В поисках жизни на экзопланетах не найти ничего — это слишком

Первая планета размером с Землю, вращающаяся вокруг звезды в «зоне обитаемости» — диапазоне расстояний от звезды, где жидкая вода может скапливаться на поверхности вращающейся планеты. Автор: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

Что, если поиски жизни на других планетах человечеством не дадут результатов? Группа исследователей под руководством доктора Даниэля Ангерхаузена, физика из группы экзопланет и обитаемости профессора Саши Кванца в Швейцарской высшей технической школе Цюриха и филиала Института SETI, занялась этим вопросом, рассмотрев, что можно узнать о жизни во Вселенной, если будущие исследования не обнаружат никаких признаков жизни на других планетах.

Исследование, опубликованное в The Astronomical Journal и проведенное в рамках Швейцарского национального центра компетенции в области исследований PlanetS, основано на байесовском статистическом анализе для установления минимального числа экзопланет, которые необходимо наблюдать для получения значимых ответов о частоте потенциально обитаемых миров.

Учет неопределенности

Исследование приходит к выводу, что если бы ученые исследовали от 40 до 80 экзопланет и нашли бы «идеальный» результат отсутствия обнаружения, они могли бы с уверенностью заключить, что менее 10–20% подобных планет имеют жизнь. В Млечном Пути эти 10% соответствовали бы примерно 10 миллиардам потенциально обитаемых планет.

Такого рода открытия позволят исследователям установить значимый верхний предел распространенности жизни во Вселенной, оценка, которая до сих пор оставалась недостижимой.

Однако в этом «идеальном» нулевом результате есть существенная загвоздка: каждое наблюдение сопровождается определенным уровнем неопределенности, поэтому важно понимать, как это влияет на надежность выводов, которые можно сделать из данных.

Задавайте правильные вопросы

«Дело не только в том, сколько планет мы наблюдаем, — дело в том, чтобы задавать правильные вопросы и быть уверенными в том, что мы увидим или не увидим то, что ищем», — говорит Ангерхаузен. «Если мы не будем осторожны и будем слишком уверены в своих способностях идентифицировать жизнь, даже масштабное исследование может привести к вводящим в заблуждение результатам».

Такие соображения весьма актуальны для предстоящих миссий, таких как международная миссия Большого интерферометра для экзопланет (LIFE), возглавляемая ETH Zurich. Цель LIFE — исследовать десятки экзопланет, схожих по массе, радиусу и температуре с Землей, путем изучения их атмосфер на предмет наличия воды, кислорода и даже более сложных биосигнатур.

По словам Ангерхаузена и его коллег, хорошей новостью является то, что запланированное количество наблюдений будет достаточно большим, чтобы сделать существенные выводы о распространенности жизни в галактических окрестностях Земли.

Тем не менее, в исследовании подчеркивается, что даже передовые инструменты требуют тщательного учета и количественной оценки неопределенностей и смещений, чтобы гарантировать статистическую значимость результатов.

Например, для устранения неопределенности выборки авторы отмечают, что конкретные и измеримые вопросы, такие как: «Какая часть каменистых планет в обитаемой зоне Солнечной системы демонстрирует явные признаки наличия водяного пара, кислорода и метана?», предпочтительнее гораздо более неоднозначного: «На скольких планетах есть жизнь?»

Влияние предыдущих знаний

Ангерхаузен и коллеги также изучали, как предполагаемые предыдущие знания — называемые априорными в байесовской статистике — о данных переменных наблюдения повлияют на результаты будущих опросов. Для этого они сравнили результаты байесовского фреймворка с результатами, полученными с помощью другого метода, известного как подход Frequentist, который не использует априорные данные.

Для такого размера выборки, который используется в таких миссиях, как LIFE, влияние выбранных априорных данных на результаты байесовского анализа оказывается ограниченным, и в этом сценарии две структуры дают сопоставимые результаты.

«В прикладной науке байесовская и частотная статистика иногда интерпретируются как две конкурирующие школы мысли. Как статистик, я предпочитаю рассматривать их как альтернативные и взаимодополняющие способы понимания мира и интерпретации вероятностей», — говорит соавтор Эмили Гарвин, которая в настоящее время является аспиранткой в группе Кванца.

Гарвин сосредоточился на частотном анализе, который помог подтвердить результаты команды и проверить их подход и предположения.

«Небольшие различия в научных целях опроса могут потребовать применения различных статистических методов для получения надежного и точного ответа», — отмечает Гарвин.

«Мы хотели показать, как различные подходы обеспечивают взаимодополняющее понимание одного и того же набора данных, и таким образом представить дорожную карту для принятия различных фреймворков».

В этой работе показано, почему так важно формулировать правильные вопросы исследования, выбирать подходящую методологию и реализовывать тщательные планы выборки для надежной статистической интерпретации результатов исследования.

«Единственное положительное обнаружение изменило бы все, — говорит Ангерхаузен, — но даже если мы не найдем жизнь, мы сможем количественно оценить, насколько редкими — или распространенными — могут быть планеты с обнаруживаемыми биосигнатурами».

Больше информации: What if We Find Nothing? Bayesian Analysis of the Statistical Information of Null Results in Future Exoplanet Habitability and Biosignature Surveys, The Astronomical Journal (2025). DOI: 10.3847/1538-3881/adb96d

Источник: ETH Zurich