее.

Перейдём к делу.

С чего же начинать поиски
ответа на этот вопрос?

Прежде всего, нужно опустить взгляд

с неба на нашу планету, Землю,

и осознать, как невероятно удачно
должны были сложиться обстоятельства,

чтобы она могла стать обитаемой.

Хотя бы толика удачи тут точно необходима.

Если бы мы находились чуть ближе к Солнцу

или чуть дальше от него,

вся имеющаяся у нас вода
либо выкипела бы, либо замёрзла.

Я имею в виду, что наличие воды
на планете далеко не очевидно.

И если бы наша планета была сухой,

она вряд ли изобиловала бы жизнью.

Но даже если бы вся вода,
которая у нас есть сейчас,

не имела в составе

необходимые для поддержания
жизни химические элементы,

наша планета была бы влажной,
но тем не менее мёртвой.

Как видите, очень многое
может пойти не так.

Так каковы же шансы
благоприятного стечения обстоятельств?

Каковы шансы того,

что при наличии базовых условий

на планете зародится жизнь?

Давайте попробуем ответить
на этот вопрос вместе.

Для того, чтобы на планете
зародилась жизнь,

прежде всего необходимо

наличие само́й планеты.

(Смех)

Но для этого подойдёт не всякая планета —

нужна некая особенная, похожая на Землю.

Она должна быть скалистой,

чтобы на поверхности
были и океаны, и суша.

Она должна находиться не слишком далеко
и не слишком близко к своей звезде,

в оптимальной температурной зоне,

чтобы вода была в жидком состоянии.

Сколько подобных планет
в нашей галактике?

Одно из величайших открытий
последних десятилетий:

таких планет удивительно много.

Практически у каждой звезды
есть такая планета,

а иногда и не одна.

Из все этих планет

лишь несколько процентов
похожи на Землю в достаточной мере,

чтобы их можно было рассматривать
как потенциально пригодные для жизни.

Учитывая количество звёзд в нашей
галактике — а их около 100 миллиардов, —

поиск подходящей планеты будет
не слишком сложной задачей.

Получается около одного миллиарда
потенциально обитаемых планет.

Но оптимальные температура
и ландшафт, увы, не являются

достаточными условиями.

Необходимы определённые
химические элементы.

Второе важное условие
для зарождения жизни —

думаю все догадались, о чём речь, —

это вода.

Как мы уже определили, планета пригодна
для жизни, только если температура

её поверхности поддерживает
воду в жидком состоянии.

Жизнь на Земле обусловлена наличием воды.

В более общем смысле вода —

идеальная среда для взаимодействия
различных химических элементов.

Это действительно особенная жидкость

и наш второй базовый ингредиент.

А вот третий, я полагаю,

может вызвать удивление.

Мы говорим об органической форме жизни,

и тут никуда без органических соединений.

Самая важная органическая молекула,

объединяющая вокруг себя всю
структуру химических элементов

и лежащая в основе биомолекул, —
это цианид водорода.

Если вы знаете, что это за молекула,

то, вероятно, наслышаны и о том,
что от неё следует держаться подальше.

Но оказывается,

то, что очень-очень плохо влияет
на высокоразвитые формы жизни,

вроде нашей с вами,

может дать очень-очень хороший
толчок для правильных химических реакций,

в результате которых зародится жизнь.

Итак, теперь мы выделили
три важнейших ингредиента:

температурная зона,

вода и цианид водорода.

Как часто можно встретить их сочетание?

Сколько планет с подходящей температурой

имеют на поверхности
воду и цианид водорода?

Было бы идеально, если бы мы могли

направить телескопы на планеты
в оптимальной температурной зоне

и таким образом выяснить,

если ли на их поверхности
вода и цианид водорода.

К сожалению, у нас для этого пока нет
достаточно мощных телескопов.

Мы можем обнаружить молекулы
некоторых веществ в атмосферах планет,

но только достаточно больших

и находящихся близко к своим звёздам,

то есть совсем не таких,

о которых мы говорим сегодня, —

гораздо более маленьких
и удалённых от звёзд.

Нужен другой подход.

Он есть и заключается в том,

что вместо поиска этих молекул

на уже существующих планетах

мы ищем их в том материале,
из которого формируются новые планеты.

Планеты формируются из газопылевых
дисков неподалёку от молодых звёзд.

Материалом для этих дисков служат
компоненты межзвёздного пространства.

Пустое пространство между звёздами —

вглядываясь в небо и задаваясь вопросами
бытия, вы, несомненно, видите его —

на самом деле не такое уж и пустое.

Оно наполнено пылью и газом,

которые могут собираться в облакá,

а затем сжиматься, формируя
диски, звёзды и планеты.

Одно из веществ, которые мы
легко различаем в таких облаках, —

это вода.

У человечества есть склонность
рассматривать воду

как нечто особое, чем обладаем только мы.

Однако молекулы воды присутствуют
в изобилии во всей Вселенной,

в том числе в облаках,

из которых формируются звёзды и планеты.

Кроме того,

молекулы воды довольно прочные,

их не так-то просто разрушить.

Так что вода, присутствующая
в межзвёздном пространстве,

успешно пройдёт все опасные
испытания на пути от о́блака

до диска и планеты.

Итак, с водой всё в порядке,

с этим вторым ингредиентом
проблем не будет:

какое-то количество воды найдётся
на большинстве формирующихся планет.

А что насчёт цианида водорода?

Цианиды и другие органические молекулы

также можно распознать
в этих межзвёздных облаках.

Но в этом случае мы не уверены,
что молекулы выдержат испытание

формированием облака в диск,

так как они более слабые и хрупкие.

Так что, если если бы мы
искали цианид водорода

поблизости с формирующейся планетой,

нам следовало бы искать его

непосредственно в среде
протопланетного диска.

Около десяти лет назад

я запустила программу по поиску
цианида водорода и других молекул

в средах протопланетных дисков.

Вот что мы нашли.

Хорошая новость: яркие точки
на этих изображениях

указывают на излучение цианида водорода

в протопланетном диске
в сотнях световых лет от нас,

причём приборы и телескоп

его зафиксировали,

что позволило нам это увидеть.

Очень хорошая новость:

в среде этих дисков действительно
присутствует цианид водорода.

Это последний,
самый проблемный ингредиент.

Есть и плохая новость: мы не знаем,
где именно в диске он находится.

Давайте взглянем на эти фото,

которые никто не назвал бы прекрасными

даже в тот момент,
когда мы их только получили.

Обратите внимание: точки довольно крупные,

на самом деле они больше самих дисков.

Каждая точка

представляет собой нечто существенно
большее, чем наша Солнечная система.

Это значит,

что мы не знаем, в какой части диска
находится цианид водорода.

И это вызывает сложности,

потому что планеты с умеренными условиями

не всегда имеют доступ к циановодороду,

но его залежи должны быть
сформированы таким образом,

чтобы к ним можно было получить доступ.

Чтобы вам стало понятнее, о чём идёт речь,
рассмотрим аналогичный пример:

выращивание кипарисов в США.

Предположим, что вы

вернулись из поездки в Европу,

где вас впечатлили красивейшие
итальянские кипарисы,

и вам в голову пришла идея:

почему бы не импортировать кипарисы в США?

Приживутся ли она здесь?

Вы советуетесь с экспертами,

и те уверяют,

что, конечно же, в США есть
умеренная климатическая зона,

в которой они могли бы расти.

Если бы у вас была хорошая карта
с высоким разрешением, наподобие этой,

то вы бы увидели, что благоприятная
для кипарисов зона

совпадает с большой площадью
зелёных плодородных земель.

Даже если я ухудшу качество изображения,

постепенно понижая его разрешение,

вы всё равно сможете понять,

что эта зона частично накладывается
на зону плодородных земель.

Но что будет, если разрешение настолько
низкое, что все Соединённые Штаты

можно представить

лишь в виде одной точки?

Поняли бы вы тогда,

возможно ли выращивать
кипарисы в США или нет?

Ответ прост: нет.

Конечно же, часть земель
будет плодородной,

иначе у этой точки не было бы
зеленоватого оттенка,

но у вас нет никакой возможности понять,

где именно располагаются
эти плодородные участки.

Именно эту проблему и представляют

наши одноточечные изображения дисков

с цианидом водорода.

Нам необходимо нечто аналогичное,

вроде той карты с низким разрешением,
которую я вам показала,

и тогда мы сможем понять, совпадают
ли зоны, в которых есть цианид водорода,

с зонами, где будущая планета
получила бы к нему доступ.

Несколько лет назад нам на помощь пришёл

новый потрясающий
прекрасный телескоп ALMA —

Атакамская большая решётка
миллиметрового диапазона —

на севере Чили.

ALMA великолепен
в совершенно разных аспектах,

но я хочу сфокусироваться
на одном особенном:

как вы уже заметили,
я назвала его телескопом,

хотя на фото представлено много тарелок.

Этот телескоп состоит
из 66 независимых тарелок,

работающих сообща.

Но он заменяет телескоп,

размер которого измеряется расстоянием
между двумя самыми удалёнными

друг от друга тарелками,

что в случае с ALMA составляет
несколько километров.

Таким образом, это более
чем километровый телескоп.

Когда у вас есть такой телескоп,

можно детально рассмотреть
мельчайшие вещи

и даже составить карту залегания цианида
водорода в этих протопланетных дисках.

Несколько лет назад
ALMA стал доступен онлайн,

и я сразу прибегла
к его помощи в этой задаче.

Как же выглядит карта залегания
цианида водорода в диске?

Находится ли он в нужных местах?

И ответ: да, находится.

Вот так выглядит карта.

Здесь можно увидеть излучение
цианида водорода в частях диска.

И вот очередная хорошая новость:

он повсюду.

Но помимо этого мы видим
очень яркое излучение,

исходящее по направлению
от звезды к центру диска.

И именно здесь мы бы и хотели его видеть,

ведь приблизительно в этом месте
и формируются планеты.

Так обстоят дела не только с этим диском.

Вот ещё три примера,

демонстрирующие аналогичное явление:

массивное яркое излучение
цианида водорода,

идущее от периферии
к центральной части звезды.

Позвольте пояснить:
такую картину мы видим не всегда.

Некоторые диски выглядят
совершенно не так,

у них дыра вместо излучения,
направленного к центру.

Это противоположно тому,
что мы хотели бы видеть.

Такие примеры не позволяют нам исследовать

места формирования планет на предмет
наличия вокруг них цианида водорода.

Но в большинстве случаев

мы не просто находим цианид водорода,

мы находим его в нужном месте.

Что всё это для нас значит?

В самом начале своего выступления

я говорила, что планет с подходящими
температурными условиями много,

возможно, миллиард или около того,

и при наличии необходимых ингредиентов

на любой из них может зародиться жизнь.

Также я показала вам,

что на них есть нужные ингредиенты,
в наличии которых мы сомневаемся, —

вода, цианид водорода

и другие органические молекулы,

сопутствующие цианидов.

Это значит, что планет, имеющих в наличии
базовые жизненно важные элементы,

скорее всего, в нашей
галактике довольно много.

И если всё, что необходимо
для зарождения жизни —

наличие этих базовых ингредиентов,

то обитаемых планет тоже довольно много.

Но всё, конечно, упирается в это «если».

Я бы сказала, что несколько
следующих десятилетий

и перед астрономией, и перед химией

будет стоять задача выяснить
как часто мы будем переходить

от изучения потенциально обитаемой планеты

к уже обитаемой.

Спасибо!

(Аплодисменты)