Некоторые перспективы экзопалеонтологии в Солнечной Системе.
Вдали от дома легко думается о смелых вещах, в том числе тогда, когда масштаб уже осознан. Все началось перед самым 2k20, когда к нам он был уже гораздо ближе, чем к Москве, с разговоров о том, что же принесет новые десятилетие вопросам о жизни во других мирах и Парадоксе Ферми. И остановиться было трудно.
За последнюю пару десятков лет мы многое узнали о первых множителях уравнения Дрейка, но за ними следуют те, исследовать которые с Земли уже не так просто. Землеподобных планет много, но чтобы продвинуться дальше, нужно узнать что-нибудь об абиогенезе.
Если в Солнечной Системе найдется второй источник жизни, сомнения развеются - fl тоже очень высок. Но литопанспермия в ранней Системе не дает ему почти никаких шансов оставить свой след - я готов поспорить, что жизнь на Марсе найдется AND она будет родственна земной. Чтобы найти другой источник, нужно исследовать экзопланеты.
Биосигнатуры в спектре - не то, чему стоит верить. Во всяком случае, с нынешним, не комплексным походом. Например, в сильно восстановительной литосфере на планетах с более высоким C/O, чем у нас, фосфор вполне может находиться не в высшей степени окисления. Первая же встреча с гидросферой наверху - и вот он, фосфин в атмосфере, который по некоторым мнениям сейчас занимает первое место в однозначности. Как некогда химик, я уверен, что ситуация изменится, но пока интереса ради продолжим взятое направление)
Нужны прямые исследования. Но одно дело - лететь до Центавры, и совсем другое - до ближайшей планеты с достаточно недвусмысленными биомаркерами в спектре, которая легко может оказаться в сотне световых лет. Прекрасно понимая, что даже в лучшем раскладе из тех, которые ничему не противоречат, экспедиция вряд ли принесет плоды раньше середины миллениума, я стал задумываться, а можно ли как-нибудь дотянуться до межзвездного материала, не улетая за тридевять парсек.
Здесь снова очень вспоминается давняя статья о литопанспермии. Один только удар Чиксулуба привел к попаданию на Марс сотен тысяч - миллионов тонн земного материала. Еще в десятки раз больше фрагментов под действием гравитационных возмущений покинули Солнечную систему. И поскольку дело было 65 миллионов лет назад, некоторые из них вполне могли разлететься на сотни световых лет. То есть, можно считать, что материал, выбитый с планет ударами астероидов и вылетающий за пределы звездной системы, равномерно распределен по межзвездному пространству. Если некоторые фрагменты земной коры уже покинули рукав Ориона, то за материалом экзопланет вовсе не обязательно лететь в другие системы. Некоторые их осколки, на которых, возможно, лежат скелеты экзозавров, сейчас пролетают мимо Солнца.
Первая идея звучит следующим образом. Возможности быстрых обзоров неба стремительно растут. Через какое-то время их станет достаточно, чтобы идентифицировать множество малых межзвездных объектов, пролетающих через Солнечную систему. Эти образцы межзвездного материала находятся в десятки тысяч раз ближе, чем собственно другие звездные системы!
При подсчете их распространенности, однако, быстро выяснилось, что задача их исследования по своей сложности куда ближе к самим межзвездным экспедициям, чем к тому, что мы делаем сейчас. Потому будем считать решение для эпохи зрелого ядерно-электрореактивного космоплавания, а так же следующего поколения средств вывода на орбиту (таких как Beam Ride).
В качестве первого приближения допустим, что у каждой звезды есть по одной скалистой планете, и количество звезд равно одной штуке в кубическом парсеке. Примем равным земному также темп метеорной бомбардировки и доли выброшенного в космос и покинувшего систему материала. С Земли в космос с момента окончания Поздней Тяжелой Бомбардировки было выбито около 3e8 фрагментов размером больше трех метров все та же [2], из них 5% оказалось выброшенным за пределы системы. Получается один фрагмент на 6e8 кубических астроединиц, или среднее расстояние между фрагментами 800 а.е.
Вероятность найти такой фрагмент внутри орбиты Нептуна (110000 куб.а.е.) равна 2e-4, а внутри орбиты Юпитера (600 куб.а.е.) - 1e-6. Поскольку они движутся с типичными собственными скоростями звезд, они проходят эти сферы, соответственно, за время порядка десяти лет или одного года, а гравитационным фокусированием можно пренебречь. И получается средний интервал между посещениями порядка десятков тысяч лет. Много, очень много. И это - только для обломков литосфер всех скалистых планет, а не только тех, которые несут жизнь. Но хоть эти расстояния и требуют запредельных средств обнаружения, они гораздо ближе межзвездных и не требуют даже термоядерных двигателей. Можно попробовать искать факторы, которые могут увеличить оценку их количества и уменьшить времена и расстояния.
При самых массивных столкновениях в космос выбрасывается гораздо больше материала, чем от простого падения астероида на планету. Если Венера влетит в Землю - как минимум несколько процентов массы обеих планет окажется на долговременных гелиоцентрических орбитах. Масса материала, в конце концов оказавшегося выброшенным из Солсистемы, вполне может иметь порядок 1e20 кг, или, к примеру, 1e14 осколков более трех метров в диаметре. И если такие столкновения случаются даже в каждой тысячной системе за период ее зрелости (что может быть скромной оценкой), то получается, что основная популяция межзвездных метеороидов, являвшихся фрагментами планетарных литосфер, образуется в ультракатастрофических столкновениях. И она превосходит предыдущую оценку на три порядка - 1e11 фрагментов на каждую землеподобную планету (среднее расстояние между фрагментами - 80 а.е.)
Другое дело, что при таких столкновениях в космос выбрасывается не только содержащая следы жизни литосфера, но и мантия - причем в гораздо больших количествах. Дальнейшие расчеты зависят от доли литосферного материала и от распределения фрагментов по размерам, от доли планет, на которых развивается жизнь, и так далее. Но если эти цифры не неожиданно малы, получается, что в радиусе нескольких сотен а.е. вполне может быть один экзометеороид, на котором лежит скелет экзозавра, и сотни-тысячи обычных осколков экзопланет.
Найти их - чудовищно сложная затея. Даже если не принимать во внимание, что на один интересный камень придется великое множество других экзометеороидов, которые никогда и не бывали частью чего-то существенно большего. Однако она все же не требует затрат времени в сотни лет.
Большой синоптический обзор неба, стартующий в 2022 году, способен разглядеть объекты до +24.5 mag на восьмиметровом телескопе за экспозицию в 15 секунд. Примерно такую же величину, как ожидается, должна иметь девятая планета, и даже для LSST ее обнаружение - нелегкая задача. А трехметровый камень на том же расстоянии - это фантастическая, умопомрачительная +59-я звездная величина. Где-то один фотон в сутки на сто квадратных километров.
Так что получается, что для немедленного отыскания фрагмента литосферы экзопланеты, на котором сохранились следы инопланетной жизни, придется полагаться либо на большую удачу, либо на телескоп астроинженерных масштабов. Но если сократить задачу до простого исследования физических образцов экзопланет, пролетающих мимо, можно довольствоваться сферой радиусом 100 а.е. и стереопарой из орбитальных телескопов в 200 а.е. от Солнца с апертурой около километра, построенных, например, на формациях тонкопленочных зеркал с прецизионными ионными движками. Задача обработки информации и отправки зонда-перехватчика не может не стать тривиальной в ту эпоху, когда такое станет возможным. А какая из двух задач сложнее - эта, или "просто слетать на экзопланету" - отсюда не разглядеть...
Впрочем, есть и другая идея.
В дальнем поясе Койпера и особенно в облаке Оорта взаимные столкновения объектов редки и происходят с малой скоростью. Там легко может найтись километровый снежок плотностью 0.05 г/см3, не испытавший ни одного столкновения с момента образования, и избежавший всякого слеживания, поскольку давление в его центре меньше, чем под снегоступами. И такие объекты вполне можно использовать как естественные аналоги аэрогелевой панели Stardust [https://en.wikipedia.org/wiki/Stardust_(spacecraft)]. За несколько лет пребывания в космосе кусок аэрогеля размером с теннисную ракетку перехватил несколько частиц межзвездной пыли - она и стала первым образцом материала других солнечных систем, доставленным на Землю. Cнежки-оортоиды тоже перехватывают межзвездный материал, но могут иметь в миллионы раз большую поверхность захвата и в миллиард раз большую экспозицию. Тут даже нулевого приближения достаточно - цифры оказываются огромными.
Суммарное количество межзвездного материала, перехваченного километровым оортоидом, может составлять многие тысячи тонн, а на самых больших снежках - и миллионы. В такой массе наверняка найдется что-то интересное для экзобиологов. Отыскать подходящий снежок - не так просто, как девятую планету, но уже следующий класс обзорных телескопов после LSST это сможет.
Конечно, для уверенного отыскания объекта с подходящими свойствами, скорее всего, придется искать среди двойных оортоидов, по периоду обращения в системе которых можно вычислить массу и плотность компонентов.
После чего останется только слетать, сублимировать снег ядерным реактором, и привезти на Землю кучу межзвездных камней)
P.S. Этот метод сбора межзвездного материала хорош еще и естественным разделением. Медленные обломки, вылетающие из нашей собственной системы, оказываются в поверхностных слоях, а межзвездные метеороиды, имеющие гораздо большую скорость, проникают на большую глубину, и определить вероятное происхождение фрагмента можно просто по его размеру и глубине залегания.
За последнюю пару десятков лет мы многое узнали о первых множителях уравнения Дрейка, но за ними следуют те, исследовать которые с Земли уже не так просто. Землеподобных планет много, но чтобы продвинуться дальше, нужно узнать что-нибудь об абиогенезе.
Если в Солнечной Системе найдется второй источник жизни, сомнения развеются - fl тоже очень высок. Но литопанспермия в ранней Системе не дает ему почти никаких шансов оставить свой след - я готов поспорить, что жизнь на Марсе найдется AND она будет родственна земной. Чтобы найти другой источник, нужно исследовать экзопланеты.
Биосигнатуры в спектре - не то, чему стоит верить. Во всяком случае, с нынешним, не комплексным походом. Например, в сильно восстановительной литосфере на планетах с более высоким C/O, чем у нас, фосфор вполне может находиться не в высшей степени окисления. Первая же встреча с гидросферой наверху - и вот он, фосфин в атмосфере, который по некоторым мнениям сейчас занимает первое место в однозначности. Как некогда химик, я уверен, что ситуация изменится, но пока интереса ради продолжим взятое направление)
Нужны прямые исследования. Но одно дело - лететь до Центавры, и совсем другое - до ближайшей планеты с достаточно недвусмысленными биомаркерами в спектре, которая легко может оказаться в сотне световых лет. Прекрасно понимая, что даже в лучшем раскладе из тех, которые ничему не противоречат, экспедиция вряд ли принесет плоды раньше середины миллениума, я стал задумываться, а можно ли как-нибудь дотянуться до межзвездного материала, не улетая за тридевять парсек.
Здесь снова очень вспоминается давняя статья о литопанспермии. Один только удар Чиксулуба привел к попаданию на Марс сотен тысяч - миллионов тонн земного материала. Еще в десятки раз больше фрагментов под действием гравитационных возмущений покинули Солнечную систему. И поскольку дело было 65 миллионов лет назад, некоторые из них вполне могли разлететься на сотни световых лет. То есть, можно считать, что материал, выбитый с планет ударами астероидов и вылетающий за пределы звездной системы, равномерно распределен по межзвездному пространству. Если некоторые фрагменты земной коры уже покинули рукав Ориона, то за материалом экзопланет вовсе не обязательно лететь в другие системы. Некоторые их осколки, на которых, возможно, лежат скелеты экзозавров, сейчас пролетают мимо Солнца.
Первая идея звучит следующим образом. Возможности быстрых обзоров неба стремительно растут. Через какое-то время их станет достаточно, чтобы идентифицировать множество малых межзвездных объектов, пролетающих через Солнечную систему. Эти образцы межзвездного материала находятся в десятки тысяч раз ближе, чем собственно другие звездные системы!
При подсчете их распространенности, однако, быстро выяснилось, что задача их исследования по своей сложности куда ближе к самим межзвездным экспедициям, чем к тому, что мы делаем сейчас. Потому будем считать решение для эпохи зрелого ядерно-электрореактивного космоплавания, а так же следующего поколения средств вывода на орбиту (таких как Beam Ride).
В качестве первого приближения допустим, что у каждой звезды есть по одной скалистой планете, и количество звезд равно одной штуке в кубическом парсеке. Примем равным земному также темп метеорной бомбардировки и доли выброшенного в космос и покинувшего систему материала. С Земли в космос с момента окончания Поздней Тяжелой Бомбардировки было выбито около 3e8 фрагментов размером больше трех метров все та же [2], из них 5% оказалось выброшенным за пределы системы. Получается один фрагмент на 6e8 кубических астроединиц, или среднее расстояние между фрагментами 800 а.е.
Вероятность найти такой фрагмент внутри орбиты Нептуна (110000 куб.а.е.) равна 2e-4, а внутри орбиты Юпитера (600 куб.а.е.) - 1e-6. Поскольку они движутся с типичными собственными скоростями звезд, они проходят эти сферы, соответственно, за время порядка десяти лет или одного года, а гравитационным фокусированием можно пренебречь. И получается средний интервал между посещениями порядка десятков тысяч лет. Много, очень много. И это - только для обломков литосфер всех скалистых планет, а не только тех, которые несут жизнь. Но хоть эти расстояния и требуют запредельных средств обнаружения, они гораздо ближе межзвездных и не требуют даже термоядерных двигателей. Можно попробовать искать факторы, которые могут увеличить оценку их количества и уменьшить времена и расстояния.
При самых массивных столкновениях в космос выбрасывается гораздо больше материала, чем от простого падения астероида на планету. Если Венера влетит в Землю - как минимум несколько процентов массы обеих планет окажется на долговременных гелиоцентрических орбитах. Масса материала, в конце концов оказавшегося выброшенным из Солсистемы, вполне может иметь порядок 1e20 кг, или, к примеру, 1e14 осколков более трех метров в диаметре. И если такие столкновения случаются даже в каждой тысячной системе за период ее зрелости (что может быть скромной оценкой), то получается, что основная популяция межзвездных метеороидов, являвшихся фрагментами планетарных литосфер, образуется в ультракатастрофических столкновениях. И она превосходит предыдущую оценку на три порядка - 1e11 фрагментов на каждую землеподобную планету (среднее расстояние между фрагментами - 80 а.е.)
Другое дело, что при таких столкновениях в космос выбрасывается не только содержащая следы жизни литосфера, но и мантия - причем в гораздо больших количествах. Дальнейшие расчеты зависят от доли литосферного материала и от распределения фрагментов по размерам, от доли планет, на которых развивается жизнь, и так далее. Но если эти цифры не неожиданно малы, получается, что в радиусе нескольких сотен а.е. вполне может быть один экзометеороид, на котором лежит скелет экзозавра, и сотни-тысячи обычных осколков экзопланет.
Найти их - чудовищно сложная затея. Даже если не принимать во внимание, что на один интересный камень придется великое множество других экзометеороидов, которые никогда и не бывали частью чего-то существенно большего. Однако она все же не требует затрат времени в сотни лет.
Большой синоптический обзор неба, стартующий в 2022 году, способен разглядеть объекты до +24.5 mag на восьмиметровом телескопе за экспозицию в 15 секунд. Примерно такую же величину, как ожидается, должна иметь девятая планета, и даже для LSST ее обнаружение - нелегкая задача. А трехметровый камень на том же расстоянии - это фантастическая, умопомрачительная +59-я звездная величина. Где-то один фотон в сутки на сто квадратных километров.
Так что получается, что для немедленного отыскания фрагмента литосферы экзопланеты, на котором сохранились следы инопланетной жизни, придется полагаться либо на большую удачу, либо на телескоп астроинженерных масштабов. Но если сократить задачу до простого исследования физических образцов экзопланет, пролетающих мимо, можно довольствоваться сферой радиусом 100 а.е. и стереопарой из орбитальных телескопов в 200 а.е. от Солнца с апертурой около километра, построенных, например, на формациях тонкопленочных зеркал с прецизионными ионными движками. Задача обработки информации и отправки зонда-перехватчика не может не стать тривиальной в ту эпоху, когда такое станет возможным. А какая из двух задач сложнее - эта, или "просто слетать на экзопланету" - отсюда не разглядеть...
Впрочем, есть и другая идея.
В дальнем поясе Койпера и особенно в облаке Оорта взаимные столкновения объектов редки и происходят с малой скоростью. Там легко может найтись километровый снежок плотностью 0.05 г/см3, не испытавший ни одного столкновения с момента образования, и избежавший всякого слеживания, поскольку давление в его центре меньше, чем под снегоступами. И такие объекты вполне можно использовать как естественные аналоги аэрогелевой панели Stardust [https://en.wikipedia.org/wiki/Stardust_(spacecraft)]. За несколько лет пребывания в космосе кусок аэрогеля размером с теннисную ракетку перехватил несколько частиц межзвездной пыли - она и стала первым образцом материала других солнечных систем, доставленным на Землю. Cнежки-оортоиды тоже перехватывают межзвездный материал, но могут иметь в миллионы раз большую поверхность захвата и в миллиард раз большую экспозицию. Тут даже нулевого приближения достаточно - цифры оказываются огромными.
Суммарное количество межзвездного материала, перехваченного километровым оортоидом, может составлять многие тысячи тонн, а на самых больших снежках - и миллионы. В такой массе наверняка найдется что-то интересное для экзобиологов. Отыскать подходящий снежок - не так просто, как девятую планету, но уже следующий класс обзорных телескопов после LSST это сможет.
Конечно, для уверенного отыскания объекта с подходящими свойствами, скорее всего, придется искать среди двойных оортоидов, по периоду обращения в системе которых можно вычислить массу и плотность компонентов.
После чего останется только слетать, сублимировать снег ядерным реактором, и привезти на Землю кучу межзвездных камней)
P.S. Этот метод сбора межзвездного материала хорош еще и естественным разделением. Медленные обломки, вылетающие из нашей собственной системы, оказываются в поверхностных слоях, а межзвездные метеороиды, имеющие гораздо большую скорость, проникают на большую глубину, и определить вероятное происхождение фрагмента можно просто по его размеру и глубине залегания.