Шаги к постоянной Хаббла. Авторы и права: НАСА, ЕКА и А. Фейлд (STScI).
Поиски внеземного разума (SETI) всегда сопровождались неопределенностью. Имея в качестве примеров только одну обитаемую планету (Земля) и одну технологически развитую цивилизацию (человечество), ученые все еще ограничиваются теоретизированием о том, где могут находиться другие разумные формы жизни (и чем они могут заниматься).
Шестьдесят лет спустя ответ на знаменитый вопрос Ферми («Где все?») остается без ответа. С другой стороны, это дает нам множество возможностей выдвинуть гипотезу о возможных местах, деятельности и техносигнатурах, которые смогут проверить будущие наблюдения.
Одна из возможностей заключается в том, что рост цивилизаций ограничен законами физики и несущей способностью планетарной среды — так называемой гипотезой теории просачивания. В недавнем исследовании команда из Филиппинского университета в Лос-Баносе вышла за рамки традиционной теории просачивания и рассмотрела, как цивилизации могут расти в трех различных типах вселенных (статической, с доминированием темной энергии и с доминированием материи). Их результаты показывают, что, в зависимости от модели, разумная жизнь имеет ограниченное количество времени, чтобы заселить Вселенную, и, вероятно, будет делать это экспоненциально.
Исследование провели Аллан Л. Алинеа и Седрикс Джейк К. Джадрин, доцент кафедры физики и преподаватель Института математических наук и физики Филиппинского университета в Лос-Баносе. Препринт их статьи «Проникновение «цивилизации» в гомогенную изотропную вселенную» недавно был размещен на сервере препринтов arXiv.
В своем исследовании команда рассмотрела, как традиционную теорию перколяции можно интерпретировать с точки зрения логистической функции роста (LGF), где темпы роста населения на душу населения уменьшаются по мере того, как размер населения приближается к максимуму, налагаемому ограничениями местных ресурсов (т. емкость).
Теория перколяции
Вкратце, теория перколяции описывает, как ведут себя сети при удалении узлов или связей, при этом они разбиваются на более мелкие связанные кластеры. Первый известный пример применения этой теории к парадоксу Ферми, возможно, был сделан Карлом Саганом и Уильямом И. Ньюманом в 1981 году. В статье под названием «Галактические цивилизации: динамика населения и межзвездная диффузия» они утверждали, что причина, по которой человечество не встреченных внеземных цивилизаций (внеземных цивилизаций) связано с тем, что межзвездные исследования и заселение не являются линейными явлениями.
В отличие от гипотезы Харта-Типлера, которая утверждает, что развитые внеземные цивилизации давно колонизировали нашу галактику (следовательно, они не существуют), Саган и Ньюман постулировали, что межзвездные исследования являются вопросом диффузии. Джеффри А. Лэндис аргументировал те же самые взгляды в своей статье 1993 года «Парадокс Ферми: подход, основанный на теории перколяции», где он утверждал, что законы физики налагают ограничения на межзвездный рост. По словам Лэндиса, от внеземных цивилизаций не следует ожидать «единства мотивов»:
«Поскольку это возможно, учитывая достаточно большое количество внеземных цивилизаций, одна или несколько наверняка взялись бы это сделать, возможно, по неизвестным нам мотивам. Колонизация займет чрезвычайно много времени и будет очень дорогой. Это вполне разумно. Человеческое общество состоит из смеси культур, которые исследуют и колонизируют, иногда на чрезвычайно большие расстояния, и культур, которые не имеют никакого интереса при этом».
Аналогичным образом, профессор Адам Франк и его коллеги из Центра НАСА по изучению экзопланетных систем (NExSS) в 2019 году написали статью под названием «Парадокс Ферми и эффект Авроры: заселение экзоцивилизаций, расширение и устойчивые состояния». Вдохновленные романом Кима Стэнли Робинсона «Аврора» 2015 года, они утверждали, что межзвездное заселение будет происходить скоплениями, поскольку не все потенциально обитаемые планеты будут гостеприимны для инопланетных видов. Короче говоря, законы физики, биологии и эволюции накладывают ограничения на то, насколько далеко и быстро тот или иной вид может заселить нашу галактику.
Чтобы ограничить эти ограничения, команда рассмотрела три основные космологические модели Вселенной, включая статическую, с преобладанием материи и с преобладанием темной энергии. Статическая Вселенная, первоначально описанная Эйнштейном и его Космологической константой, бесконечна в пространстве и времени и не расширяется и не сжимается. Вселенная, в которой доминирует материя, описывает состояние Вселенной до 9,8 миллиардов лет после Большого взрыва, времени, когда плотность энергии материи превышала как плотность энергии излучения, так и плотность энергии вакуума.
Вселенная, в которой доминирует темная энергия, описывает последнюю фазу космической эволюции, которая началась примерно 9,8 миллиардов лет назад и характеризуется ускоренными темпами расширения. Команда также рассмотрела все три сценария с точки зрения функции логистического роста, чтобы определить количество планет, заселенных со временем. Из этого команда получила два параметра своего исследования: T — время, необходимое для установления сферического сечения идеальной Вселенной, которая является одновременно однородной и изотропной, и H — параметр Хаббла, который описывает скорость космического расширения. Закон Хаббла или закон Хаббла-Леметра.
Они обнаружили, что в статической вселенной заселение следует за LGF, подобно тому, как происходит рост населения, распространение инфекционных заболеваний и химические реакции. Как они отметили в своем исследовании, эти динамические системы следуют общей схеме, начиная с относительно медленного старта из-за ограниченности источников (в данном случае обитаемых планет). Но поскольку они продолжают расширяться и приобретать новые источники, их количество увеличивается, а распространение ускоряется. Это продолжается до тех пор, пока количество источников не начнет сокращаться и/или элементы системы не исчерпаются.
К своему удивлению, команда отметила подобное поведение, глядя на Вселенную, в которой доминирует материя и темная энергия. Как рассказала Universe Today доктор Алинея по электронной почте.
«Примечательно, что когда само пространство расширяется, как во вселенных, где доминирует темная энергия и материя, процесс заселения, по большей части, по-прежнему следует функции логистического роста. Мы не ожидали такого результата, потому что система с расширяющимся пространством Нам казалось, что она сильно отличается от статической системы. Большинство известных нам исследований по просачиванию основаны на статической решетке (например, распространение лесных пожаров, распространение болезней, распространение информации), где обычно наблюдается поведение логистического роста. исследование «расширяет» это поведение на случаи, когда решетка расширяется, как наша собственная Вселенная».
Тем не менее, они обнаружили, что в расширяющейся Вселенной существует задержка в скорости расселения по сравнению со статической. Для Вселенной, в которой доминирует темная энергия, они обнаружили, что общее время урегулирования (T) было отмечено расхождением для достаточно большой скорости расширения (H). В соответствии с законом Хаббла, когда H достаточно велика, некоторые планеты расширятся за горизонт и станут «недосягаемыми». По сути, далекие планеты могут удаляться быстрее, чем скорость света, что делает маловероятным, что расширяющаяся цивилизация когда-либо достигнет их.
Они также обнаружили, что в тех случаях, когда сфера Хаббла (H) была меньше, соотношение между T и H было линейным — другими словами, T было примерно равно H (T ~ H). Их результаты показали, что для вселенной, в которой доминирует материя, там, где H было столь же мало, применялось то же соотношение, но где H становилось больше, соотношение значительно менялось до T ~ H2. По сравнению со Вселенной, где доминирует темная энергия, T не увеличивалась экспоненциально и не достигала бесконечности, если только H не было бесконечным. Сказал Алинар:
«Это интересно, потому что вселенная, в которой доминирует материя, также характеризуется горизонтом. Это означает, что для планет, достаточно удаленных от эталонной планеты в этой вселенной, они удаляются со скоростью, превышающей скорость света, создавая впечатление, что они недостижимы. Однако для вселенной, в которой доминирует материя, в соответствии с уравнением Фридмана, сопутствующая сфера Хаббла сжимается, а не расширяется. скорость света) «замедляются», что делает их достижимыми, по крайней мере, в принципе».
Так где они?
На основе своих результатов команда определила, что развитые цивилизации, как правило, будут следовать тенденции роста, которая начинается медленно, но со временем будет набирать обороты, в конечном итоге замедляясь и останавливаясь по мере исчерпания числа «достижимых» планет. Как описал д-р Алинеал: «Эта модель характеризуется трехфазной моделью: медленная ставка расчета –> быстрая ставка расчетов –> медленная ставка расчетов». Остается вопрос: что это означает для извечного вопроса Ферми? Как эта трехфазная модель поможет нам уточнить поиск развитых цивилизаций, распространяющихся по галактике?
На это команда приходит к выводу, что наша галактика в настоящее время может находиться в фазе I, характеризующейся медленными темпами заселения. Это может быть связано с тем, что сейчас лишь несколько разумных, развитых цивилизаций занимаются межзвездным заселением. «Эта медленная фаза может усугубляться большими расстояниями между «живыми» планетами. Но как только будет достигнуто определенное количество путешествующих цивилизаций, мы можем войти в фазу II, характеризующуюся быстрым темпом заселения. Если после входа в эту фазу будет достаточно времени, мы, наконец, сможем поздоровайтесь с инопланетянами там».
Более того, их результаты рассматривают возможность того, что человечество когда-нибудь станет межзвездным видом, возможно, в качестве средства обеспечения дальнейшего выживания и развития нашего вида. Это представляет собой проблему в постоянно расширяющейся и постоянно ускоряющейся Вселенной, в которой доминирует темная энергия. Но, как резюмировал доктор Алинеал, есть варианты:
«Учитывая достаточно технологий, чтобы путешествовать со скоростью, близкой к скорости света, по-прежнему сложно достичь любой планеты во Вселенной, особенно далеких планет. При этом существует сферическая часть этой вселенной с центром в нашем местоположении, чьи планеты достижимы, по крайней мере в принципе, для возможного заселения. За пределами этого есть планеты, которые «уходят» от нас со скоростью, превышающей скорость света, и могут быть недостижимы. К сожалению, эта сфера сжимается, поэтому часть Вселенной то, что мы можем населить, хотя и велико в человеческих масштабах, со временем становится все меньше и меньше».
«Если существует механизм, приводящий Вселенную в такое состояние, при котором скорость ее расширения будет такой же или близкой к скорости расширения вселенной, в которой доминирует материя, то нам посчастливится иметь вселенную, которую в принципе можно колонизировать. на любое расстояние от нас; то есть колонизация и человеческое влияние во вселенной не ограничены какой-либо сферой, в отличие от сферы вселенной, в которой доминирует темная энергия».
Подводя итог, можно сказать, что ответ на вопрос Ферми может заключаться в том, что развитые цивилизации находятся на ранней, медленной фазе расширения, которая (пока) не позволяет нам установить контакт. Но по мере того, как сферический объем пространства Хаббла (H), который мы могли бы занять, расширяется, у нас больше шансов подобраться достаточно близко к кому-то еще, чтобы наконец понять, что мы не одиноки во Вселенной. Точно так же, хотя темная энергия может ограничивать то, как далеко мы можем достичь (в пределах нашей галактики, ненамного дальше), достаточный объем космоса позволит нам продолжать развитие и может предотвратить единую катастрофическую судьбу, которая уничтожит весь наш вид.
И кто знает? Возможно, космическое расширение не будет продолжаться так, как последние 4 миллиарда лет, и Вселенная замедлится и достигнет своего рода гомеостаза — того типа, в который предпочитал верить Эйнштейн. В этом случае наши сферы Хаббла могут продолжать расширяться бесконечно. , и не будет недостатка в смешении космических цивилизаций. Это действительно открывает некоторые захватывающие перспективы, не так ли?
Информация от: Universe Today
