Листая подшивку старых журналов "Природа" нашел замечательную статью 38-и летней давности. Интересно было бы ее переосмыслить на основании новых данных. Как идея?
Заурядно ли наше место во Вселенной?И. Д. Караченцев
Кандидат физико-математических наукЖурнал "Природа" №10 за 1974 г. стр. 92-95
Игорь Дмитриевич Караченцев, заместитель директора и руководитель отдела внегалактических исследований Специальной астрофизической обсерватории АН СССР. Автор работ, посвященных анализу структуры и динамики систем галактик
До Копернике на вопрос о месте Земли во Вселенной обычно отвечали: Земля — центр мироздания. И ссылались при этом на очевидность, здравый смысл. Коперник поместил Землю в ряд с другими планетами Солнечной системы, совершил выдающийся переворот в представлениях о мире. С тех пор мысль Коперника о нецентральном положении земного наблюдателя была развита и продолжена: стало ясно, что ни Солнце среди звезд, ни наша Галактика среди других галактик не занимают предпочтительного, выделенного положения. Равноправность любых точек пространства во Вселенной стала универсальным космологическим принципом. На этом принципе, в частности, основана гипотеза о существовании внеземных цивилизаций.
Рассуждая о невыделенности земного наблюдателя, мы должны иметь в виду не только геометрическое положение, но также и всевозможные характеристики Земли, Солнца и Галактики среди других космических объектов. За пять столетий после эпохи Коперника астрономы накопили много наблюдательных данных; основываясь на них, можно проверить справедливость принципа Коперника более детально.
Но прежде чем сравнивать характеристики Земли, Солнца и Галактики с характеристиками других планет, звезд и галактик, обратим внимание на следующее важное обстоятельство. Мы знаем, что жизнь на Земле существует уже более 2 млрд. лет и за это время ее не прерывали, очевидно, никакие космические катастрофы. Однако катастрофические явления (вспышки Новых, Сверхновых, взрывы в ядрах галактик и т. д.) во Вселенной не редкость. Пребывание вблизи эпицентров катастроф было бы несовместимо с фактом нашей миллиарднолетней истории; превращение первичного «бульона» в цивилизацию мыслящих существ должно протекать в одной из «тихих заводей» Вселенной. Естественно, проверяя гипотезу о том, насколько типичны различные признаки Земли, мы обязаны принять во внимание экологические соображения.
Представим себе такую ситуацию: пусть все планеты Солнечной системы движутся по очень вытянутым орбитам, а Земля обращается по круговой. Сопоставив эксцентриситет земной орбиты со средним по другим планетам, мы могли бы заключить, что Земля обладает уникальным, признаком — нулевым эксцентриситетом орбиты и этим выделена среди остальных планет. Но указанное различие означало бы, что на планетах, движущихся по вытянутым орбитам, происходят губительные для жизни перепады температуры, и жизнь на таких планетах, вероятно, не смогла бы развиться.
Подобные умозрительные примеры астрономы рассматривают, когда пытаются выделить класс звезд и планет, где условия для развития жизни непригодны. Такие объекты (например, двойные звезды, в системе которых планетные орбиты, как правило, неустойчивы) обычно исключают из списка кандидатов на поиски возможных сигналов внеземных цивилизаций.
Итак, если мы обнаружим, что по некоторому признаку наша Земля (Солнце, Галактика) резко отличается от других планет (звезд, галактик), то это еще не означает, что место Человека во Вселенной является выделенным, предпочтительным,— просто некий нетипичный признак Земли (Солнца, Галактики) мог оказаться очень важным (или даже необходимым) для возникновения и эволюции жизни на Земле.
Многие убеждены, что наша цивилизация во Вселенной не одинока: в разнообразных «экологических нишах» Вселенной должны существовать различные формы жизни, в том числе высокоразвитые цивилизации, способные к межзвездным контактам. Густо ли заселен космос разумной жизнью или же расстояния между цивилизациями очень велики и превышают сотни, тысячи световых лет? Вот уже более десяти лет астрономы вслушиваются а «шепот» Вселенной и пока не обнаружили сигналов внеземных цивилизаций. Если жизнь во Вселенной редка и если формы внеземной разумной жизни близки к нашей, то анализ уникальных признаков Земли (Солнца, Галактики) может подсказать нам, от каких объектов в первую очередь следует ожидать сигналов искусственного происхождения. Конечно, те уникальные признаки Земли, которые могли оказаться решающими для зарождения белковой формы жизни, не обязательно должны благотворно влиять на ход эволюции других разумных миров. Пока что мы слишком мало знаем о возможном разнообразии форм жизни и даже о нереализованных путях развития нашей, земной цивилизации.
Будем помнить об этих замечаниях и начнем последовательно рассматривать различные характеристики Земли, Солнца, Галактики, сопоставляя их с соответствующими средними характеристиками планет, звезд и галактик. Чтобы количественно оценить уникальность какого-нибудь признака земного наблюдателя, нам необходимо вычислить кроме средних характеристик планет (звезд, галактик) также и дисперсии (разброс) этих характеристик для данной совокупности объектов. Рассуждения будем вести, привлекая сведения из теории вероятностей. Рассмотрим, например, величину эксцентриситета земной орбиты
е0 = 0,0168[/img]; среднее значение эксцентриситета для других планет солнечной системы составляет
со средним квадратичным разбросом
. Отклонение данного признака Земли от среднего для планет
не превышает по абсолютной величине типичного отклонения
.
Следовательно, у нас нет оснований считать форму земной орбиты существенно отличной от формы орбит других планет. Такие основания появились, если бы величина
значительно превосходила среднее квадратичное отклонение
. Составив отношение величин
, мы можем оценить вероятность р больших отклонений
а. Согласно теореме Чебышёва, вероятность отклонения на величину большую или равную а меньше, чем
. Например, вероятность отклонения от среднего на За (т. е. на
а = 3) меньше 1/9- Отсюда произошло известное в статистике «правило трех сигм»: отклонение данной величины от среднего значения, превосходящее среднее квадратичное отклонение
более чем в три раза, принято считать маловероятным. Поступим и мы таким же образом. Условимся считать все характеристики Земли с вероятностями их отклонения от среднего
нетипичными, уникальными характеристиками. Такой подход позволяет единообразно сопоставлять самые разные величины и выделять среди них редкие, маловероятные.
Воспользуемся теперь астрономическим справочником
1 и оценим для каждой характеристики Земли как планеты (обозначив ее х0) величины:
Сводка этих данных представлена в таблице, при составлении которой использованы сведения, имеющиеся в учебнике звездной астрономии
2.
____________________
1 К. У. А л л е н. Астрофизические величины. М., ИЛ, 1960.
2 Курс астрофизики и звездной астрономии (под ред. А. А. Михайлова). М., 1962Перейдем к более высокой структурной организации космических объектов и сопоставим различные характеристики Солнца x0 со средними характеристиками других звезд Галактики
(соответствующие данные определены астрономами сравнительно надежно). Для таких характеристик, как принадлежность Солнца к некоторому типу объектов, вероятность р означает частоту встречаемости звезд с данным признаком.
Следующий этап — сравнение характеристик нашей Галактики со средними характеристиками других галактик (здесь автор использовал в основном результаты своих работ). Наконец, еще одна иерархическая ступень: сопоставим Местную группу галактик с другими системами.
Мы замечаем, что с переходом к системам все большего масштаба количество наших знаний о них резко уменьшается. Продолжается ли лестница космических структур дальше? На этот вопрос мы не имеем пока обоснованного ответа.
Прежде чем анализировать данные таблицы, сделаем несколько критических замечаний. Во-первых, не все величины в таблице измерены с одинаковой точностью. Во-вторых, некоторые средние характеристики планет, звезд и галактик нередко подвергаются пересмотру: их оценки могут измениться, например, с открытием новых объектов. И, наконец, существует еще ряд свойств астрономических объектов (наличие у планет магнитосферы, различные свойства ядер галактик и т. д.), которыми можно было бы дополнить таблицу, однако количественных данных об этих характеристиках еще слишком мало, чтобы провести статистические оценки.
Итак, примем вероятное условие
и будем считать, что характеристики земного наблюдателя, удовлетворяющие этому значению, относятся к исключительным и выделяют нас из общей совокупности объектов данного класса. Таких параметров в таблице четыре (оценки р для них подчеркнуты). Рассмотрим каждый из них внимательнее.
ТаблицаСравнение характеристик Земли, Солнца, Галактики, Местной группы галактик (х0) со средними характеристиками планет, звезд, галактик, систем галактик (х_) Суммарная масса спутников в долях массы планеты. Земля как планета обладает относительно самым массивным спутником. На этот факт уже давно обратили внимание. Согласно оценке вероятности
р, мы можем ставить 500 против 1 в пользу того, что такая особенность Земли среди других планет небезразлична для возникновения разумной жизни. Известно, что вследствие гравитационного возмущения, оказываемого массивным спутником, в морях и океанах планеты образуется приливная зона. Первичная жизнь, зародившаяся под броней водяной толщи, получила возможность выбраться через зону приливов на сушу и двинуться дальше по пути эволюции ускоренными темпами. Такие представления о решающей роли Луны в развитии жизни на Земле уже обсуждались в научной литературе. Мы полагаем, таким образом, что другие цивилизации предпочтительно искать на планетах с массивными спутниками.
Принадлежность Солнца к I типу звездного населения Галактики. Среди звезд нашей Галактики доля тех, что входят в плоскую подсистему (I тип), составляет примерно
р = 0,10. В отличие от звездного населения сферической подсистемы (II тип) эти звезды и Солнце движутся по орбитам, близким к круговым, и поэтому не проникают в околоядерную область Галактики, где происходят взрывные процессы. Весьма вероятно, что постоянное пребывание звезды на большом удалении от опасной зоны ядра существенно необходимо для сохранения жизни на планетах этой звезды
1. Поскольку в эллиптических галактиках звезды движутся по очень вытянутым орбитам, не исключено, что эти галактики могут оказаться пустынными, безжизненными островами Вселенной. В таком случае при поисках сигналов от других цивилизаций нам следует ограничиться классом спиральных галактик.
____________________
1 Существуют и другие объяснения, вероятности возникновения жизни, связанные с различием в химическом составе и возрасте звезд I и II типов населения.Линейный диаметр Галактики. Солнце принадлежит к звездной системе» значительно превосходящей среднюю галактику по своим размерам: только у 5% галактик линейные диаметры больше 25 кпс. Но было бы поспешным заключать из этого, что мы находимся в исключительной звездном системе. Взглянем на ситуацию с другой стороны. Чем больше размеры галактики, тем больше в ней звезд и тем вероятнее для Солнца оказаться в их числе. Смешаем мысленно все звезды разных галактик и станем наугад выбирать ту или иную звезду. Расчет, основанный на распределении галактик по числу звезд, показывает, что с вероятностью
р = 0,29 случайно взятая звезда будет принадлежать гигантской галактике, диаметр которой больше или равен диаметру нашей звездной системы. Следовательно, малая вероятность нашего нахождения в гигантской галактике является кажущейся и не требует особых экологических объяснений.
Принадлежность Местной группы галактик к типу стационарных систем. Известно, что большая часть галактик входит в группы и скопления. Наша Галактика не составляет исключения. У большинства изученных систем галактик отношение кинетической энергии системы к абсолютной величине ее потенциальной энергии существенно превосходит ожидаемое для стационарных систем отношение, равное 1/2. Считая, что группы и скопления, у которых это отношение много больше 1, нестационарны и распадаются, мы получаем оценку возраста (времени распада) этих систем всего лишь 10
3 — 10
9 лет.
Итак, возраст большинства распадающихся систем галактик заведомо меньше времени существования жизни на Земле! Поэтому неудивительно, что именно наша Местная группа галактик относится к редкому (
р = 0,04) типу стационарных систем: возраст Местной группы ~10
10 лет оказался вполне достаточным для развития цивилизации. Важно отметить здесь, что некоторые астрономы пытаются объяснить наблюдаемый избыток кинетической энергии у систем галактик присутствием в этих системах больших масс невидимого вещества, которое способно обеспечить устойчивость систем. При этом возраст всех систем галактик должен быть примерно одинаковым (~10
10 лет), но тогда выделенность Местной группы галактик (отсутствие в ней «скрытых» масс) становится совершенно необъяснимой.
Так как ближайшая к нам стационарная система галактик расположена довольно далеко, поиск следов внеземной жизнедеятельности разумно ограничить пока пределами Местной группы галактик
1.
____________________
1 Конечно, нельзя исключить, что цивилизация может достигать «уровня контактов» за время эволюции меньше миллиарда лет; с другой стороны, возраст отдельных галактик в распадающейся системе иногда может превосходить характерное время распада системы.Итак, вернемся к исходному вопросу: заурядно ли наше место во Вселенной? Априорный положительный ответ на него является сутью космологического принципа Коперника. Однако эмпирическая проверка принципа Коперника, основанная на статистическом сравнении различных характеристик Земли и планет, Солнца и звезд, Галактики и других галактик, обнаружила ряд уникальных признаков, присущих земному наблюдателю на разных структурных этажах Вселенной. Дополняя принцип Коперника «экологической поправкой», мы можем сказать, что именно эти нетипичные признаки оказались необходимыми для существования жизни на Земле в течение нескольких миллиардов лет.
Автор надеется, что дальнейшее накопление наблюдательных данных и более глубокий и разносторонний анализ уникальных признаков земного наблюдателя может быть полезным при поисках «экологических ниш», заселенных внеземными цивилизациями.
УДК S23.11
