Вид всего неба на нашу Галактику Млечный Путь и соседние галактики с Gaia, основанный на измерениях почти 1,7 миллиарда звезд. Карта показывает общую яркость и цвет звезд, наблюдаемых спутником ESA в каждой части неба с июля 2014 года по май 2016 года. Более яркие области указывают на более плотную концентрацию особенно ярких звезд, в то время как более темные области соответствуют участкам неба, где наблюдается меньше ярких звезд. Цветовое представление получается путем объединения общего количества света с количеством синего и красного света, зарегистрированного Gaia в каждом участке неба. Яркая горизонтальная структура, которая доминирует на изображении, — это галактическая плоскость, сплющенный диск, на котором находится большинство звезд в нашей родной галактике. В середине изображения галактический центр выглядит ярким и кишащим звездами. Дополнительная информация по адресу: http://sci.esa.int/gaia/60169-gaia-s-sky-in-colour/
Есть ли разумная жизнь во Вселенной? И если да, то насколько это распространено? Или, может быть, вопрос должен звучать так: каковы шансы, что те, кто занимается поиском внеземного разума (SETI), когда-нибудь с ним столкнутся?
Десятилетиями ученые горячо спорили по этому вопросу, и на эту тему было пролито немало чернил. Из множества статей и исследований, написанных по этой теме, выделились два основных лагеря: те, кто считает, что жизнь распространена в нашей галактике (также известные как оптимисты SETI), и те, кто утверждает, что внеземной разум либо редок, либо не существует (пессимисты SETI).
В недавней статье Дэвид Киппинг (профессор «Cool Worlds») и Герайнт Льюис более подробно рассмотрели этот спор и предложили новый взгляд, основанный на форме вероятностного анализа, известной как эксперимент Джейна.
Применив этот метод к астробиологии и уравнению Дрейка, они пришли к выводу, что существование разумной жизни в нашей галактике может быть предложением «все или ничего». Цитируя покойного и великого ученого и автора научной фантастики Артура Кларка: «Существуют две возможности: либо мы одни во вселенной, либо нет. Обе одинаково ужасны».
Киппинг — доцент кафедры астрономии Колумбийского университета и стипендиат Карла Сагана в Гарвардской обсерватории. Он также является главным исследователем Лаборатории холодных миров в Колумбийском университете, которая занимается изучением и характеристикой экзопланетных систем. Герайнт Льюис — профессор астрофизики Сиднейского института астрономии, части Физической школы Сиднейского университета.
Их статья «Есть ли у оптимистов SETI проблема с тонкой настройкой?» недавно была размещена на сервере препринтов arXiv и находится на рассмотрении для публикации в Международном журнале астробиологии.
Уравнение Дрейка
В 1961 году знаменитый астроном Фрэнк Дрейк провел первую в истории встречу SETI в обсерватории Гринбэнк в Западной Вирджинии. Готовясь к мероприятию, он создал уравнение, обобщающее проблемы, с которыми столкнулись исследователи SETI. Оно стало известно как уравнение Дрейка и математически выражается следующим образом:
N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L
Где:
- N — количество активных в настоящее время коммуникабельных цивилизаций в нашей галактике.
- R* — скорость образования звезд в нашей галактике.
- fp — доля звезд с планетами.
- ne — количество планет, которые потенциально могут быть пристанищем жизни, на одну звезду с планетами.
- fl — доля вышеперечисленных, которые действительно развивают жизнь любого вида.
- fi — доля вышеперечисленных, которые развивают разумную жизнь.
- fc — это часть вышеперечисленного, которая развивает способность к межзвездной коммуникации.
- L — это продолжительность времени, в течение которого такие коммуникативные цивилизации активны.
Уравнение Дрейка предназначалось не для оценки количества внеземных цивилизаций (внеземных цивилизаций) в нашей галактике, а для стимулирования диалога о SETI. С тех пор, как Дрейк впервые сформулировал его, уравнение подвергалось критике, дополнениям и пересмотрам и часто при этом искажалось. Как объяснил профессор Киппинг журналу Universe Today по электронной почте, отчасти проблема заключается в том, что значения часто произвольно применяются к параметрам:
«Поскольку мы не знаем большинство параметров, это всего лишь чистые предположения. , и его следует пометить как таковой. Еще один момент, который часто упускают из виду, заключается в том, что он представляет собой среднее число цивилизаций и, следовательно, математическое ожидание некоторого основного распределения.
«В наши дни стало чем-то вроде спорта критиковать уравнение Дрейка. Конечно, любой, кто использует его в качестве калькулятора, должен быть справедливо раскритикован, но основная идея не ошибочна. Должно быть некоторое количество цивилизаций, и мы могли бы, в принципе, собрать соответствующие параметры для его расчета. Проблемы возникают в точной формулировке, в том, какие параметры включать, что они на самом деле означают и как справляться с нюансами, такими как изменчивость времени».
Эксперимент Джейна
Эдвин Джейнс (1922–1998) был почетным профессором физики имени Уэймана Кроу в Университете Вашингтона в Сент-Луисе. В 1968 году он придумал эксперимент, в котором человеку в лаборатории предоставляется банка, содержащая неизвестное и немаркированное соединение (химическое вещество X).
Вдоль лабораторного стола стоит большое количество стаканов, наполненных водой, и эксперимент заключается в том, чтобы проверить, как часто в них будет растворяться химическое вещество X. Джейнс утверждал, что следует ожидать, что соединение либо растворится почти в каждом случае, либо почти никогда.
Функция априорного распределения Холдейна (F –1(1 – F ) –1), которая отражает это поведение. Автор: Д. Киппинг и Г. Льюис (2024)
При отображении на графике распределение вероятностей будет иметь форму чаши со значениями, достигающими 0 и 1. Как Киппинг объяснил более подробно:
«Джейнс представил себе серию того, что мы называем экспериментами Бернулли, то есть экспериментов, которые возвращают ответы «да/нет». Это может быть что угодно, но в качестве примера он представил растворение неизвестного химиката в ряде стаканов с водой, а затем спросил — какая часть из них растворится?
«Другой ученый, легендарный Джон Холдейн, уже предположил, что ответ ~50% априори маловероятен. Следует ожидать, что либо почти все они растворятся, либо почти ни один.
«Джейнс строго доказал это и стал пионером многих инструментов объективного байесовского вывода. Мы можем в равной степени заменить рассматриваемый эксперимент Бернулли другими вопросами, например, какая часть звезд станет черной дырой?
«До получения каких-либо наблюдений ответ ~50% был бы неожиданным, подразумевая, что распределение звездных масс точно сбалансировано, так что половина находится выше порога критической массы, а половина — ниже. В действительности ответ — один из тысячи, что соответствует позиции Джейна».
Благодаря своему огромному вкладу в область статистики, Джейнс считается одним из основателей «объективного байесианства». Хотя его эксперимент не был задуман как таковой, Киппинг и Льюис увидели его потенциальное применение в астробиологии.
Все или ничего?
В своей основополагающей статье 1983 года «Великое молчание — спор о внеземной разумной жизни» Дэвид Брин обратился к продолжающимся дебатам относительно существования внеземной жизни. Из этого он выделил наличие двух лагерей, когда дело дошло до дебатов: «оптимисты контакта» и «пессимисты контакта» — или, как их называют Киппинг и Льюис в своей статье, «оптимисты SETI» и «пессимисты SETI» — те, кто верят, что в нашей галактике есть цивилизации, с которыми человечество может установить контакт, и те, кто считает, что это бесполезно, поскольку человечество одиноко во вселенной.
Когда эксперимент Джейнса применяется к вопросу о разумной жизни в нашей галактике, мы должны ожидать, что она будет либо очень распространенной, либо очень редкой. В середине, где распределение вероятностей самое слабое (т. е. внеземная жизнь встречается относительно редко), возникает «проблема тонкой настройки». В контексте космологии и астробиологии тонкая настройка относится к предположению, что условия для жизни могут возникнуть только тогда, когда определенные универсальные константы лежат в очень узком диапазоне значений.
Если бы любая из этих фундаментальных констант была немного иной, вселенная не способствовала бы развитию материи, крупномасштабных структур или жизни, какой мы ее знаем. Как объяснил Киппинг, это представляет проблему для оптимистов SETI:
«В отличие от примера с черной дырой, который я вам привел ранее, у этой проблемы нет нижних границ. В случае с черными дырами мы знаем наименьшую и наибольшую допустимую массу звезды из астрофизики, и это всего несколько порядков величины. Порог черной дыры должен быть где-то в этом довольно узком диапазоне. Когда дело доходит до инопланетян, вероятность разума может составлять 1% или 0,000….00001% (добавьте столько нулей, сколько хотите).
«С таким широким диапазоном возможностей оптимисты SETI вынуждены верить в довольно надуманное представление о том, что значение % не настолько велико, чтобы мы пока никого не увидели, но, безусловно, намного выше, чем глубокая пропасть низких вероятностей, которые правдоподобны. Таким образом, у них по сути проблема тонкой настройки, требующая, чтобы процент жил в довольно узком коридоре».
Если бы наша галактика была заполнена внеземными цивилизациями, мы бы наверняка заметили неоспоримые признаки — то есть радиосигналы, мегаструктуры, полосы Кларка и другие «техносигнатуры». Если это начинает звучать знакомо, то это потому, что этот аргумент является самой сутью парадокса Ферми (о котором мы написали целую серию!) Таким образом, можно истолковать аргумент Кипинга и Льюиса как пример пессимизма SETI. К счастью, на этом история не заканчивается.
Новый формализм
Столкнувшись с этим результатом, Киппинг и Льюис попытались разработать новый формализм для уравнения Дрейка, который учитывает только два процесса: уровень рождаемости и уровень смертности цивилизаций. Когда это сделано, все параметры в уравнении (за исключением L, продолжительности жизни цивилизаций) сводятся к одному параметру: уровню рождаемости и смертности цивилизаций (rc). Или, как это выглядит математически: NC = rc x LC. Киппинг сказал:
«В стандартном уравнении Дрейка мы часто увязаем в спорах о том, какие параметры следует включить (например, следует ли использовать дробь для вероятности развития жизни в многоклеточную). Но совершенно неоспоримо, что у каждой цивилизации должно быть начало и конец, на самом деле мы даже можем установить уровень смертности на уровне нуля, что соответствует бесконечной продолжительности жизни, если мы того пожелаем в этой структуре.
«В экологической системе, например, в чашке Петри, существует четко определенная максимально возможная численность населения, которую мы называем пропускной способностью. Поэтому мы обновили версию уравнения Дрейка для рождения-смерти, чтобы учесть этот нюанс».
Пересмотренный формализм Киппинга и Льюиса для уравнения Дрейка, основанный на теоретических показателях рождаемости и смертности цивилизаций. Автор: Д. Киппинг и Г. Льюис (2024)
В этом случае распределение вероятностей стало S-образным (см. изображение выше), но конечный результат остался прежним: галактика либо переполнена, либо пуста. Одним из способов обойти это является идея о том, что человечество могло бы существовать в период, когда внеземные цивилизации появились и начали расширяться по всей галактике, и, таким образом, еще не были замечены нашими приборами. Однако, как показали Киппинг и Льюис, это также страдает от проблемы тонкой настройки, поскольку биология показывает, что рост населения является ускоряющимся явлением.
«Видите ли, фазы расширения галактики должны быть относительно быстрыми в космических масштабах времени; на самом деле, как мгновение ока», — сказал Киппинг. «Так что маловероятно, что вы будете жить во время такой фазы; скорее всего, вы будете жить, когда галактика будет по сути пустой до того, как это произойдет, или после того, как это произойдет (что, по сути, невозможно, поскольку ваша планета колонизирована). И снова парадокс Ферми поднимает голову, где самая большая вероятность заключается в том, что человечество либо одиноко, либо рано пришло на вечеринку, либо является одной из немногих цивилизаций, существующих в настоящее время в Млечном Пути.
Надежда на SETI?
Но прежде чем вы подумаете, что все это плохие новости, Киппинг и Льюис подчеркивают, что SETI — важный и жизненно важный эксперимент, который заслуживает специальных ресурсов. «Хотя шансы на успех кажутся небольшими, такой успех, возможно, станет самым влиятельным научным открытием в истории человечества», — заключают они. Они также предлагают несколько причин сохранять надежду, в том числе гипотезу «Grabby Aliens» Хансона, которая утверждает, что человечество находится в средней точке S-образной кривой и что мы столкнемся с ETI через несколько сотен миллионов лет.
В то же время Киппинг также предполагает, что SETI может выиграть от забрасывания более широкой сети. Если, как предполагает их исследование, развитые цивилизации очень редки (или отсутствуют) в нашей галактике, то нам следует обратиться к внегалактическим источникам.
«Я думаю, мой любимый выход заключается в том, что наша галактика просто необычно тихая, большинство из них заняты и заполнены, но мы первые в Млечном Пути», — добавил он. «Это кажется невероятным, но, возможно, рождение в загруженной галактике невозможно, поскольку пригодное для жизни пространство уже поглощено. Это говорит о том, что нам следует уделять больше внимания внегалактическому SETI как нашему лучшему шансу».
Дополнительная информация: Дэвид Киппинг и др., У оптимистов SETI есть проблема с тонкой настройкой?, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2407.07097
Информация о журнале: Международный журнал астробиологии, arXiv
Предоставлено Universe Today
