«Земля и Вселенная» 2002 №4, с. 9-17

Астрономия Космология и проблемы SETI Н.С. КАРДАШЕВ, академик

Исследования, имеющие отношение к SETI, идут широким фронтом, и, прежде всего, это связано с недавним открытием планет, обращающихся около сотни ближайших звезд. Все обнаруженные планеты оказались очень массивными. Эти планетные системы совсем не похожи или мало похожи на нашу Солнечную систему, потому что большие планеты в них находятся очень близко от своих звезд. Однако это не удивительно, т.к. использовался метод высокоточного измерения переменности скоростей звезд, которая связана с обращением звезды и планеты около общего центра тяжести. Этим методом, в первую очередь, и должны быть найдены большие и близкие к звезде планеты. Планируется создать специальные космические аппараты для того, чтобы обнаружить планеты, похожие на Землю. Будут использованы и другие методы исследования. Один из проектов — "Кеплер", который предполагается запустить в 2006 г. Его оснастят телескопом с диаметром

Статистика обнаруженных планет других звезд. По горизонтальной оси — массы планет в массах Юпитера; по вертикальной — количество обнаруженных планет. Рисунок Марси, Батфера, Фишера, Фогта.

зеркала 0.95 м и чувствительным фотометром. Одновременно в поле зрения аппарата попадет огромное число звезд до 14^m. Особое внимание будет уделено исследованию тех звезд, у которых плоскость планетных орбит совпадает с направлением луча зрения. В этих случаях, возможно, удастся уловить ослабление яркости звезды во время затмения ее планетой. Вероятность проекции орбиты для обитаемой зоны (около одной астрономической единицы) — 0.5%. Предполагается обнаружить в течение года около 50 планет с радиусом порядка радиуса Земли, 185 планет с радиусом 1.3 земного, 640 планет с радиусом, составляющим 2 радиуса Земли и огромное количество планет еще большего радиуса.

Американский космический аппарат" Кеплер". Рисунок NASA.

Более далекие проекты большой программы поиска жизни во Вселенной планируют эксперименты по прямому обнаружению излучения самих планет. Будут сделаны попытки обнаружить жизнь на них по спектрам атмосфер, содержащим линии кислорода.

ВОЗРАСТ ДРУГИХ ПЛАНЕТНЫХ СИСТЕМ

Недавно были проведены наблюдения пульсации звездных атмосфер, обусловленных распространением в них акустических волн. Это совершенно новое направление исследований — звездная сейсмология. Период пульсации позволяет определить возраст звезды. Оказалось, что у звезды β Гидры, похожей на Солнце, период пульсаций существенно больше. Он составляет 17 мин, а у Солнца, как известно, 5 мин. Подобные наблюдения привели к выводу о том, что существуют звездные системы, похожие на нашу Солнечную, но старше ее на миллиарды лет. Какой же будет там цивилизация?

Я еще раз хочу обратить внимание на быстрые темпы развития новых методов в астрономии. Уже в 2004 г. предполагается запустить специальный спутник "MONS" (измеритель колебаний ближайших звезд) с телескопом и спектрографом для проведения исследований звездных пульсаций. Экспериментаторы надеются полностью исключить влияние земной атмосферы. В результате таким методом будет определен возраст многих звезд.



Спектр пульсаций атмосферы звезды β Гидры (метод звездной сейсмологии). График Ф. Карриер.

Необходимо упомянуть еще об одном важном открытии, сделанном американскими учеными в конце прошлого года. Речь идет об исследовании предельно далеких объектов Вселенной. Многоцветные фотометрические наблюдения показали, что по ним можно определить скорость звездообразования в галактиках. Выяснилось, что наибольшее количество звезд образовалось на 4-5 млрд. лет раньше, чем предполагали теоретики. Это означает, что время начала образования солнцеподобных звезд, возможно, увеличивается на миллиарды лет. Следовательно, во Вселенной могут быть очень развитые цивилизации, намного старше нашей.

Новая модель звездообразования в нашей Вселенной. По горизонтали — возраст от начала Большого взрыва; по вертикали — темпы звездообразования. Рисунок К. Ланцетта.

СФЕРЫ ДАЙСОНА

Имеет смысл искать не только другие планетные системы, но и крупные космические конструкции, созданные их цивилизациями. Таковы, например, инфракрасные объекты типа сфер Дайсона.

Напомню, что множество источников инфракрасного излучения удалось наблюдать с помощью спутника "IRAS" (Земля и Вселенная, 1994, №1).

Как среди них найти источники искусственного происхождения? Если спектр принадлежит, например, естественным пылеобразным облакам, то интенсивность излучения должна быть обратно пропорциональна примерно кубу длины волны, а при излучении твердых тел, составляющих инженерные сооружения, — квадрату длины волны. Необходимые измерения могут быть выполнены в самое ближайшее время.

Новые данные предполагается получить в результате запуска летом этого года крупнейшей инфракрасной космической обсерватории "SIRTF". Телескоп NASA (диаметр зеркала 85 см) будет работать в диапазоне длин волн от 3 до 180 мкм. Напомню, что максимум излучения сферы Дайсона с температурой 300 К (27°С) соответствует длине волны 17-20 мкм. Новая обсерватория в 100 раз чувствительнее, чем "IRAS", летавший 15 лет назад. Очень важно, что новый спутник, требующий глубокого охлаждения телескопа и детекторов, должен находиться далеко от Земли, чтобы исключить нагрев ее излучением. Кроме того, аппаратуру спутника защитят специальные экраны солнечного излучения. С запуском этого спутника открываются большие возможности для обнаружения объектов, похожих на сферу Дайсона.

НОВОЕ В КОСМОЛОГИИ

Далее мне хотелось сказать несколько слов о проблемах космологии и о совершенно необычных открытиях самых последних лет.

Вспомним основные составляющие нашей Вселенной.

Земля и мы сами состоим из "тяжелых" элементов — это очень малая часть средней плотности нашей Вселенной. В прошлом году было, наконец, надежно установлено, что нейтрино имеет не нулевую массу (m_v ~ 3 эВ), но общий вклад нейтрино в среднюю плотность Вселенной лишь 0.3%. Вклад звезд и галактик в среднюю плотность — всего 0.5%. Свободный водород, который находится в межзвездной и межгалактической среде, составляет не более 4%. Основная часть средней плотности Вселенной приходится на две совсем другие составляющие.

Инфракрасная космическая обсерватория "SIRTF" (США). Рисунок NASA.

Это, во-первых, некая темная материя (30%), неоднородно распределенная в пространстве. Она, безусловно, гравитирует и связана с галактиками и их скоплениями. Природа этой темной материи загадочна. Предложено много гипотез.

Во-вторых, имеется вакуумная материя, равномерно распределенная по всему пространству. Вот она, скорее всего, и есть главная составляющая нашей Вселенной (около 65%), что следует из многих независимых данных.

Поэтому, говоря о цивилизациях, подобных нашей, и значительно более совершенных, нельзя забывать, что мы еще слишком мало знаем о Вселенной. По сути дела, мы знаем лишь о 5% ее вещества, т.е. имеем совершенно ничтожную долю информации. Ученых это, конечно, радует: их ждут самые необычные результаты исследований.

В настоящее время создан ряд программ по картографированию скрытой массы, неоднородно распределенной во Вселенной. Эти исследования базируются, главным образом, на том, что если есть некое невидимое вещество, то его гравитация воздействует на распространение света (и других электромагнитных волн).

Основные состовляющие нашей Вселенной. Рисунок NASA.

Например, под воздействием гравитации скрытых масс материи могут искажаться изображения далеких галактик и квазаров. Множество таких гравитационных линз уже обнаружено. В настоящее время созданы специальные математические программы, которые обрабатывают изображения источников, искаженных гравитационным линзированием, и позволяют определить количество скрытого вещества в разных направлениях небесной сферы. Разработан проект создания специального телескопа "ДМТ" (телескоп темной материи), с его помощью надеются картографировать все небо и создать карту распределения скрытого вещества. Диаметр зеркала этого телескопа — 8.4 м, поле зрения — 3°. Он будет работать в диапазоне от 0.3 до 1 мкм и регистрировать галактики до 2^7m-28^m. Математическая обработка выполненных наблюдений как раз и позволит создать карту распределения скрытого вещества по всему небу.

НАША И БОЛЬШАЯ ВСЕЛЕННЫЕ

Согласно современным моделям нашей области Вселенной, ее возраст составляет 14 ± 1 млрд. лет; считается, что наша Вселенная возникла из сверхплотного вещества. Физики-теоретики описывают его в виде скалярного поля, которым заполнена Большая Вселенная. Из-за неустойчивости этого скалярного поля возникают в разные моменты времени отдельные "пузырьки", и каждый "пузырек" дает начало мини-вселенной. В частности, один из них и дал начало нашей наблюдаемой области. По современным представлениям, Большая Вселенная, бесконечная в пространстве и во времени, состоит из множества таких "пузырьков" разного размера и возраста.

Воздействие гравитации скрытых масс на распространение света. Рисунок Д. Виттмана, Дж. Тайсона.

Более сложные предположения, возникшие еще в начале XX в. и сейчас активно разрабатываемые, связаны с особенностями топологии пространства.

Предполагается, что "пузырьки" могут быть изначально связаны между собой. Речь идет о "кротовых норах", другое название — мосты Эйнштейна-Розена.

"КРОТОВЫЕ НОРЫ" И "МАШИНА ВРЕМЕНИ"

Первая публикация о сложной топологии пространства на основе общей теории относительности появилась в 1916 г. (Глемм). Сам Эйнштейн вместе с Розеном вернулись к этому вопросу в 1935 г., в связи с бумом по поводу расширения Вселенной. Ими были построены первые модели "кротовых нор", соединяющих отдельные участки однородного пространства.

Рассматриваются две топологические возможности. Прежде всего, представим себе тоннель в виде "ручки", соединяющей одну часть пространства с другой в нашей Вселенной. В эту "ручку" можно нырнуть и вынырнуть, практически мгновенно оказавшись в совершенно другой части пространства. Кроме того, такая ручка соединяет разные моменты времени, т.е. через нее может передаваться и вещество, и информация из одной части пространства в другую, и из одного момента времени в другой. Как может работать такая "машина времени" (Земля и Вселенная, 2001, № 1)? Чтобы не нарушать принцип причинности, легче всего представить себе путешествие в будущее.

А теперь рассмотрим иную возможность. Если есть два пространства, два "пузырька", родившиеся в разное время во всей бесконечной Вселенной, то "кротовые норы" могут соединять эти два "пузырька", т.е. две отдельные, родившиеся в разное время мини-вселенные.

В настоящее время выяснено, что, в принципе, "кротовые норы" могут существовать. Это не запрещено физическими законами, но требуются совершенно необычные формы материи для поддержания стабильной, устойчивой во времени "кротовой норы". Состояние вещества, из которого сделаны горловина и сам тоннель, очень похоже на состояние материи, называемое физическим вакуумом, который обусловливает расширение нашей Вселенной с возрастающей скоростью. Уравнение состояния вакуума таково, что в нем имеется отрицательное давление, которое обеспечило начальное расширение "пузырька" и обеспечивает на современном этапе ускоренный разлет нашей Вселенной, подавляя ее гравитацию, доминировавшую на более ранних этапах развития.

Большая Вселенная: "пузырьки" и соединяющие их туннели. Рисунок ИКИ РАН.

А как найти входы и выходы "кротовых нор"? Что должны представлять собой эти входы и выходы? Открыт ряд закономерностей, согласно им вход и выход "кротовой норы" должны быть очень похожи на черные дыры. Удаленный от них наблюдатель увидит достаточно массивное тело любой массы. Но оно может проявлять себя совершенно необычным образом. Главное отличие от черной дыры — это отсутствие горизонта событий. Рассмотрим такой мысленный пример: наблюдатель с передатчиком направился к черной дыре и падает на нее. Тогда сигналы от путешественника для внешнего наблюдателя будут ослабевать, длина волны передатчика увеличиваться, а при расстояниях, близких к гравитационному радиусу, сигналы исчезнут совсем. Это и есть горизонт событий черной дыры. На конечном расстоянии от центра черной дыры сигнал полностью исчезнет, и для внешнего наблюдателя путешественник сразу пропадет.

При входе в "кротовую нору" и выходе из нее такого процесса не будет. Расчеты показывают: путешественник с передатчиком окажется видимым "все время". Электромагнитные сигналы здесь распространяются без всяких ограничений.

Если вещество, из которого сделаны вход и выход "кротовой норы", похоже на вакуум, то поведение различных тел и излучений около них может быть похоже на поведение объектов под влиянием тела с отрицательной гравитацией. Если между наблюдателем и далекой звездой пройдет горловина "кротовой норы", то отклонение света этой звезды ожидается в противоположную сторону.

Таким образом, предсказывается возможность наблюдать входы и выходы "кротовых нор" в виде совершенно необычных объектов, среди которых могут оказаться и те, что уже исследуются.

Например, если мы ищем "кротовую нору", соединяющую две части нашей Вселенной, сильно разделенные во времени, то сможем у ее выхода наблюдать излучение, которое приходит из ранних стадий ее эволюции. Из тех эпох, когда наша Вселенная была сверхгорячей и когда в ней начали образовываться химические элементы, и даже еще более ранних, когда в ней появились элементарные частицы, из которых состоит весь наблюдаемый нами мир. Это излучение, прошедшее через тоннель, воспринимается нами как необычайно яркий светящийся объект, напоминающий объекты в ядрах галактик. Некоторые объекты, связанные с ядрами галактик, могут оказаться такими совершенно необычными образованиями. Нечто подобное может наблюдаться и в случаях, связанных с разными "пузырьками" Вселенной.

Таким образом, мы приходим к новому и очень сложному представлению о строении Вселенной, открывающему принципиально новую возможность общения с "братьями по разуму".