Время (в миллионах лет), необходимое для того, чтобы атмосфера экзопланеты достигла аномально низкого соотношения дейтерия к водороду по сравнению с межзвездным пространством вокруг нее, учитывая энергопотребление ее развитой цивилизации (в тераваттах), предполагая земную структуру. океан. М — масса земного океана. Фото: Дэвид К. Кэтлинг.
Внеземным цивилизациям требуется много энергии для продвижения по шкале Кардашева. Ископаемое топливо ограничено, энергия ветра и солнца не содержит углерода, но не так эффективна, как ископаемое топливо, а традиционная энергия ядерного деления зависит от поставок расщепляющегося материала и имеет проблему отходов. Таким образом, любой развитый инопланетный вид вполне может обратиться к ядерному синтезу для удовлетворения своих постоянно растущих энергетических потребностей (если только они не откроют еще более совершенные энергетические процессы, о которых мы еще не знаем).
Синтез дейтерия (D) — одна из простейших форм ядерного синтеза, при котором D соединяется с тритием или другим D. Поскольку, насколько нам известно, жизнь нуждается в воде, океаны в развитом мире могут поставлять ее в большом количестве в виде океанской воды.
На Земле вода содержит естественное незначительное количество тяжелой воды, при этом дейтерий заменяет один или оба атома водорода и существует в виде HOD или DOH и редко в виде D2O. Извлечение дейтерия из океана уменьшит соотношение дейтерия к водороду, D/H, в том числе в атмосферном водяном паре, в то время как гелий, образующийся в ядерных реакциях, уйдет в космос. Могут ли низкие значения D/H в атмосфере экзопланеты быть техносигнатурой долгоживущей, сверхразвитой внеземной жизни?
Именно этим некоторое время назад начал интересоваться Дэвид К. Кэтлинг из Вашингтонского университета. «Я мало что делал с этой зачаточной идеей, пока в прошлом году не стал соорганизатором встречи астробиологов в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии», — сказал он.
Когда в разработке находился сеанс мозгового штурма по SETI, он провел некоторый предварительный анализ, который в конечном итоге привел к трехстороннему сотрудничеству и статье на эту тему, которая появится в Astrophysical Journal и будет опубликована на сервере препринтов arXiv.
«Измерение соотношения D/H в водяном паре на экзопланетах, конечно, непростая задача», — сказал он. «Но это и не несбыточная мечта», согласно его анализу. Одним из больших преимуществ поиска низких значений D/H в атмосфере экзопланеты является то, что они сохранятся, даже если развитая жизнь вымерла на их планете или мигрировала, что увеличивает шансы обнаружения этой техносигнатуры.
На Земле, где человечество в настоящее время находится на уровне 0,73 по шкале Кардашева, природный дейтерий в океане составляет примерно один атом на каждые 6240 атомов водорода, или 35 граммов дейтерия на каждую тонну морской воды. (Это совокупное количество дейтерия 4,85 × 1013 тонн.) Отношение D/H в нашей атмосфере почти такое же. Дейтерий может сливаться сам с собой и в цепочке ядерных реакций в конечном итоге производит 335 гигаджоулей энергии на грамм дейтерия.
Используя Землю в качестве модели экзопланеты с развитой жизнью, Кэтлинг и его коллеги рассчитали, что мощность термоядерного синтеза примерно в 10 раз превышает прогнозируемую для людей в следующем столетии, примерно 100 ТВт в 2100 году для населения в 10,4 миллиарда человек (в пять раз больше, чем сегодня). Эти 1000 тераватт (ТВт) – что может быть небольшим количеством для продвинутых видов (или их роботизированных потомков!) – истощит значение D/H земного океана до значения, обнаруженного в местной межзвездной среде, примерно 16 частей на единицу. миллионов, примерно за 170 миллионов лет.
«Если бы соотношение D/H в воде экзопланеты оказалось существенно ниже [interstellar medium] ценности… это было бы странно и аномально», — пишет группа в своей статье.
Если бы случайно на их экзопланете океан составлял лишь несколько процентов от земного (так называемая «сухопутная планета»), то D/H достигла бы аномально низких значений примерно за 1–10 миллионов лет. Это примерно соответствует средней продолжительности жизни видов млекопитающих с тех пор, как удар Чиксулуб положил конец динозаврам, — около 3 миллионов лет.
Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса с более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте обновления о прорывах, инновациях и важных исследованиях — ежедневно или еженедельно.
Другие планеты имеют более высокие значения D/H, например Венера и Марс, но такие процессы, как безудержный парниковый эффект на Венере и процессы физического побега на Марсе, сделали обе планеты непригодными для жизни. Таким образом, более высокий D/H, чем у Земли, «вероятно, указывает на то, что планета проблематична с точки зрения обитаемости в геологических временных масштабах».
Подобные расчеты привели группу к предложению искать необычно низкую D/H в водяном паре планеты в качестве потенциальной техносигнатуры, которую они называют «потенциально обнаруживаемой на расстоянии».
Используя модель спектрального картирования переноса атмосферного излучения (SMART), они предложили конкретные длины волн для поиска среди линий излучения HDO и H2O. HDO имеет четкие линии в инфракрасной и ближней инфракрасной части электромагнитного спектра, а в 2019 году ученые впервые обнаружили водяной пар в атмосфере потенциально обитаемой планеты.
Две находящиеся в стадии разработки миссии — Обсерватория обитаемых миров НАСА (HWO), которая будет следовать за космическим телескопом Джеймса Уэбба, и Большой интерферометр для экзопланет под руководством Европы (LIFE) — возможно, смогут измерить D/H.
«Все зависит от инженеров и ученых, проектирующих [HWO] и [LIFE] чтобы увидеть, может ли измерение D/H на экзопланетах быть достижимой целью», — сказал Кэтлинг, отметив, что один учёный из команды LIFE изучает этот вопрос после прочтения их статьи.
«На данный момент мы можем сказать, что поиск D/H с помощью LIFE кажется осуществимым для экзопланет с большим количеством атмосферного водяного пара в области спектра около 8 микрон длины волны».
