Первая жизнь в космосе

Когда в космосе появились первые формы жизни? Последние наблюдения телескопа «Уэбб» показывают, что первое поколение звезд сформировалось через сотни миллионов лет после Большого взрыва, как и предсказывалось в двух моих учебниках по этой теме, опубликованных десять лет назад (их можно найти здесь и здесь). Но остается неясным, как быстро эти звезды привели к формированию жизни. Я рассмотрел некоторые из этих вопросов в ряде опубликованных за последнее десятилетие работ, а также в третьем учебнике (доступен здесь).

Ниже приводится ряд вопросов на эту тему, которые я получил сегодня перед утренней пробежкой, а также мои ответы:

Что мы понимаем под пригодностью для жизни, а именно возможность существования там какой-либо формы жизни?

Сначала оговорка: мы часто говорим о «жизни, как мы ее знаем», подразумевая химические реакции в жидкой воде. В принципе, жизнь может существовать в жидких океанах, озерах и реках из метана и этана на поверхности Титана, луны Сатурна, где температура составляет 94 градуса Кельвина, что примерно на треть меньше, чем на Земле.

Если альтернативные формы жизни могут формироваться в других жидкостях, определение пригодных для жизни условий должно измениться. В таком случае к пригодным для жизни планетам или лунам можно отнести альтернативные жидкости, которые могут существовать при других температурах и атмосферном давлении, чем жидкая вода.

Молекулы воды содержат кислород и водород. Молекулы метана и этана содержат углерод и водород. В то время как водород образовался в результате Большого взрыва, кислород и углерод были получены в недрах звезд. Мы знаем о некоторых звездах, бедных металлами, которые на порядки богаче углеродом по отношению к железу по сравнению с солнечным изобилием. Они обозначены как «звезды, обогащенные углеродом и металлом» (Carbon-Enriched Metal-Poor (CEMP)) и, возможно, представляют собой самые ранние звезды второго поколения. Планетарные системы вокруг этих звезд могли содержать планеты с высоким содержанием углерода вместо планет с высоким содержанием железа, таких как Земля.

Наличие кислорода или углерода является необходимым, но не достаточным условием для возникновения жизни. В частности, жидкая вода возможна только при атмосферном давлении или под поверхностным льдом. Чтобы под действием гравитации на планете сохранялась атмосфера, масса планет Солнечной системы должна была превышать массу Земли. Марс потерял свою атмосферу.

То, что ингредиенты, необходимые для создания пригодных для жизни миров, могли присутствовать в самом начале существования Вселенной, еще не означает, что условия существовали… Возможно, было слишком много радиации и недостаточно времени для возникновения жизни?

Известные фабрики по производству каменистых планет, таких как Земля, — это холодные мусорные диски. Они содержат остаточный материал, образовавшийся в процессе формирования звезды в их центре. Температура космического микроволнового фона в момент формирования первых звезд была близка к температуре поверхности Титана — 94 градуса по Кельвину. Это устанавливает температурный минимум для мусорных дисков в те ранние космические времена. Пока неясно, могут ли скалистые планеты формироваться из теплых дисков с обломками так рано в космической истории.

Сколько времени должно пройти, чтобы бомбардировка планет замедлилась, прежде чем условия на планете станут пригодными для жизни?

В мусорных дисках Млечного Пути тяжелые элементы оседают в средней плоскости и образуют частицы пыли, которые коагулируют, образуя планетезимали. В течение нескольких миллионов лет они сливаются и образуют каменистые ядра планет. Во время Большой тяжелой бомбардировки столкновения массивных протопланет с Землей или Марсом расплавили поверхностные породы этих планет. Земле и Марсу потребовались сотни миллионов лет, чтобы остыть настолько, чтобы стать пригодными для жизни.

Последний универсальный общий предок (LUCA) жизни на Земле был недавно датирован примерно 4,2 миллиарда лет назад. Это произошло через 350 миллионов лет после образования Солнечной системы. Задержка, необходимая для охлаждения планет до пригодных для жизни температур, превышает возраст Вселенной, когда образовались первые звезды. Учитывая эту задержку, первые пригодные для жизни планеты должны были появиться на красных смещениях ниже 10, даже если первые звезды появились на гораздо больших красных смещениях.

Можем ли мы подтвердить их существование сегодня?

Мы можем найти в галактике Млечный Путь звезды с солнечной массой, бедные металлами, и поискать вокруг них транзитные пригодные для жизни планеты. Отделение планет от звезды-хозяина и их химический состав позволят нам сделать вывод о том, могли ли планеты быть пригодными для жизни через сотни миллионов лет после Большого взрыва.

Углубляет ли возможное существование пригодных для жизни миров на ранних этапах космической истории загадку парадокса Ферми?

Не совсем. Большинство ранних цивилизаций, сформировавшихся миллиарды лет назад, скорее всего, уже мертвы. Это верно и для Земли: из 117 миллиардов людей, живших на Земле за последние несколько миллионов лет, сегодня в живых осталось только 8 миллиардов. Остальные погибли. Лучшее, что мы можем сделать, — это искать оставленные ими реликвии.

Имейте в виду, что обычные археологические раскопки на Земле ведутся не более пяти тысяч лет назад, что составляет лишь десятую часть процента истории человечества и миллионную часть истории Земли. Энрико Ферми был очень самонадеян. Если бы у меня была возможность присутствовать на обеде в Лос-Аламосе, где он поднял вопрос: «Где все?». я бы ответил: «Большинство из них мертвы. Вам нужно искать то, что они оставили после себя».

Что мы знаем о роли самых ранних звезд в химической эволюции Вселенной?

Первое поколение звезд представляет собой наши космические корни. С нашей точки зрения, они были первой хорошей новостью после Большого взрыва. В течение ста миллионов лет во Вселенной не было атомных строительных блоков жизни, таких как кислород или углерод. Когда в недрах звезд начался ядерный синтез, Вселенная стала намного интереснее.

Я оптимист. Я верю, что лучшее еще впереди в виде искусственного интеллекта и освоения космоса. Возможно, мы действительно опоздали на вечеринку, если другие цивилизации уже занимались этим миллиарды лет назад. Мое нынешнее исследование посвящено тому, чтобы проверить, действительно ли они сделали это до нас. Если да, то мы можем у них поучиться.