АСТРОНОМІЯ - Навчальний посібник для профільної школи 2017

Частина 3. Космософія

Розділ ІІІ. Астрономія як складова культури

Тема 3.2. Людина і Всесвіт

§ 17. Життя у Всесвіті

Вступ

Наш Всесвіт, що виник після Великого Вибуху, пройшов складний еволюційний шлях, аж поки в ньому не виникла найскладніша організація форми матерії — життя. Проблема походження життя на Землі є фундаментальною для сучасного природознавства. Багато є ще нез’ясованого, але основний постулат відомий: життя — явище космічне.

Цілі вивчення § 17

Вивчивши матеріал цього параграфа, Ви будете:

• знати й розуміти особливості Землі — «колиски життя» в Сонячній системі; суть наукових програм з пошуків життя за межами Землі та астросоціологічного парадоксу;

• уміти будувати усну чи письмову розповідь на тему життя у Всесвіті;

• оцінювати імовірність існування життя на планетах Сонячної системи й у Всесвіті загалом з погляду сучасної науки.

Актуалізація раніше набутих знань / компетентностей

Треба повторити матеріал § 29 і § 30 другої частини посібника.

Методичні поради щодо опанування навчального матеріалу

Найперше зверніть увагу на особливості Землі, як планети Сонячної системи, що сприяли розвитку на ній життя. Нині, коли астрономи, відкрили екзопланети біля інших зір, питання пошуку життя у Всесвіті стало ще актуальнішим. Воно є головним для астробіології — науки,

що виникла на перетині астрономії й біології. У рамках цієї науки вважають, що життя може бути дуже поширеним явищем у космосі, раз спонтанно виникає там і тоді, де формуються необхідні для нього умови. Однак такі погляди поки що не підтверджені результатами спостережень, зокрема й виконаними в рамках програми SETI. Загалом проблема відсутності сигналів чи проявів діяльності високорозвинених цивілізацій, сформульована як парадокс Фермі, поки що не знаходить наукового пояснення. Можливо наші пошуки позаземного життя, страждають від надмірного землецентризму чи віри в те, що в основі життя мають лежати вуглець та фотосинтез. Але ж ніхто ще не навів доказів того, що життя у Всесвіт має бути схожим на наше, базуватися на тій же хімії і взагалі бути життям, як ми його розуміємо на Землі. Майте на увазі ці міркування, коли будете опановувати матеріал параграфу.

Пояснювальний текст

Досі наука не може дати чіткої відповіді на питання походження життя на Землі. Водночас не виявлено принципових обмежень, які б забороняли можливість виникнення життя на планетах, що обертаються навколо інших зір. Згідно з сучасними уявленнями, наш Всесвіт придатний для життя принаймні такого виду, як на Землі.

п.1. Особливості Землі — «колиски життя» в Сонячній системі.

У численних лабораторних експериментах вже давно було показано, що для утворення складних органічних молекул, що передують виникненню життя, необхідні наступні умови: наявність у складі небесного тіла всіх хімічних елементів, що входять до складу живого; відповідний температурний режим, що забезпечує перебування води в рідкому стані; відсутність кисню в атмосфері планети, бо за його наявності утворюється озоновий екран, що поглинає ультрафіолет, який, руйнуючи електронні оболонки атомів, дає їм змогу об’єднуватись у складні передбіологічні сполуки. Як тільки ці умови виконано, в силу добре відомих законів фізики й хімії негайно починають утворюватись складні органічні сполуки. Тож напевне початок життя на планеті Земля був цілком закономірним явищем, бо на ній реалізувалися всі необхідні початкові умови.

А от далі перехід від переджиття до життя, а також його існування стали можливими за підтримки стабільними впродовж мільярдів років певних параметрів зовнішнього середовища (маємо на увазі стабільність клімату). І ця умова також реалізувалася на Землі.

Є три особливості, що роблять Землю унікальною серед інших планет в Сонячній системі: віддаль від Сонця, розміри і (що можливо менш істотно) відносно велика маса природного супутника Місяця. Ці особливості виявились дуже важливими для існування й розвитку життя.

І справді, орбіта Землі пролягає майже посередині зони життя — просторової зони планетної системи, де середня температура на поверхні така, що дозволяє воді, головній складовій у тілах живих істот, перебувати в рідкому стані, а не суцільно у вигляді льоду чи водяної пари. У нашій планетній системі пояс життя — це ділянка простору в межах 0,95—1,37 а. о. від Сонця.

Якби орбіта Землі пролягала лише на 6% ближче до Сонця, на ній не змогли б утворитися моря й океани. Як наслідок — вода не зв’язала б вуглекислий газ, яким була насичена первісна атмосфера планети, і цього парникового газу було б так багато, що врешті- решт Земля стала б схожою на нинішню Венеру з занадто високою для існування життя температурою.

Якби орбіта Землі пролягала хоча б на 38% далі від Сонця, то зменшення кількості тепла від Сонця спричинило б охолодження океанів і збільшення площі полярних шапок. А це, зрештою, перетворило б її на неконтрольований холодильник з занадто низькою для існування життя температурою.

Щодо розмірів нашої планети: маючи розміри більші в кілька разів, Земля мала б більшу силу тяжіння. Тоді її атмосфера нагадувала б атмосфери планет-гігантів і для життя нашого типу була б непридатною. За розмірів і маси, як у Меркурія, Земля взагалі не змогла б утримати атмосферу.

Отже віддаль від Сонця і маса — це два вирішальних фактори під оглядом умов для існування життя ( у всякому разі, схожого на земне).

Присутність відносно масивного Місяця на орбіті Землі також відіграло свою роль у розвитку життя до високоорганізованих форм. По-перше, високі припливи й відпливи на морському узбережжі, спричинені Місяцем, могли сприяти утворенню мікросередовищ, придатних для існування життя і виходу його на суходіл. По-друге, Місяць стабілізує орієнтацію осі обертання Землі, зберігаючи майже сталим кут її нахилу до площини орбіти, що надзвичайно важливо для підтримання стабільних кліматичних умов. Зараз цей кут становить 23,5°, але з періодом в 41 тис. років він коливається в межах 24,5° — 22,1°.

До цього треба додати важливість наявності планет-гігантів, а надто Юпітера, в Сонячній системі. Їхня присутність стабілізує орбіту Землі, без чого її могло викинути за межі планетної сім’ї або вона упала б на Сонце. Зараз ексцентриситет орбіти Землі дорівнює 0.0167, але з періодом 93 тис. років він змінюється в межах від 0,0034 до 0,058. Це звісно впливає на клімат, але не на стільки, щоб зробити умови на планеті непридатними для життя.

До того ж Юпітер, як наймасивніша планета в Сонячній системі, відтягає на себе основну масу метеоритів і комет, запобігаючи надто частим космічним катастрофам, що могли б повністю зруйнувати поверхню планети й життя на ній.

Після формування в Сонячній системі планет (приблизно 4,6 млрд років тому) їх протягом кількох сотень мільйонів років інтенсивно бомбардували космічні тіла менших розмірів. Згідно з сучасними уявленнями, життя на Землі виникло або під час цього бомбардування, або майже відразу після закінчення (приблизно 3,9 млрд років тому). Головними доставниками на Землю вуглецю, інших елементів, а також органічних молекул, ймовірно, були комети, метеорити і міжпланетний пил. Наприклад, у речовині комети Галлея виявлено мікроскопічні гранули, які містять вуглець, водень, кисень і азот. А в метеоритах 1969 р., що впав в Австралії, та 2000 р., що впав у Канаді, присутні й амінокислоти, і нуклеїнові основи, які живі істоти використовують для побудови білків.

То можливо прості форми життя могли потрапити на Землю з космосу, наприклад, в речовині комет чи астероїдів? Цю ідею в 1870-х роках було оформлено у вигляді гіпотези панспермії, але вона досі лишається гіпотезою проти якої є суттєві аргументи. Один з найсуттєвіших — радіація, що знищує все живе у відкритому космосі. Але, навіть якщо гіпотеза панспермії справедлива, то це не знімає питання походження життя як такого. Десь у Всесвіті воно мало виникнути з неживої матерії.

Але хай там як, на Землі це трапилося, і нині нам відомо про понад 10 мільйонів різних видів тварин і дуже багато мікроорганізмів, які мешкають на планеті. Однак тільки людина в своєму розвитку досягла рівня інтелекту. Тобто шанс появи розуму є меншим за один з десяти мільйонів. Це може свідчити про те, що поява розумних істот на придатних для життя планетах доволі рідкісне явище.

Життя суттєво змінило Землю, а надто її поверхню, насичило атмосферу та води Світового океану великою кількістю кисню. Тому під час пошуку життя на космічних тілах, науковці найперше звертають увагу на аномально високий вміст кисню та інших сполук, пов’язаних з життєдіяльністю на Землі.

п.2. Пошуки життя за межами Землі. Знайти просте життя в межах Сонячної системи досі не вдалося, але шанси ще є. Якщо не на Марсі, то можливо в океані Європи — супутника Юпітера, чи на поверхні Титана — супутника Сатурна. Нині для дослідження цих тіл Сонячної системи з метою пошуку на них ознак життя готують спеціальні космічні місії.

У питанні життя за межами Землі є дві суттєві складові: перша — це пошук ознак життя як такого, а друга — реєстрація сигналів від позаземних цивілізацій або відправлення в космос повідомлень від землян у надії, що хтось їх зареєструє, розшифрує, а потім надішле відповідь. Ці стратегії науковці та ентузіасти пошуку позаземного життя реалізують у рамках наукових програм SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence, пошук позаземного розуму) і METI (Messaging to Extra-Terrestrial Intelligence, послання позаземним цивілізаціям).

Програма SETI вирішує суто наукове завдання реєстрації сигналу, його декодування й виділення з нього осмисленої інформації. Тобто науковий пошук відбувається так само, як і в разі пошуку нових природних явищ. Одна лише відмінність— результатом пошуку має стати не якесь закономірне явище природи, а осмислене повідомлення, надіслане розумними істотами.

Завдання програми METI суттєво інше — скласти послання, яке хай яка розвинена розумна істота не ототожнить з природним явищем, а сприйме його як послання від іншої розумної істоти.

Перші сигнали від «космічних братів», що мешкають біля зір Тау Кита і Епсилон Еридана, намагався зареєструвати ще 1960 р. з допомогою радіотелескопа американський астроном Френк Дрейк у рамках виконання проекту «Озма». Протягом чотирьох місяців Дрейк прослуховував на частоті близько 1,420 ГГц радіосигнали, але окрім шуму нічого іншого не почув. Частота прийому сигналу була обрана не випадково — на ній випромінює атомарний водень (λ = 21,1 см) — найпоширеніший елемент у Всесвіті.

Загалом інтерес до контакту між земною й позаземними цивілізаціями виник наприкінці 50-х років минулого століття. Тоді з’явилося кілька наукових публікацій, де їхні автори розглядали різні методи (радіосигнали, лазери тощо) такого зв’язку. 1961 р. в Національній радіоастрономічній обсерваторії США відбулася перша конференція з питань контактів з позаземними цивілізаціями. На ній Ф. Дрейк запропонував рівняння (тепер його називають формулою Дрейка) оцінки кількості цивілізацій в нашій галактиці, з якими ми потенційно можемо сконтактактувати.

де: N — кількість позаземних цивілізацій нашої галактики, готових вступити в контакт; R — кількість зір, які щорічно виникають в Галактиці; fp — частка зір, що мають планети; ne— середня кількість планет у зір, які мають відповідні для життя умови; f — імовірність зародження життя на планеті з відповідними умовами; fi — імовірність появи розумного життя на планеті; fc — відношення планет, розумні мешканці яких здатні до контакту і шукають його, до кількості планет, на яких існує розумне життя; L — час існування високорозвиненої готової до контакту цивілізації.

Згідно з оцінками самого Дрейка, який взяв довільні параметри для своєї формули, N = 10. Хоча нині окремі параметри, що входять до формули Дрейка, мають менше чи більше прогнозовані значення (наприклад R — не більше п’яти, тоді як Дрейк припускав, що R = 10), здебільшого є невизначеними. Тому оцінка кількості потенційних цивілізацій в Галактиці досі лишається складним завданням. Хоча після відкриття екзопланет, яких на 2017 рік відомо вже понад 3600, погляди прихильників існування життя у Всесвіті зміцнилися.

Ідею космічного зв’язку з позаземними цивілізаціями в 70-х роках ХХ ст. підтримало NASA (National Aeronautics and Space Administration, Національне управління з аеронавтики і дослідження космічного простору). Якраз тоді (1976) з’явилася назва SETI, що замінила попередню — CETI (Communications with Extraterrestrial Intelligence — зв’язок з позаземними цивілізаціями). На той час стало зрозумілим, що зареєструвати сигнали від мешканців інших планет так легко і просто землянам з якихось причин не вдається, тому треба зосередити зусилля на їх пошуку. Зважаючи на «туманні» перспективи такого пошуку, NASA припинила фінансувати дослідження в цій галузі. Але науковці-ентузіасти продовжували пошуки сигналів за рахунок благодійних коштів, а 1984 р. заснували в США приватній Інститут SETI (SETI Institute). 2007 р. цей Інститут разом з Каліфорнійським університетом заснував обсерваторію для пошуку сигналів від позаземних цивілізацій. Її оснащено радіотелескопом Аллена (Пол Аллен, один із засновників Microsoft, пожертвував 30 млн долларів на його створення), який реєструє сигнали в діапазоні 0,5—11 ГГц від майже тисячі зір, що лежать у радіусі понад 60 пк (200 св. р.) від Сонця.

Рис. 17.1. Радіотелескоп Аллена (The Allen Telescope Array) складений з кількох десятків окремих антен із дзеркалами 6 м в діаметрі.

З 1999 р. пошук сигналів з космосу може виконувати кожен власник персонального комп’ютера. Для цього треба приєднатися до проекту SETI@home, започаткованого астрономами Каліфорнійського університету. Він став одним із перших проектів, які згодом стали позначати терміном громадська наука. Суть його полягає в тому, що для опрацювання великої кількості даних, отриманих, наприклад, з астрономічних спостережень, у професійних астрономів не вистачає ресурсів (головно часу і людей). Тому стало вже звичним залучати добровольців до обробки результатів спостережень за принципом розподілених обчислень (коли один комп’ютер виконує обробку якоїсь окремої частини з великого масиву даних).

Перше радіопослання землян до позаземних цивілізацій було відправлене 1974 р. з допомогою 300-метрової антени радіотелескопа в Аресибо. Сигнал спрямували в бік кулястого скупчення М13, що лежить на відстані 7670 пк (25 тис. св. р.) від Землі. Закодований сигнал містить базові відомості про людину, Землю та Сонячну систему.

Рис. 17.2. Зміст першого послання землян до позаземних цивілізацій.

У Космос, але вже до зір, що лежать на відстані понад 10 пк (кількох десятків св. р.), спрямовували сигнали (вони містили малюнки, світлини, фрагменти музичних творів тощо) ще кілька разів. Для цієї мети використовували 70-метровий радіотелескоп, розміщений поблизу м. Феодосія в Криму.

Але всі намагання знайти сигнал від позаземних цивілізацій досі не досягли успіху. Це наводить на роздуми як щодо існування життя за межами Землі, так і щодо методів та засобів пошуку сигналів. Одні науковці вважають, що в питанні міжзоряного зв’язку треба мінімізувати властивий людині антропоцентризм і спиратися на максимально простий математичний апарат. Інші, зокрема С. Гокінг, застерігають землян — не варто сигналити в Космос, адже невідомо, хто на це одізветься. Але проти таких поглядів є вагомий аргумент: з початком радіо- і телетрансляцій Земля випромінює радіосигнали в космос, які легко може зареєструвати розвинена цивілізація, що перебуває на відстані до 30 пк (100 св. р.) від нашої планети.

Ще одна група науковців, з огляду на уявлення про поширеність життя у Всесвіті, вказує на парадокс Фермі, суть якого зводиться до запитання: «Якщо навіть у нашій галактиці дуже багато розвинених цивілізацій, то чому ми з Землі не спостерігаємо видимих слідів їхньої діяльності, адже за мільярди років існування вони мали б розселитися по всій Галактиці». Часто парадокс Фермі розглядають як крайню форму прояву астросоціологічного парадоксу (АС- парадокс). У загальній формі АС-парадокс означає відсутність будь-яких спостережуваних проявів діяльності високорозвинених цивілізацій в космічному просторі. АС-парадокс в такому розумінні називають інколи також парадоксом мовчання Всесвіту (або Великим мовчанням).

Отже Космос мовчить, наші сучасні засоби астрономічних спостережень не реєструють у Всесвіті проявів інженерної діяльності високорозвинених цивілізацій, докази відвідин іншопланетянами Землі нині (§ 13, п. 1, ч. 3) чи в минулому відсутні. Знайти пояснення цьому факту не вдається. Гіпотез існує багато, але жодна з них досі не стала теорією.

Усе це є надто дивним з огляду на відкриття в Галактиці екзопланет земного типу, що перебувають в зонах життя своїх материнських зір, виявлення складних органічних молекул і сполук у газопилових хмарах та живих організмів на Землі там, де, як вважали, у принципі вони жити не можуть: в дуже кислому середовищі, в окропі сірчаних джерел, у товщі антарктичного льоду тощо. Зазначені факти вказують на те, що тільки в нашій галактиці мають існувати мільярди потенційно населених планет. Щоправда, життя на Землі еволюціонувало від простих форм до розумних істот кілька мільярдів років. Можливо, цей термін є закономірним для життя загалом, і тому більшість планет в Галактиці, де можливе життя бодай земного типу, населені простими формами?

Ми досі не знаємо, як виникло життя на Землі й чи існує воно у Всесвіті, а надто його розумні види. Але це не означає, що пошук позаземного життя треба припинити. Адже такі інтелектуальні потуги приносять користь і для вирішення наших суто земних проблем, вказуючи на потребу збереження життя на планеті.

Еталонне завдання

Поясніть суть гіпотези панспермії. Наведіть докази за і проти неї.

Відповідь: Суть гіпотези панспермії полягає в тому, що прості форми життя могли потрапити на Землю з космосу, наприклад, в речовині комет чи астероїдів. Докази на підтвердження гіпотези: у космічному просторі виявлено складні органічні молекули, які могли стати основою життя на Землі. Докази проти: тривале перебування простих форм життя, чи навіть молекул — попередників життя, у відкритому космосі малоймовірне через дію радіації.

Навчальне завдання

• Визначити час повної колонізації Галактики однією надрозвиненою цивілізацією за таких умов: а) з прабатьківської планети стартують три кораблі з переселенцями в різних напрямках; б) швидкість руху корабля становить 0,03 с (с — швидкість світла); в) відстань між зорями — 1 парсек; г) час колонізації кожної наступної планети становить 300 років, а потім з неї стартує три нових космічних кораблі з переселенцями.

Відповідь: При таких припущеннях переселенці будуть поширюватися по Галактиці зі швидкістю 1 парсек в 400 років (100 років витрачається на переліт до нової планети і 300 років на її колонізацію). Розмір нашої Галактики становлять 50 кілопарсек. Щоб її заселити, треба повторити операцію 5· 104 разів. Звідси 400 · 5· 104 = 20 · 106. Тобто через 20 млн р. одна цивілізація заповнить усю Галактику.

Зверніть увагу, що ця цифра отримана з суттєвим запасом, бо між великою кількістю зір в Г алактиці відстань менша за 1 пк. Крім того, не всі зорі мають планети, придатні для життя, а тому на їх заселення не буде витрачено час.

Висновки

Наш Всесвіт пройшов складний еволюційний шлях, аж поки в ньому не виникла найскладніша організацією форма матерії — життя. Проблема походження життя на Землі є фундаментальною для сучасного природознавства. Хоча лишається ще багато нез’ясованого, але основний постулат відомий: життя — явище космічне.

Запитання для самоперевірки

1. Чим зумовлені відносно стабільні кліматичні умови протягом тривалого періоду існування Землі?

2. Поясніть суть терміну зона життя.

3. Який уплив чинить на клімат планети Місяць?

4. Поясніть різницю між програмами SETI і METI.

5. У чому полягає парадокс Фермі.

Додаткові та цитовані джерела інформації до § 17

• Брюс Джакоскі. Пошуки життя в нашій Сонячній системі.

(http://www.astrosvit.in.ua/statti/zhyttia-u-vsesviti/poshuky-zhyttia-v-nashii-soniachnii-systemi)

• Дрейк Ф.Д. Проект «Озма». (http://www.astroosvita.kiev.ua/infoteka/artides/proekt-Ozma.php)

• Крячко І.П. Як астрономи життя у Всесвіті шукають.

(http://www.astroosvita.kiev.ua/infoteka/artides/Yak-astronomy-zhyttia-u-vsesviti-shukayut-1.php)

Додатки

Додаток 1

Космічні послання землян до мешканців інших планет

Дві однакові пластини з анодованого золотом дуже стійкого алюмінію (без ушкоджень можть існувати мільйони років), з нанесеним на них посланням до мешканців інших планет, були розміщені на облавках автоматичних міжпланетних станцій (АМС) «Піонер-10» і «Піонер-11».

Їх NASA 1972 р. і 1973 р. спрямувало до Юпітера з метою вивчення цієї планети. Після прольоту повз Юпітер «Піонери» продовжили маршрут за межі Сонячної системи. Один з них («Піонер-10») рухається в напрямку зорі Альдебаран (а Тельця) і майже через 2 мільйони років може досягти її околиць. Тобто теоретично космічні зонди можуть бути перехоплені представниками позаземних цивілізацій, тому їх і оснастили цим посланням.

Автор ідеї послання, британський журналіст і аматор астрономії Ерік Берджесс зацікавив нею відомого американського астронома Карла Сагана, який був учасником програми «Піонерів». Керівництво NASA погодилася з ідеєю послання і дало Сагану три тижні на його розробку. К. Саган разом з Френком Дрейком розробив дизайн пластини-послання.

Оскільки часу на підготовку змістової частини послання було мало, воно дуже лаконічне, а його головна ідея — дати можливим адресатам уявлення про походження космічного апарату «Піонер» і його творців.

Рис. 17.3. Послання землян до мешканців інших планет, розміщені на облавку космічних апаратів «Піонер-10» і «Піонер-11».

Зміст зображеного на пластинах такий: показано місце старту АМС «Піонер» (третя планета в Сонячній системі), його траєкторія польоту повз Юпітер і далі в міжзоряний простір; вказано положення Сонячної системи в Галактиці відносно відомих зір-«маяків» (пульсарів); показано зовнішній вигляд людини (фігури чоловіка і жінки на тлі силуету «Піонера»). Окрім цього наведено універсальний для Всесвіту стандарт довжини і часу (довжина хвилі, яку випромінює атом водню під час зміни енергетичного стану, і частота цього випромінювання).

Щоб максимально захистити зображення на пластиці від впливу частинок космічного пилу, її помістили між розпорками радіоантени зонду. У це місце, незалежно від положення апарата у просторі й можливих траєкторій його руху, не мають прямо попадати частинки пилу.

знати й розуміти

особливості Землі — «колиски життя» в Сонячній системі; суть наукових програм з пошуків життя поза межами Землі та астросоціологічного парадоксу.

уміти

будувати усну чи письмову розповідь на тему життя у Всесвіті.

оцінювати

імовірність існування життя на планетах Сонячної системи й у Всесвіті загалом з погляду сучасної науки.





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити