Kur jūs, ateiviai? Gyvybės paieška Saulės sistemoje (I dalis)

Turbūt vienas iš svarbiausių egzistencinių klausimų, į kuriuos bandė ir tebebando atsakyti žmonija, yra „ar mes vieniši Visatoje?“. Kol kas vienareikšmiško atsakymo nesulaukėme, nors bandymų būta, ir ne vieno. Visgi nueitas jau nemažas kelias, bandant suprasti gyvybės prigimtį ir galimybes jai egzistuoti kitose planetose. Ir nors tai daugiausia teoriniai skaičiavimai ir filosofiniai pamąstymai, jie yra ne ką mažiau įdomūs, nei pro teleskopą pamatytas mums mojuojantis trigalvis aštuonkojis iš Kentauro alfos.

Senoviniai ieškojimai

Kaip ir daugelis kitų egzistencinių klausimų, šis ramybės žmonijai nedavė labai seniai. Juk didžioji dalis geografinių atradimų taip pat paremti bandymais išsiaiškinti, ar „ten, kažkur labai toli“ yra kažkokių į mus panašių padarų. Ir nesvarbu, ar tas „labai toli“ yra kita miško pusė, sunkiai įveikiamo kalnyno atskirta zona, Amerika, ar Marsas. Šiuo požiūriu bandymas rasti gyvybę kitose planetose nelabai skiriasi nuo Naujojo pasaulio tyrinėjimų. Net ir metodai kažkuo panašūs – į tolimą kraštą išsiųsta ekspedicija gauna kažkokios informacijos, pargabena ją atgalios ir visa tai bandoma suprasti. Ir nors XV a. Europoje būdavo pasakojama apie vienakojus vienaakius padarus Afrikos glūdumoje, o XXI a. Žemėje kalbama apie galimus biologinės veiklos pėdsakus Marso dulkėse, kol kas negalime atsakyti, ar pastarasis aiškinimasis yra nors kiek arčiau tiesos, nei tie ankstyvųjų Afrikos „tyrinėtojų“ prasimanymai.

Visgi vienas esminis skirtumas tarp geografinių atradimų praeityje ir dabartinių kosminių tyrinėjimų egzistuoja. Tolimus Žemės kampelius pamatyti galėjome tik į juos nukeliavę, o kitas planetas galime matyti ir pro teleskopus. Ir, daugeliu atvejų, būtent teleskopai yra vienintelis informacijos apie jas šaltinis. Tenka sugalvoti būdų, kaip teleskopais gaunamus duomenis interpretuoti ir įvertinti gyvybės egzistavimo galimybes. Čia iškyla ir pagrindinė problema – mes beveik visiškai negalime įsivaizduoti, kokia ta nežemiška gyvybė yra. Natūralus noras būtų tikėtis aptikti kažką panašaus į žmones, bet toks noras moksliškai nėra pagrįstas. Ir visgi kažkiek apsibrėžti tai, ko ieškoma, reikia, nes kitaip pasiklysime kosmoso platybėse ir net jei pro šalį praskris ištiestas draugystės čiuptuvas, praleisime jį pro akis, įdėmiai tyrinėdami intelekto požymius Saulės žybsniuose.

Pirmoji klaida – bandymas rasti kažką panašaus į mums pažįstamą gyvybę – davė daug peno fantastams. Bet ne tik jie pakliuvo į šias pinkles; mokslininkai taip pat ne kartą yra apsigavę. Štai XIX a. ir netgi praėjusio šimtmečio pradžioje daugelis astronomų buvo įsitikinę, kad Marse egzistuoja gyvybė. Viskas prasidėjo nuo kelių stebėjimų, kurių metu buvo aptiktos lyg ir tiesos linijos, besidriekiančios Marso paviršiumi. Taip pat XIX a. buvo išsiaiškinta, kad Marso dienos ilgis panašus į Žemės, taip pat labai panašūs ir ašies posvyriai į orbitos plokštumą. Taigi Marse irgi egzistuoja metų laikai. Pro teleskopus buvo matomi pokyčiai planetos paviršiuje, kintantys kartu su tais metų laikais. Padaryta, regis, natūrali išvada, kad tuos pokyčius nulemia kintanti augmenija, panašiai kaip ir Žemėje. O tiesios linijos priminė kanalus, kurie XIX a. Žemėje dygo kaip grybai po gero lietaus. Taip po truputį teorija apie Marse egzistuojančią gyvybę tapo kone visuotinai pripažinta. Ir tik XX a. pirmoje pusėje, gavus žymiai detalesnes raudonosios planetos nuotraukas, paaiškėjo, kad tai yra rausvų dykumų kraštas, o paviršiaus vaizdas kinta dėl dulkių audrų ir kintančio poliarinių kepurių dydžio. Kažkas panašaus į tiesius kanalus yra tiesiog kalnagūbrių metami šešėliai, kurie šiaip visai ne tiesūs, bet su mažais teleskopais taip galėjo pasirodyti.

Nors, pagerėjus teleskopams, Marso paviršius buvo detaliai išnagrinėtas, kita Žemės kaimynė Saulės sistemoje, Venera, tokiems stebėjimams nepasidavė. Kad ir kokie geri teleskopai buvo XX a. pradžioje, Veneros vaizdas liko išskydęs. Panagrinėjus detaliau, paaiškėjo, kad šią planetą, priešingai nei Marsą, dengia storas debesų sluoksnis. Toliau šioje istorijoje seka keletas, sakykime, įdomių išvadų. Pirmiausia nuspręsta, jog debesis sudaro vandens garai, kaip ir Žemėje. Na, o jei visą planetą dengia debesys, tai po jais turi būti labai daug vandens, taigi labai drėgna. Drėgnas paviršius? Savaime suprantama, tai pelkės. O kur yra pelkių, ten ir paparčiai auga. O gal net ir dinozaurai braidžioja? Šią istoriją labai šauniai apibendrino Karlas Saganas (Carl Sagan): „Stebėjimai – visiškai nieko nematome. Išvados – dinozaurai.“

Šios dvi istorijos puikiai iliustruoja, kokių problemų gali kilti, jei padaroma per daug prielaidų apie kitų pasaulių panašumus į mūsiškį. Mokslininkai šitą jau suprato ir stengiasi tokią klaidą daryti kuo rečiau. Tačiau kai kurie panašumai į Žemėje sutinkamą gyvybę greičiausiai yra tikėtini.

Gyvybės visuotinumai

Pirmas panašumas tarp gyvybės Žemėje ir kitur – cheminė sudėtis. Žemės gyvybė yra paremta anglimi, deguonimi ir vandeniliu (šie trys elementai sudaro maždaug 93 % žmogaus kūno masės), kitų cheminių elementų (pvz. fosforo ir azoto), nors jie ir būtini, yra gerokai mažiau. Galima būtų manyti, kad tai tėra atsitiktinumas, kad kitur gyvybė išsivystytų visiškai kitokia, jei tik vystytųsi iš kitokių medžiagų sudarytoje aplinkoje. Ir tai yra visiška tiesa, tačiau turimi duomenys leidžia spręsti, kad aplinka gyvybei formuotis visur yra sudaryta iš tų pačių elementų. Vandenilis sudaro didžiausią regimosios materijos masės dalį Visatoje. Antras pagal masę yra helis, tačiau jis beveik su niekuo chemiškai nereaguoja, taigi mums nerūpi. Trečias ir ketvirtas gausiausi elementai – atitinkamai deguonis ir anglis. Toliau seka geležis, neonas, azotas, silicis ir kiti. Taigi nors priemaišų kiekiai įvairiose planetose gali skirtis, pagrindinės sudedamosios dalys turėtų išlikti vandenilis, deguonis ir anglis. Būtent šių elementų junginiai, tų junginių cheminės savybės ir galimi pėdsakai, reakcijų metu paliekami planetų spektruose, yra vienas iš labiausiai ieškomų gyvybės egzistavimo įrodymų. Savaime suprantama, ne visi junginiai gali reikšti gyvybę, tačiau egzistuojanti biosistema neabejotinai turėtų didelę įtaką daugelio junginių kiekiams, taigi ir aptikti ją būtų įmanoma analizuojant tolimos planetos spektrą.

Antras panašumas – energijos balansas. Gyvybė yra gana sudėtinga sistema, o gamta sudėtingumo nemėgsta. Visi natūralūs procesai vyksta taip, kad kiekvienoje uždaroje sistemoje laikui bėgant entropija (sistemos „netvarkingumo“ matas) didėja. Tai reiškia, kad sistema artėja prie didžiausio įmanomo chaoso būsenos; gali pasirodyti keista, tačiau tokia būsena yra visiška šiluminė pusiausvyra. Gyvybė, priešingai, evoliucionuoja į vis sudėtingesnes formas – nuo pradinių bakterijų ir dumblių iki dabartinės gyvų padarų įvairovės. Tam tikslui gyvi padarai sunaudoja labai daug energijos, kurią gauna, tiesiogiai arba netiesiogiai, iš Saulės. Kitose planetose turėtų būti panašiai – iš žvaigždės gaunama energija sukaupiama gyvų padarų ir panaudojama gyvybei palaikyti. Energijos kaupimui Žemės gyvybė yra prisitaikiusi įvairius cheminius junginius, pavyzdžiui ATP molekulę. Kiekvienas toks junginys taip pat turėtų palikti pėdsakus atmosferoje, kuriuos teoriškai galima būtų aptikti.

Trečias panašumas – tirpiklio būtinumas. Žemėje gyvybė atsirado vandenyje. Tai – tikrai ne atsitiktinumas. Vanduo yra skystis, leidžiantis cheminiams elementams pasiekti vieniems kitus ir maišytis tarpusavyje. Taip pat vanduo yra tirpiklis, galintis suskaldyti didesnes molekules į smulkesnes, taip išlaisvindamas jose esančią energiją. Įvairiems kitiems metaboliniams procesams vanduo taip pat yra būtinas. Vietoje vandens galbūt tiktų ir kitas skystas tirpiklis, tačiau tik nedaugelis cheminių elementų ar junginių išlieka skysti tokiame dideliame temperatūros intervale, kaip vanduo. Viena galima alternatyva – etanas, kuris lydosi -181oC temperatūroje, o garuoja – -89oC. Tačiau visgi vanduo yra laikomas svarbiausiu faktoriumi, reikalingu gyvybės atsiradimui, todėl gyvybės paieškos kitose planetose dažniausiai susiveda į vandens pėdsakų paieškas.

Gyvybės zona

Su vandens egzistavimu susijęs vienas dažnai naudojamas terminas, skirtas planetų tinkamumo gyvybei įvertinimui. Tai – vadinamoji „gyvybės zona“ (angl. habitable zone). Ši zona yra apibrėžiama kaip sfera, dažniausiai išreiškiama tiesiog vidiniu ir išoriniu spinduliu, aplink žvaigždę, kurioje esančioje planetoje gali būti skysto vandens. Jei planeta yra arčiau žvaigždės, temperatūra joje per aukšta ir vanduo egzistuoja tik garų pavidalu, o jei ji yra toliau, vanduo sustingęs į ledą. Dėl šio požymio zona dar vadinama „Auksaplaukės zona“ (angl. Goldilocks' zone), o planetos joje – „Auksaplaukės planetomis“ (angl. Goldilocks' planets).

Paprasčiausias būdas apskaičiuoti gyvybės zonos ribas – įvertinti žvaigždės šviesį, kurį sugeria planeta, padaryti prielaidą, kad visą tą energiją planeta išspinduliuoja kaip absoliučiai juodas kūnas, ir apskaičiuoti to juodo kūno temperatūrą. Gaunamas rezultatas yra ne visiškai tikslus, nes neatsižvelgiama į atmosferos poveikį (šiltnamio efektą), galimą planetos šildymą iš vidaus (pvz. dėl aktyvaus vulkanizmo), temperatūros skirtumus įvairiose planetos paviršiaus vietose ir kitus reiškinius. Šitaip apskaičiuota Saulės gyvybinės zonos išorinė riba yra arčiau Saulės, nei Žemė! Žemės vidutinė temperatūra būtų maždaug dešimčia laipsnių žemiau nulio, tačiau laimei, atmosfera ją pakelia keliomis dešimtimis laipsnių.


Skaičiuojant gyvybės zonos ribas prie kitų žvaigždžių, dažniausiai skaičiuojama beveik taip pat paprastai: planeta identiška Žemei, skiriasi tik žvaigždės parametrai. Galimas atmosferos poveikis pridedamas prie planetos temperatūros, ir tiek. Taigi šie skaičiavimai yra labai netikslūs, bet naudingos (ir vizualios) informacijos duoda, o to dažnai pakanka. Deja, taip skaičiuojant „pametama“ šiek tiek galimų gyvybei tinkamų akmenėlių danguje. Tai – didžiųjų planetų palydovai, kurie net ir būdami toliau nuo žvaigždės, nei gyvybinė zona, gali būti pakankamai pašildomi milžinės planetos. Taip pat aukščiau minėtos planetos, kuriose aktyvus vulkanizmas, gali būti gerokai šiltesnės, nei gaunama iš šių skaičiavimų.


Iš kitos pusės, toks paprastas skaičiavimas gali „gyvybei tinkamomis“ pakrikštyti planetas, kurios iš tikro gyvybei visiškai netinka. Nekalbu apie planetos sudėtį (dujinėse milžinėse į žemietišką panaši gyvybė greičiausiai neegzistuoja) ar kitas pačios planetos savybes. Pati žvaigždė savo planetų gyvybingumą gali nulemti ne tik šviesiu. Kitas labai svarbus aspektas – žvaigždės aktyvumas ir jos vėjo bei žybsnių stiprumas. Žvaigždės vėjas – tai energingų dalelių, protonų ir elektronų, srautas, sklindantis visomis kryptimis nuo žvaigždės. Jei vėjo kelyje pasitaikiusi planeta turi magnetinį lauką, šis neleidžia elektringoms dalelėms priartėti prie planetos paviršiaus. Žemėje ši kova tarp Saulės vėjo ir mūsų planetos magnetosferos matoma kaip šiaurės (ir pietų) pašvaistė, panašias Jupiterio ir Saturno pašvaistes galime matyti pro teleskopus. Tačiau toli gražu ne visoms planetoms taip pasisekė: Žemė turi magnetinį lauką dėl skystos geležies branduolio, Jupiteris ir Saturnas – dėl vandenilio srovių. Kitose planetose, kur tokių dalykų nėra, nėra ir magnetinių laukų, taigi Saulės vėjas netrukdomas pliekia planetos paviršių.

Net ir egzistuojančią magnetosferą stipresnis Saulės vėjo gūsis prispaudžia arčiau planetos. Jei mūsų Saulės aktyvumas smarkiai išaugtų, magnetosfera galėtų būti prispausta prie pat planetos paviršiaus ir nustotų saugoti mus nuo pražūtingo elektronų ir protonų lietaus. Kažkas panašaus greičiausiai vyksta planetose prie kitų žvaigždžių. Saulės aktyvumas (t. y. jos vėjo ir žybsnių stiprumas bei dažnis) yra gana mažas, palyginus su kitomis panašaus dydžio žvaigždėmis. Didesnės žvaigždės paprastai būna dar aktyvesnės.

Kuo tai blogai gyvybei? Ogi tuo, kad žvaigždės vėjo dalelės yra pakankamai energingos, kad suardytų molekules. Net ir Žemėje Saulės aktyvumo padidėjimai sukelia vėžinių susirgimų bangas. Jei magnetosfera mūsų nesaugotų, energingų dalelių kruša sudegintų visą gyvybę. Tokiomis sąlygomis nauja gyvybė susiformuoti tikrai negali, nes vos pradėjusios atsirasti, sudėtingėjančios struktūros yra suskaidomos kosminių spindulių. Taigi yra didelė tikimybė, kad net ir gyvybinėje zonoje (skaičiuojant pagal temperatūrą) esanti planeta, veikiama nuolatinio žvaigždės vėjo, gyva netaps. Tiesa, žvaigždės vėjo efektas gyvybei kol kas nėra detaliai apskaičiuotas, bet po truputį imama jį vertinti ir bandoma apibrėžti kitą gyvybinę zoną, paremtą būtent pražūtingos spinduliuotės poveikiu.


Dar vienas efektas, kenkiantis gyvybei, yra labai panašus į žvaigždės vėją. Tai – kosminiai spinduliai. Tai irgi yra protonų ir elektronų srautas, tik ateinantis ne iš konkrečios žvaigždės, bet iš kosmoso gelmių. Tokių dalelių energija – gerokai didesnė, nei žvaigždės vėjo; ji gerokai viršija netgi LHC pasiekiamus teraelektronvoltų eilės dydžio energijos lygius. Mums pasisekė, kad turime tą pačią magnetosferą ir atmosferą. Pirmoji nustumia dalį spindulių, o prasiskverbusieji susiduria su atmosferos atomais ir molekulėmis, šiuos suskaido, praranda daug energijos ir skyla į kitas daleles. Tos dalelės toliau sąveikauja su atmosfera ir po truputį suskyla į daug mažos energijos nekenksmingų dalelių. Šis procesas vadinamas atmosferine kaskada (angl. atmospheric cascade).

Jei planeta turėtų atmosferą, bet neturėtų magnetinio lauko, kosminiai spinduliai greičiausiai neturėtų didelės įtakos. Tačiau jei atmosfera yra reta arba jos išvis nėra, kosminių spindulių poveikis besiformuojančiai gyvybei būtų toks pat pražūtingas, kaip ir žvaigždės vėjo. Taip pat, kaip ir žvaigždės vėjo atveju, jei kosminių spindulių intensyvumas didesnis, tai ir apsisaugoti nuo jų sunkiau.

Iš kur atsiranda kosminiai spinduliai? Manoma, kad daugiausiai jų sukuria supernovų sprogimai. Taip pat jie gali atsirasti juodųjų skylių aktyvumo metu, ypač šioms paleidus materijos čiurkšles. Kad ir kokios būtų jų atsiradimo detalės, neabejojama, kad jų yra daugiau ten, kur didesnis žvaigždžių tankis. Kitaip tariant – kuo arčiau galaktikos centro, tuo daugiau kosminių spindulių. Šį pastebėjimą išreiškus skaičiais, galima apibrėžti galaktinę gyvybės zoną (angl. Galactic habitable zone) – galaktikos dalį, kurioje gali atsirasti gyvybė. Tiesa, kosminiai spinduliai nėra vienintelis šios zonos apibrėžimo dėmuo: taip pat svarbus metalingumas. Šis parametras, nurodantis santykinį sunkesnių už helį cheminių elementų kiekį aplinkoje (ar tai būtų tiesiog žvaigždė, ar galaktikos sritis), mažėja, tolstant nuo galaktikos centro. Kuo mažesnis metalingumas, tuo mažesnė tikimybė, kad sunkių elementų užteks planetoms susiformuoti. Taip apibrėžiama išorinė galaktinės gyvybės zonos riba.

Kaip matome, gyvybės zonos nėra labai tiksliai nustatyti „barjerai“, už kurių gyvybė niekaip negali atsirasti. Kai kurie mokslininkai išvis teigia, jog tokių sąvokų reikėtų atsisakyti ir tyrinėti kiekvieną planetą atskirai, nebandant pritempti jos parametrų prie apibendrintų „gyvybingumo“ kriterijų. Toks variantas, žinoma, būtų idealus, ir ateityje greičiausiai taip ir bus daroma. Tačiau kol kas mūsų turimi prietaisai neleidžia lengvai tyrinėti pavienių planetų, taigi apibendrinimai padeda bent jau įsivaizduoti, kokia tikimybė aptikti gyvybei tinkamą planetą kažkur toli kosmose.

Pristačiau keletą gyvybės paieškų bei įvertinimų aspektų. Toli gražu ne visus, tačiau manau, kad dabar jau galima kalbėti apie bandymus apskaičiuoti, kiek protingų civilizacijų egzistuoja Galaktikoje, kaip su jomis bandoma susisiekti ir kokios kitos gyvybės paieškos yra vykdomos. Apie šiuos (ir kitus) dalykus – antroje straipsnio dalyje.

"2011-03-21"