Теплый Эдем ранней вселенной
“Life finds a way” - Ian Malcolm, Jurassic Park
Недавно в журнал Astrobiology была подана статья Авраама Лоэба “Пригодная для жизни эпоха в ранней вселенной”, в которой высказана удивительная идея о возможности существования жидкой воды (и жизни?) в очень молодой вселенной. Согласно статье в начале существования вселенной космос был теплый и планеты с жидкой водой могли существовать уже 13.7 миллиардов лет назад, а точнее, примерно через 15 миллионов лет после большого взрыва.
Лично у меня в воображении сразу возникает чрезвычайно поэтичный образ раннего космоса. Представим себе молодую вселенную, которой всего 16 миллионов лет. Плотность материи в тысячи раз превышает современную. Кругом зарождаются и испепеляются маленькие оазисы жизни, теплые планеты с жидкой водой, а нескончаемые космические столкновения и возникающие потоки метеоритов разносят семена этой жизни с планеты на планету из звездной системы в звездную систему. Нет, на большинстве планет жизнь никогда не появлялась, на многих зачатки жизни были уничтожены катастрофами планетарных масштабов, но что-то выживает, что-то борется за свое существование, размножаясь и покоряя космическое пространство под давлением естественного отбора. Ведь у зарождающейся жизни есть лишь маленькое окно всего в несколько миллионов лет, чтобы сформироваться, окрепнуть и расселиться по галактике, перед тем как реликтовое излучение остынет, а тепло сохранят лишь те планеты, что будут вблизи звезд. Увы, у нас пока нет веских доводов считать, что жизнь на самом деле существовала в ту теплую эпоху, но мне кажется, что эта идея захватывающе красива.
Но спустимся на Землю и попробуем разобраться, откуда взялась идея теплой молодой вселенной. Одним из важнейших подтверждений теории большого взрыва стало открытие реликтового излучения, света почти равномерно поступающего со всех сторон в любую точку космического пространства. Реликтовое излучение является отголоском ранней вселенной, далеких времен, когда еще не было ни звезд, ни планет, а лишь относительно однородная горячая плазма, непрозрачная для света. Когда вселенная перестала быть настолько горячей, из этой плазмы начали формироваться атомы, а сама вселенная стала прозрачной. Так наступала великая эпоха космологической рекомбинации. Высвобожденный в эту эпоху свет реликтового излучения до сих пор блуждает по космосу, а точнее доходит до нас из тех отдаленных уголков вселенной, свет от которых идет до нас более 13 миллиардов лет. При этом длина волны этого изучения растет. Это обусловлено красным смещением: смещением длины волны света в красную (длинноволную) часть спектра в результате удаления от источников излучения: результат постоянного расширения вселенной.
Сегодня температура реликтового излучения составляет примерно 2.7 кельвина, что очень близко к абсолютному нулю, поэтому реликтовое излучение не может нагреть холодную планету. Авраам Лоэб сообразил, что в ранней вселенной температура реликтового излучения должна была быть намного выше. Эта идея кажется очевидной “задним умом”, но, по-видимому, она была слишком простой, чтобы прийти кому-нибудь в голову. Расчеты показали, что когда вселенной было примерно 15-17 миллионов лет реликтовое излучение должно было быть настолько теплым, что почти любой камень, астероид или планета имел бы температуру от 0 до 30 градусов Цельсия, даже если бы этот камень находился вдали от каких-либо звезд. Это та температура, при которой возможно зарождение и существование "жизни, как мы ее себе представляем”, хотя совершенно не очевидно, что любая жизнь обязана иметь химическую природу схожую с нашей.
Пока не ясно достаточно ли окна в несколько миллионов лет для зарождения жизни. В принципе это не противоречит известным фактам. Палеонтолог Кирилл Еськов (afranius) в своей книге “История Земли и жизни на ней” пишет:
“… первые достоверные следы жизни появляются на Земле одновременно с первыми достоверными следами воды. А поскольку ископаемые могут сохраняться только в осадочных породах (за редчайшими исключениями, вроде захоронений под вулканическими пеплопадами и т.п.), то можно сформулировать и так: достоверные следы жизни известны в геологической летописи Земли с того самого момента, когда возникает принципиальная возможность их фиксации”.
Возраст Земли 4.54 миллиарда лет при этом 3.5 миллиарда лет назад на Земле, по-видимому, уже были довольно сложные микробные сообщества в форме бактериальных матов. Некоторые следы биологический активности свидетельствуют в пользу существования жизни 3.8 миллиардов лет назад, но это не значит, что жизнь не могла возникнуть еще раньше. Что справедливо, так это то, что появление разумной жизни на нашей планете, действительно потребовало миллиарды лет эволюции.
Еще один нюанс заключается в том, что планеты вроде Земли в своей эволюции проходят стадию, когда они сильно нагреты, а впоследствии остывают. Поэтому такие планеты в любом случае проходят период “благоприятный” для существования жидкой воды и “жизни, как мы ее себе представляем”. Скорость остывания поверхности планеты и время ее нахождения в таком “благоприятном” состоянии зависит от множества факторов, например, от массы планеты и ее состава. Высокая температура реликтового излучения означает, что планета при прочих равных будет остывать дольше, но некоторые планеты могут остывать достаточно долго и без этого. Мне кажется, что в таком случае значение теплого реликтового излучения в создании благоприятных условий для жизни во время существования молодой вселенной может оказаться преувеличенной, что, впрочем, не отменяет элегантность самой идеи.
Есть еще одно возражение против гипотезы зарождения жизни в молодой теплой вселенной. Дело в том, что в результате рекомбинации во вселенной сначала образовались протоны и электроны, затем водород и немножко гелия. Более тяжелые элементы, необходимые для жизни, образуются внутри звезд в ходе термоядерных реакций. Если звезда, в которой успели образоваться тяжелые элементы, взрывается как сверхновая (Рисунок 1), тяжелые элементы разбрасываются и могут послужить материалом для формирования планет и живых организмов. В ранней вселенной количество тяжелых элементов, скорее всего, было недостаточным для образования планет современного типа и жизни на них. В своей статье Авраам Лоэб отвечает на это возражение тем, что планеты могли образоваться в ранней вселенной в том случае, если были существенные неоднородности с негауссовым распределением параметров в распределении космического вещества во вселенной. Подобные распределения неоднородностей ожидается в рамках некоторых ранее предложенных моделей расширяющейся вселенной.
Рисунок 1. Крабовидная туманность (слева, просто для красоты) и останки сверхновой Кеплера (справа).
В свое время Козьма Прутков сделал неполиткорректное по современным представлениям замечание: “Не шути с женщинами: эти шутки глупы и неприличны”. Но это утверждение сохраняет актуальность в адаптированном виде: “Не шути с креацонистами: эти шутки глупы и неприличны”. Подтверждением этого тезиса является история с белком Ламинином, похожим на крест (Рисунок 2), вызвавшая фурор в среде приверженцев христианства. В шутку замеченная причудливость формы белка была воспринята чуть ли не доказательством существования христианского Бога широкой аудиторией.
Наступая на те же грабли, отмечу, что мне удивительно, что в связи со статьей Авраама Лоэба до сих пор не набежали ликующие теологи, провозглашающие, что современная астрофизика намекает на возможность существования в прошлом Эдема, Райского сада, по совместительству инкубатора жизни. Все точь-в-точь как сказано в Библии!
Рисунок 2: структура белка ламинина (слева) и ее графическое изображения (справа). Источники картинок:
http://www.nature.com/emboj/journal/v17/n2/images/7590751f6.jpg
http://yfc.tumblr.com/post/631644104/the-cross-in-our-bodies-by-an-anonymous-doctor
Мне теологические следствия древней вселенной и особенно древней жизни видятся в ином свете. Большинство мировых религий ставят человечество в центр мироздания. Но что такое человечество? Даже если забыть про ничтожное время существования нашего вида, вся наша планета существует лишь треть от возраста вселенной! Вселенная возникла и после этого миллиарды лет никакой Землей даже и не пахло. Это не похоже на план творца, замышлявшего создание человека по образу и подобию своему, чтобы потом спустить к нему своего сына и распять его на кресте, сделать один из многих тысяч белков похожим на инструмент для казни и пару гренок с изображением лица распятого. Ну, или что-нибудь еще столь же не существенное в космологических масштабах и не впечатляющее. Нас это не забавляет.
А еще задумайтесь о том, что могут быть другие цивилизации и их возраст может достигать миллиарды лет и о том, что наша цивилизация может оказаться очень поздней и крайне отставшей от жизни в самом буквальном смысле. Пора догонять!
Напоследок хочется отметить, что жидкая вода и сегодня может существовать не только на планетах, находящихся близко к звезде. Например, поверхность Европы, спутника Юпитера, покрыта слоем воды, толщиной примерно в 100 километров. Предполагается, что только первые 10-30 километров воды у поверхности находятся в замороженном состоянии, в форме льда, а подо льдом находится жидкая вода, нагретая за счет тепла, которое создается благодаря приливам, которые вызываются гравитацией Юпитера.
Еще одна интересная идея касается вопроса о жизни на Марсе. На Марсе, по-видимому, есть немного жидкой воды. Кроме того известно, что на Землю неоднократно падали метеориты с Марса. Вполне возможно, что и на Марс падали метеориты с ранней Земли, метеориты, с кусочками древней зарождающейся жизни. Еще одна гипотеза заключается в том, что условия, пригодные для зарождения жизни могли возникнуть на Марсе раньше, чем на Земли и обмен спорами жизни мог быть в обратном направлении. Возможно, мы узнаем об этом в ближайшем будущем.
Основные ссылки по теме:
Статья Авраама Лоэба: http://arxiv.org/pdf/1312.0613v1.pdf
Научно-популярный обзор журнала Nature по теме: http://www.nature.com/news/life-possible-in-the-early-universe-1.14341
Критические замечания о том, почему жизнь, скорее всего, не могла зародиться во вселенной так быстро: http://futureandcosmos.blogspot.ru/2013/12/could-life-have-evolved-in-very-early.html
Автор выражает благодарность Шамилю Нуцалову и Юрию Панчину за консультации по рассматриваемым научным вопросам.