Водород – ключ к поиску инопланетян?

В конце января группа астробиологов из Вашингтонского университета предложила новый критерий поиска братьев по разуму. Вместо того, чтобы выискивать в космосе оставленные сверхцивилизациями гигантские артефакты, заметные даже несмотря на разделяющие нас световые годы, ученые предложили  использовать в качестве маркеров внеземных цивилизаций самое распространенное вещество во Вселенной – водород.

Как заметить внеземную цивилизацию?

Найти другие обитаемые планеты – непростая задача для земных ученых  уже потому, что не очень ясно, что может послужить заметным для наших телескопов маркером внеземной жизни. Такие маркеры делят на два типа: техно- и биосигнатуры.

Начнём с последних. Биосигнатура — это любое проявление последствий жизнедеятельности, доказывающее существование жизни в прошлом или настоящем. То есть, это любое явление, которое может быть объяснено исключительно результатами активности живых организмов, и исключает абиогенное происхождение. К биосигнатурам относят сложные органические соединения (например, белки), некоторые атмосферные газы (кислород, озон, метан), биогенные минералы и многое другое.

Но с биосигнатурами есть сложность: пока мы недостаточно хорошо понимаем многие планетарные процессы и не можем сделать однозначный вывод, какие биосигнатуры универсальны для жизни во Вселенной, а какие — специфичны именно для Земли. К тому же, порой оказывается, что маркеры, ранее считавшиеся следами жизнедеятельности организмов, получают абиогенное объяснение. Так было, например, с метеоритом ALH 84001. Долгое время исследователи НАСА полагали, что микроскопические структуры, обнаруженные в материале метеорита, являются окаменелыми бактериями, но затем им удалось установить, что «органические» следы — не что иное, как результат геологических процессов.

Поиск техносигнатур видится учёным более перспективной и простой задачей. Техносигнатуры  — это маркеры, позволяющие определить наличие   технологически развитой цивилизации; благодаря техногенному происхождению, при их изучении остаётся меньше места для неверных трактовок.

Список техносигнатур пополняется по мере развития науки. Среди них есть достаточно очевидные. Например, лазерные лучи и радиосигналы, обломки инопланетного космического мусора, изменения состава атмосферы и уровня светимости экзопланет. Есть и такие техносигнатуры, которые для сегодняшней стадии развития нашей цивилизации кажутся научной фантастикой. Например, космический лифт, двигатель Шкадова или масштабные космические поселения. И, конечно, самая известная из таких техносигнатур — «сфера Дайсона», потенциальная мегаструктура из солнечных батарей, размещённых вокруг звезды для сбора излучаемой звездой энергии.

Но в новом исследовании учёные предлагают обратить внимание на техносигнатуру совсем иного рода, искать не гигантское и необычное, а наоборот, присмотреться к самому крошечному и распространенному — атомам водорода.

Причем тут изотопы водорода?

Говоря о водороде, мы чаще всего подразумеваем протий — самый распространённый изотоп этого вещества (изотопы — это разновидности атомов одного химического элемента, отличающиеся только числом нейтронов в ядре). Протий – стабильный, то есть не подвержен радиоактивному распаду с течением времени. Среди общего числа атомов водорода во Вселенной он составляет около 99,98 %. Атом протия состоит из одного протона и одного электрона, а нейтронов не имеет.

Но протий – не единственный стабильный изотоп водорода. Вторым по распространённости изотопом (0,0156 %) является дейтерий. От протия он отличается наличием в ядре одного нейтрона. Эта дополнительная частица делает атом дейтерия вдвое тяжелее атома протия. Ещё более тяжёлый изотоп водорода — тритий. У него в ядре два нейтрона. Но тритий нестабилен, это радиоактивный атом с периодом полураспада 12,3 года. Все остальные известные науке изотопы водорода нестабильны настолько, что период их полураспада составляет многим меньше миллисекунды.

Но какое отношение изотопы водорода имеют к поиску инопланетян?

Всё дело в том, что реакция дейтерий + тритий (или, как её ещё называют, топливо D-T) может применяться при управляемом термоядерном синтезе (УТС). В звёздах термоядерный синтез возникает естественным образом благодаря колоссальной гравитационной силе. На Земле же для осуществления УТС требуется искусственно столкнуть на огромной скорости атомные ядра этих двух изотопов. В результате такого синтеза высвобождается нейтрон и образуется новое, более тяжёлое ядро атома гелия. В процессе выделяется огромное количество энергии, а побочные продукты вроде выбросов CO₂ или радиоактивных отходов отсутствуют.

Таким образом, топливо D-T является очень перспективным: оно экологично, экономично и эффективно. Схожими качествами обладает и реакция дейтерий + дейтерий (топливо D-D).

Теперь вернемся к недавнему исследованию астробиологов из Вашингтонского университета: они полагают, что дейтерий – идеальный источник энергии для человечества в далеком будущем, учитывая огромные запасы дейтерия в морской воде. Вероятно, так будет и для цивилизаций, подобных земной. Если топливо на основе дейтерия будет оставаться основным источником энергии долго живущей и развитой внеземной цивилизации, то его количество в океане начнет уменьшаться, – ведь добывать дейтерий будут из морской воды.

Обнаружить это поможет анализ так называемой изотопной сигнатуры — специфического соотношения различных изотопов искомого элемента в анализируемой среде. Соотношение протия и дейтерия на планете будет изменено, что потенциально может быть замечено при помощи телескопов следующего поколения.

А могут ли возникнуть трудности?

Да, множество. Область поиска цивилизаций, использующих топливо на основе дейтерия, будет ограничена планетами, подобными Земле по составу атмосферы и по наличию больших океанов-резервуаров искомого изотопа. Кроме того, для анализа изотопной сигнатуры учёным необходимо понимать, какое соотношение протия и дейтерия изначально было нормальным для исследуемой планеты.

Ограничены мы и техническими средствами: космический телескоп «Джеймс Уэбб» изучает состав атмосферы экзопланет во время транзитных событий, то есть когда планета проходит перед звездой так, чтобы это было видно с Земли. Для проведения качественного спектрального анализа состава атмосферы требуется несколько транзитов, именно поэтому астрофизики выбирают планеты, вращающиеся вокруг относительно небольших звёзд. В таком случае период обращения изучаемого небесного тела вокруг звезды будет составлять всего несколько недель. Планеты же, подобные Земле, будут иметь существенно длительный период обращения и могут находиться на большем удалении от звезды, что значительно усложнит проведение спектрального анализа.

Тем не менее, авторы статьи настроены оптимистично: они надеются, что их исследование повлияет на научное сообщество и приведёт к тому, что телескопы следующего поколения будут оснащены спектрометрами, которые позволят определять соотношение протия и дейтерия более надёжным и удобным способом.