Человек и формула. Как Фрэнк Дрейк искал внеземные цивилизации.

Дрейк, который скончался в начале сентября, мог бы стать авиаконструктором или «обычным» астрономом, но череда случайностей и мечты о других мирах сделали его отцом программы SETI — программы поиска радиосигналов от внеземных цивилизаций. Рассказываем о том, как рождался первый проект по поиску инопланетного разума, историю уравнения Дрейка и самого знаменитого радиопослания, отправленного с Земли к далеким звездам.

Столовой у американской Национальной радиоастрономической обсерватории (NRAO) весной 1959 года еще не было, поэтому сотрудники — их было тогда лишь несколько человек — ездили обедать за несколько километров в закусочную Ryder’s Diner, где они сидели за одним столом. Порой к ним присоединялся и директор — бывший офицер Белой армии и потомок династии астрономов Отто Людвигович Струве.

Во время одного из таких обедов Фрэнк Дрейк, выждав момент, как бы невзначай сказал: «Ну и дела, наш новый радиотелескоп может обнаружить сигналы, исходящие от некоторых ближайших звезд солнечного типа, и, может быть, стоит попробовать провести наблюдения, ведь, насколько нам известно, практически у каждой звезды на небе может существовать цивилизация».

Шалость удалась — на тот момент регламенты NRAO не требовали от ученых писать заявки на наблюдения, не было конкурсов на наблюдательное время, достаточно было одобрения директора, которое Дрейк получил тут же, за тем же столом в дайнере.

Так начался проект «Озма» — первая практическая попытка услышать сигналы внеземных цивилизаций, первый шаг в цепочке программ SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence). Дрейк назвал его в честь принцессы Озмы из цикла книг о Стране Оз писателя Фрэнка Баума, чтобы внести в него дух поисков «далекой, труднодоступной страны, населенной странными и экзотическими существами», на роль которой вполне подходили другие планетные системы и иные цивилизации.

Однако путь к этому моменту у Дрейка занял многие годы. По его воспоминаниям, идея, что где-то во Вселенной могут быть другие обитаемые миры, захватила ум Дрейка еще в восьмилетнем возрасте. В 17 лет он поступил в Корнеллский университет, надеясь стать авиаконструктором, однако затем перешел на инженерную физику. Он записался на курс астрономии и даже сделал маленький телескоп.

В 1951 году Дрейк оказался слушателем курса лекций приглашенного профессора (и, как потом окажется, своего первого начальника) Отто Струве. Научные работы Струве были посвящены спектроскопии звезд, однако он оставил след и в планетной астрономии — в 1952 году он описал метод радиальных скоростей на примере системы «звезда — газовый гигант», который в дальнейшем стал одним из основных способов поиска экзопланет. Метод заключается в том, что если у звезды есть планета, то светило будет вращаться не вокруг своего центра, а вокруг общего центра масс, что проявится в небольшом доплеровском смещении ее спектра. Чем ближе к звезде и массивнее будет планета, тем больше будет смещение.

Визуализация метода радиальных скоростей.

Alysa Obertas / Wikimedia Commons

Однако на тот момент до открытия первых экзопланет оставалось еще 40 лет. На финальной лекции Струве рассказал, что данные спектроскопических наблюдений говорят о том, что многие звезды вращаются медленнее, чем предсказывают расчеты. Это говорит о том, что они могут обладать планетными системами, способными «уносить» большую часть начального углового момента звезды, а значит жизнь способна существовать где-то еще помимо Земли. И Дрейк воспринял этот вывод всерьез.

Осенью 1955 года, после службы во флоте, Дрейк поступил в аспирантуру Гарварда на астрономическое отделение. У него был опыт работы с электроникой, из-за чего Дрейку порекомендовали пойти в радиоастрономию. В 1957 году, во время наблюдений за звездным скоплением Плеяды в радиообсерватории Дрейк неожиданно увидел в данных посторонний сигнал, который исходил от аппаратуры радиолюбителя, экспериментировавшего неподалеку. Однако в первый момент ученый подумал о сигналах другой цивилизации, испытал вспышку восторга — и не забыл ее.

В 1958 году Дрейк, защитивший диссертацию об исследовании нейтрального водорода в галактических скоплениях, стал одним из трех сотрудников только что созданной NRAO, у которой тогда не было ни одного телескопа. Только в начале 1959 года в обсерваторию прибыли части первого 42-метрового радиотелескопа, однако его строительство не задалось — возникли проблемы с одной из массивных осей антенны. Как выяснилось, она была сделана из стали, которая могла растрескиваться при низкой температуре.

Решением стала покупка 26-метрового радиотелескопа, который весной 1959 года уже был готов к работе.

26-метровый радиотелескоп Говарда Тейтеля, использовавшийся в проекте «Озма».

NRAO

Ученые стали подыскивать проекты наблюдений, которые можно реализовать при помощи нового инструмента, проигрывавшего своему неработавшему «собрату» по чувствительности, и, как позднее вспоминал Дрейк, это было время быстрых открытий — радиационные пояса Юпитера, строение центра Млечного Пути. 

Дрейк решил подсчитать, на каком расстоянии их новый телескоп, мог бы фиксировать радиосигналы, покидающие Землю. Он получил ответ «10–20 световых лет» и понял — это расстояние до ближайших звезд, а значит первый телескоп NRAO сможет услышать радиосигналы от иных цивилизаций, если они обитают рядом с соседними звездами. Он хочет провести подобные наблюдения, но для этого надо получить одобрение руководства, которое может и отказать. Однако Дрейк помнил, что Струве верил во множественность обитаемых планет, а значит нужно просто выбрать удобный момент для предложения.

И он настал, в ходе той самой беседы в дайнере, положившей начало поискам внеземного разума.

Однако Дрейк и его коллеги боялись, что коллеги и общественность поднимут их на смех, сочтя эти исследования научной фантастикой, сама обсерватория, которая только начала свою работу, станет мишенью для критики, и возможно, окажется под угрозой сокращения финансирования. Поэтому ученые решили, что «Озма» будет оставаться в тайне, пока это возможно, а оборудование, созданное для нее, должно быть полезно и для задач в области «обычной» астрономии.

Для маскировки поисков внеземного разума была подобрана «нормальная» научная задача — изучение магнитных полей в галактических межзвездных облаках путем обнаружения эффекта Зеемана при наблюдениях на длине волны 21 сантиметр, относящейся к нейтральному водороду.

Пока ученые собирали приборы для регистрации сигналов и готовились к наблюдениям, «грянул гром» — в свет вышла научная статья физиков-ядерщиков Джузеппе Коккони и Филипа Моррисона, в которой обосновывалась значимость 21-сантиметровой линии как универсальной для цивилизаций и пригодной для установления межзвездной связи, а также описывались звезды-кандидаты для целенаправленных поисков радиосигналов от них.

Статья заканчивалась фразой: «Вероятность успеха трудно оценить, но если мы никогда не будем искать, то шансы на успех равны нулю».

Дрейка и других астрономов статья вдохновила, подтверждая правильность выбора 21-сантиметровой линии, который был сделан по совершенно другим причинам.

Однако Струве очень расстроился, так как статья сулила финансовую поддержку другому проекту, оставляя усилия команды Дрейка в тени. Он решил предать проект огласке и рассказал об «Озме» на лекции в Массачусетском технологическом университете, что вызвало волну внимания со стороны прессы, от которой ученым в дальнейшем пришлось отбиваться.

Общий бюджет «Озмы» составил всего около двух тысяч долларов, а на сборку оборудования ушло восемь месяцев.

Первые наблюдения по программе «Озма» состоялись 11 апреля 1960 года, их целями стали близкие солнцеподобные звезды Тау Кита и Эпсилон Эридана. После первых шести часов безрезультатных наблюдений за Тау Кита антенну перенаправили на Эпсилон Эридана и почти сразу же были обнаружены интенсивные радиоимпульсы, которые через несколько минут пропали.

Страница лабораторного журнала с записями о наблюдениях в рамках «Озмы» в период с 11 по 16 апреля.

NRAO / AUI / NSF

Как позже вспоминал Дрейк, все были ошарашены — неужели для того, чтобы найти внеземной радиосигнал, нужно всего лишь направить телескоп на случайную звезду? Ученые были так удивлены и так не готовы к происходящему, что не знали, что делать — просто молча смотрели друг на друга. Возможно что-то с оборудованием? Первое, что сделал Дрейк, это побежал по комнате управления, проверяя все соединения, провода и приборы — о том, что нужно отвести телескоп от звезды, тогда никто не подумал (в этом случае сигнал пропадет, если не исходит от самой звезды). Дальнейший, уже более спокойный анализ данных показал, что сигналы исходили не от космического источника (например, пульсара), а от земного, возможно это была одна из бортовых систем самолета.

Общее время наблюдений в рамках проекта составило около 200 часов, они велись с апреля по июль 1960 года, по шесть часов в сутки. Вначале ученые корпели над анализом лент с самописцев, затем стали модернизировать приемную систему первыми цифровыми приборами. Не обошлось без инженерных причуд — «драматическим прорывом» по словам Дрейка стал момент, когда один из членов проекта приделал веревку к кнопке, активирующей печать нужных показаний, чтобы не бегать к ней постоянно из комнаты в комнату, вставая с мягкого кресла. Вскоре исследователи обзавелись даже первым компьютером, которым был IBM 610. Однако за два месяца больше ничего не произошло — обе звезды хранили молчание.

Комната управления радиотелескопом, использовавшаяся во время проекта «Озма».

NRAO / AUI / NSF

В 1985 году Дрейк, выступая на конференции по поискам внеземных сигналов, посвященной 25-летию «Озмы», отметил, что за прошедшее время технические возможности поисковых систем выросли во много раз, что сильно сократило бы время наблюдений и увеличило чувствительность «Озмы». Однако это была лишь первая ступенька на пути к полномасштабным международным исследованиям по программе SETI.

Формула внеземной жизни

После «Озмы» Дрейк, воодушевленный растущим интересом к SETI со стороны ученых и широкой общественности, решил больше не держаться в тени и организовал в ноябре 1961 года небольшую конференцию по проблеме поисков внеземной разумной жизни. Ее председателем стал Отто Струве, а среди участников были биохимик Мелвин Кальвин, которому прямо во время встречи сообщили, что он получил Нобелевскую премию, соавтор первой статьи по SETI Филип Моррисон и планетолог Карл Саган, который в дальнейшем будет коллегой Дрейка по SETI.

Готовясь к конференции, Дрейк вывел формулу, которую считают вторым по известности уравнением в науке после формулы Эйнштейна. Записывается она так:

N=R∗×fp×ne×fl×fi×fc×L,

где N означает количество цивилизаций в галактике Млечный Путь, от которых можно обнаружить электромагнитное излучение, R∗ — количество звёзд, рождающееся в Млечном Пути за год, fp — доля звезд, обладающих планетами, ne — доля планет (и их спутников) с условиями, подходящими для зарождения и развития жизни, в планетной системе, fl — доля подходящих для жизни планет, на которых она действительно зарождается и эволюционирует в более сложные формы, fi — доля планет, где возникают разумные существа, fc — доля планет, где разумные существа достаточно технологически развиты, чтобы обладать интересом к установлению межзвездной связи, L — среднее время жизни технологической цивилизации

Как отмечал сам Дрейк, его формулу можно сравнить с оценкой количество студентов в университете — нужно подсчитать количество новых студентов (первокурсников), поступающих каждый год, и умножить это число на среднее количество лет, которое студенты проведут в университете. В случае формулы Дрейка показатель «первокурсников», намеревающихся выйти в межзвездный радиоэфир, содержит в себе первые шесть членов уравнения, а последний член дает средний срок их пребывания в эфире.

На момент создания уравнения практически ни один из семи его членов не был известен, за исключением первого — скорости образования звезд. Каждый из первых шести членов, по мнению участников конференции, мог находиться в диапазоне от 0,1 до 1, а седьмой член — в диапазоне от нескольких сотен лет до сотен миллионов лет для тех цивилизаций, которые не уничтожили себя войной или истощением планетарных ресурсов.

На сегодняшний день прогресс в понимании членов уравнения крайне скромен — благодаря открытиям более пяти тысяч экзопланет, часть из которых находятся в обитаемой зоне своих звезд, мы можем лишь пытаться давать приблизительные оценки второму и третьему членам.

Как считал Дрейка, согласно его формуле необходимо изучить 10 миллионов звезд, чтобы отыскать одну подходящую для внеземной жизни, однако нет никаких гарантий, что жизнь там действительно есть, разумна и ведет передачу сигнала на нужной землянам частоте. Некоторые исследователи предлагали модифицировать формулу или даже отказаться от нее, однако она по-прежнему остается важным элементом для дискуссий о внеземной жизни.

Послание Аресибо

В 1963 году Дрейк покинул NRAO и перешел в Лабораторию реактивного движения NASA, однако спустя год ушел оттуда, не свыкшись с бюрократией и бумажной работой.

Он стал директором обсерватории Аресибо, в распоряжении которой был знаменитый 300-метровый радиотелескоп, где инициировал ряд программ SETI, часто в сотрудничестве с Карлом Саганом. Днем ​​16 ноября 1974 года, в рамках церемонии, посвященной открытию радиотелескопа после модернизации, в космос отправилось, пожалуй, самое известное (первым было советское «Мир, Ленин, СССР») радиопослание человечества к другим мирам, названное «Посланием Аресибо». По словам ученых сообщение носило чисто символический характер и было демонстрацией технических достижений.

Передача модулированного сигнала велась на частоте 2380 мегагерц, а само сообщение состояло из 1679 битов — это число, как утверждал Дрейк, любое разумное существо распознает как произведение простых чисел 73 и 23. При правильной интерпретации сообщение преобразуется в картинку, состоящую из семи частей. В первой части закодированы числа от 1 до 10, во второй — атомные номера водорода, углерода, азота, кислорода и фосфора, необходимых для существования жизни, в третьей — молекулярные формулы сахаров и азотистых оснований, из которых состоят нуклеотиды, составляющие молекулу ДНК, в четвертой — сама двойная спираль ДНК и количество пар нуклеотидов в ДНК человека. Пятая часть посвящена человеку (его фигуре, среднему росту и общей численности населения Земли), шестая представляет собой карту Солнечной системы с выделенной Землей, а седьмая — размеру и форме радиотелескопа Аресибо, который уже успел разрушиться.

Графическое представление «Послания Аресибо» и его расшифровка.

Planetary Habitability Laboratory / University of Puerto Rico at Arecibo

Сигнал был послан в направлении шарового звездного скопления М13 в созвездии Геркулеса, до которого он доберется через 25 тысяч лет — и столько же понадобится для передачи ответного сигнала (если будет кому его посылать).

Снимок скопления М13, полученный телескопом «Хаббл».

NASA

Несмотря на такие огромные временные сроки для человечества, сообщение вызвало споры в научной среде — некоторые исследователи опасались, что ученые раскрыли существование цивилизации на Земле любой инопланетной цивилизации, которая не обязательно будет дружественной. Однако на данный момент любые антропогенные радиосигналы, покинувшие Землю, распространились в радиусе 100 световых лет, а сама Земля для удаленного радиотелескопа должна казаться ярче, чем Солнце. Тем не менее, никаких вторжений инопланетян за это время не случилось.

В 2022 году международная группа ученых предложила проект «Маяк в Галактике» по отправке радиосигнала, похожего на «Послание Аресибо», в район центра Млечного Пути. Согласно описанию сигнала он будет содержать 13 разделов, преобразуемых в графику, а также значение частоты волны, на которой нужно отправить ответ к Земле гипотетическому получателю межзвездного «письма».

Великое молчание

Помимо поисков и отправки радиосигналов Дрейк преуспел и в деле создания материальных посланий человечества иным мирам.

Он участвовал с Карлом Саганом в разработке рисунков на металлических пластинах, установленных на зондах «Пионер», а также золотых пластинок, находящихся на борту зондов «Вояджер», для которых ученые создали метод записи не только звуков и музыки, но и изображений.

Общий вид пластин «Пионеров».

Wikimedia Commons

До последних дней Дрейк был в руководстве Института SETI, а также участвовал в организации первой в истории международной конференции по поиску внеземного разума, прошедшей в 1971 году в Бюраканской обсерватории в Армении, где среди присутствующих был и астрофизик Николай Кардашев, создавший классификацию внеземных цивилизаций в зависимости от уровня энергопотребления, а также Иосиф Шкловский и Карл Саган. Он был также в руководстве проекта Breakthrough Listen, который финансируется миллиардером Юрием Мильнером и нацелен на «прослушивание» в радиоволнах одного миллиона ближайших звезд и центров 100 галактик.

Поиски внеземных радиосигналов ведутся и по сей день в рамках целого ряда наблюдательных программ с использованием наземных радиотелескопов, а наиболее интересным диапазоном частот считается «Водяная дыра» (от 1420 до 1720 мегагерц), которая выглядит «тихим» на фоне межзвездного радиошума и ограничена линиями излучения атомарного водорода и гидроксила.

Положение «Водяной дыры» на диаграмме «Шумовая температура—частота излучения».

University of California, Berkeley

Однако пока что все найденные кандидаты в узкополосные радиосигналы, даже от землеподобных планет или планет у самой близкой к Солнцу звезды, на поверку оказываются антропогенными сигналами. Вселенная по-прежнему хранит молчание.

Александр Войтюк

Источник