Техносигнатура, которая может обнаружить зависимость внеземной цивилизации от ядерного синтеза

Время (в миллионах лет), необходимое для того, чтобы атмосфера экзопланеты достигла аномально низкого соотношения дейтерия к водороду относительно межзвездного пространства вокруг нее, учитывая потребление энергии ее развитой цивилизацией (в тераваттах), предполагая наличие океана, подобного земному. M — масса океана Земли. Автор: David C. Catling

Внеземным цивилизациям требуется много энергии по мере продвижения по шкале Кардашева. Ископаемое топливо ограничено, ветровая и солнечная энергия не содержат углерода, но не так эффективны, как ископаемое топливо, а традиционная ядерная энергия деления зависит от поставок расщепляемого материала и имеет проблему отходов. Таким образом, любой продвинутый инопланетный вид вполне может обратиться к ядерному синтезу для удовлетворения своих постоянно растущих энергетических потребностей (если только они не открыли еще лучшие энергетические процессы, о которых мы пока не знаем).

Синтез дейтерия (D) — одна из простейших форм ядерного синтеза, в которой D сливается с тритием или другим D. Поскольку, насколько нам известно, для жизни нужна вода, океаны развитого мира могли бы поставлять ее в больших количествах в виде морской воды.

На Земле вода содержит естественное ничтожно малое количество тяжелой воды, при этом дейтерий заменяет один или оба атома водорода, чтобы существовать в виде HOD или DOH и редко в виде D ₂ O. Извлечение дейтерия из океана снизит его отношение дейтерия к водороду, D/H, в том числе в атмосферном водяном паре, в то время как гелий, полученный в ядерных реакциях, улетучится в космос. Могут ли низкие значения D/H в атмосфере экзопланеты быть техносигнатурой долгоживущей, сверхразвитой внеземной жизни?

Это то, о чем Дэвид К. Кэтлинг из Вашингтонского университета начал задумываться некоторое время назад. «Я не особо занимался этой зародышевой идеей, пока не стал одним из организаторов астробиологической встречи в прошлом году в обсерватории Грин-Бэнк в Западной Вирджинии», — сказал он.

Когда готовился мозговой штурм по SETI, он провел предварительный анализ, который в конечном итоге привел к трехстороннему сотрудничеству и статье по этой теме, которая появится в Astrophysical Journal и будет опубликована на сервере препринтов arXiv.

«Измерение отношения D/H в водяном паре на экзопланетах, безусловно, не является легкой задачей», — 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 вымрет на их планете или мигрирует, что увеличивает шансы обнаружения этой техносигнатуры.

На Земле, где человечество в настоящее время находится на уровне 0,73 по шкале Кардашева, естественный дейтерий в океане составляет около одного атома на каждые 6240 атомов водорода, или 35 граммов дейтерия на каждую тонну морской воды. Это коллективные 4,85 × 10 ¹³ тонн дейтерия. Это почти то же самое в нашей атмосфере. 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 мощность термоядерного синтеза примерно в 10 раз больше, чем прогнозируется для людей в следующем столетии, около 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 развитого вида (или их роботизированных потомков!) — истощат значение D/H земного океана до значения, обнаруженного в местной межзвездной среде, около 16 частей на миллион, примерно за 170 миллионов лет.

«Если бы было обнаружено, что отношение D/H в воде экзопланеты существенно ниже значений [межзвездной среды]... это было бы странно и аномально», — пишет группа в своей статье.

Если бы, по чистой случайности, их экзопланета имела океан, составляющий всего несколько процентов от земного — так называемая «суша» — D/H достигла бы аномально низких значений примерно за 1–10 миллионов лет. Это примерно соответствует средней продолжительности жизни млекопитающих с тех пор, как столкновение с Чиксулубом положило конец динозаврам, около 3 миллионов лет.

У других планет значения D/H выше, например, у Венеры и Марса, но такие процессы, как неконтролируемый парниковый эффект Венеры и физические процессы побега на Марсе, сделали обе планеты непригодными для жизни. Таким образом, более высокое значение D/H, чем у Земли, «вероятно, указывает на планету, которая является проблематичной для обитаемости в геологических временных масштабах».

Подобные расчеты привели группу к идее поиска необычно низкого отношения D/H в планетарном водяном паре в качестве потенциальной техносигнатуры, которую они называют «потенциально дистанционно обнаруживаемой».

Используя модель спектрального картирования атмосферного радиационного переноса ( SMART) , они предложили конкретные длины волн, которые следует искать среди линий излучения HDO и H ₂ O. HDO имеет выраженные линии в инфракрасной и ближней инфракрасной части электромагнитного спектра, и в 2019 году ученые впервые обнаружиливодяной пар в атмосфере потенциально пригодной для жизни планеты.

Две разрабатываемые миссии — Обсерватория обитаемых миров (HWO) НАСА, которая последует за космическим телескопом Джеймса Уэбба, и Большой интерферометр для экзопланет (LIFE), возглавляемый европейцами, — возможно, смогут измерить D/H.

«Инженерам и ученым, проектирующим [HWO] и [LIFE], предстоит выяснить, может ли измерение D/H на экзопланетах стать достижимой целью», — сказал Кэтлинг, отметив, что один ученый из команды LIFE изучает этот вопрос после прочтения их статьи.

«На данный момент мы можем сказать, что поиск D/H с помощью LIFE представляется возможным для экзопланет с большим количеством атмосферного водяного пара в области спектра около длины волны 8 микрон».

Больше информации: David C. Catling et al, Potential technosignature from anomalously low deuterium/hydrogen (D/H) in planetary water depleted by nuclear fusion technology, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2411.18595