Do przeczytania na ten sam temat:
Życie w Kosmosie, czyli z pamiętnika malkontenta

Dla entuzjastów inteligentnego życia pozaziemskiego mam złą wiadomość. Jeśli jest to albo za daleko, albo zbyt dawno. Taki stan rzeczy sponsoruje literka ‘c’, c jak prędkość światła w próżni. Ale o tym w następnym odcinku. Dziś zajmiemy się „rzadką Ziemią” i przyległościami.

Równanie Drake’a i paradoks Fermiego

Zacznijmy od równania Drake’a, wzoru próbującego określić, ile cywilizacji technologicznych istnieje w naszej Galaktyce. Zaproponował je fizyk Frank Drake w latach 60. XX wieku. Równanie nie jest skomplikowane, zawiera jednak wiele czynników wpływających na liczbę cywilizacji pozaziemskich, z którymi ludzkość może się komunikować. 

N – liczba cywilizacji w Drodze Mlecznej, z którymi możliwa jest komunikacja.
R_∗ – średnie tempo powstawania gwiazd w naszej Galaktyce.
f_p – odsetek gwiazd, które mają planety.
n_e – średnia liczba planet, na których może potencjalnie istnieć życie, w przeliczeniu na gwiazdę posiadającą planety.
f_l – odsetek planet, na których może istnieć życie, i na których w pewnym momencie faktycznie rozwinęło się życie.
f_i – odsetek planet, na których istnieje życie, na których rozwinęło się inteligentne życie.
f_c – odsetek cywilizacji, które opracowały technologię przekazu informacji o swoim istnieniu.
L – czas, przez który takie cywilizacje emitują wykrywalne sygnały w przestrzeń kosmiczną.

Każdy z tych czynników pochodzi z oszacowań, a ponieważ równanie Drake’a jest ich iloczynem, to wynik może być skrajnie duży lub skrajnie mały. Wniosek: równanie jest bezużyteczne.

Pominę szczegółowe rozważania i szacunki, bo tylko o szacunkach (w dodatku spod dużego palca) możemy tu mówić. Dość powiedzieć, że istnieje co najmniej 250 tysięcy wysoko rozwiniętych cywilizacji technologicznych mogących się z nami skomunikować. Według Drake’a, oczywiście. Według krytyków liczba ta może oscylować między 1 (Układ Słoneczny i Ziemia) a wieloma milionami. Na razie (rok 2024) liczba zaobserwowanych cywilizacji wynosi jeden. I jest to nasza cywilizacja.

I to jest właśnie paradoks Fermiego, sprzeczność między teoretyczną wielością pobliskich planet nadających się do zamieszkania a zerowym dowodem na istnienie sygnałów radiowych jakiejkolwiek cywilizacji pozaziemskiej. Zwróćmy uwagę na optymistyczne założenie, że na każdej planecie nadającej się do zamieszkania powinna rozwinąć się ekspansywna cywilizacja zdolna do komunikacji międzygwiezdnej. W dalszej części artykułu przeanalizujemy ten aspekt.

W 2018 r. Instytut Przyszłości Ludzkości na Uniwersytecie Oksfordzkim obliczył, na podstawie modelu rozwiązania równania Drake’a z użyciem rozkładów prawdopodobieństwa, że szansa, że jesteśmy jedyną zaawansowaną cywilizacją w naszej galaktyce oraz w całym obserwowalnym wszechświecie wynosi odpowiednio 53–99,6% i 39–85%. 

Argumenty „za”

W latach 70. i 80. Carl Sagan i Frank Drake argumentowali, że Ziemia jest typową planetą skalistą w typowym układzie planetarnym, położoną w statystycznie przeciętnym regionie galaktyki spiralnej z poprzeczką. Wychodząc z zasady przeciętności (rozszerzonej zasady kopernikańskiej ¹) argumentowali, że ewolucja życia na Ziemi (w tym człowieka), jest typowa, a zatem że wszechświat obfituje w złożone życie.

Hipoteza jedynej (rzadkiej) Ziemi

Rozważania na temat inteligencji pozaziemskiej to wdzięczny temat dla pisarzy science fiction. Możliwość popuszczenia wodzy fantazji zaowocowała wieloma fantastycznymi teoriami okraszonymi niewiarygodną wielością form zewnętrznych Kosmitów. Wśród pisarzy-fantastów znalazło się jednak paru, którzy uważają, że życie ziemskie jest na tyle unikalne, że żadne parametry równania Drake’a nie wygenerują ani jednej obcej cywilizacji. Najbardziej znany z nich, Isaac Asimov, w kultowej serii „Fundacja” zdecydował, że tylko Ziemia jest planetą wyróżnioną, i tylko ona może zaludnić Galaktykę.

Dwaj naukowcy z Uniwersytetu Waszyngtońskiego, geolog Peter Ward i astrobiolog Donald E. Brownlee napisali książkę „Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe” (2000), w której metodycznie i naukowo rozwiali marzenia o nieziemskim życiu. 

Ziemia powstała około 4,6 miliarda lat temu. Już 300 mln lat później pojawiło się życie jako proste organizmy jednokomórkowe – prokarionty, pozbawione jądra komórkowego, mitochondrium i organelli. Cóż z tego, skoro wszystkie wyższe formy życia opierają się na eukariontach, komórkach wyposażonych w jądro komórkowe (zawiera materiał genetyczny), mitochondrium i organelle. Prokarionty oczywiście nie wyginęły, występują we wszystkich warunkach środowiskowych włączając warunki ekstremalne. Ewolucja potrzebowała aż 2 mld lat, aby z prokariontów wyewoluowały komórki eukariotyczne. Okazuje się, że był to wielokrotnie większy wysiłek ewolucyjny niż powstanie życia jako takiego. Wysiłek podzielony na trudne etapy. Pamiętajmy, że rozwój ewolucyjny opiera się w znacznej mierze na rachunku prawdopodobieństwa. O eukariontach, prokariontach i początkach życia na Ziemi pisał Piotr Gąsiorowski w wielu wpisach, m.in. Eukarya (2): Od FECA do LECA, czyli seks i życie na sterydach.

Następny trudny krok – powstanie złożonych organizmów wielokomórkowych, zajął ewolucji następny miliard lat. W skali kosmicznej nie jest to dużo jak na taki postęp ewolucyjny, przecież wielokomórkowce to komórki wyspecjalizowane, współpracujące ze sobą. Można powiedzieć, że mieliśmy szczęście, bo proces ten mógł zająć 3 albo nawet 10 miliardów lat. Ewolucja mogła zatrzymać się na etapie prokariontowego śluzu lub jednokomórkowców, nie potrafiąc pokonać następnej bariery.

Następną przeszkodą na drodze ewolucji jest zjawisko masowego wymierania. W każdym układzie planetarnym zdarzają się katastrofy na skalę globalną. Kolizje globów większych i mniejszych są zjawiskiem statystycznym. Ziemia doświadczała takich przygód średnio co 50-100 milionów lat. Za każdym razem bezpowrotnie ginęła znacząca większość gatunków,  być może lepszych kandydatów na Człowieka niż nasi praprzodkowie. Na przykład pod koniec permu, około 230 milionów lat temu, wymarło 95% gatunków lądowych i 70% gatunków morskich. 65 milionów lat temu w Ziemię uderzyła asteroida (lub kometa). Przepadło prawie 75% gatunków zwierząt, w tym wszystkie gatunki dinozaurów. Po zniknięciu dużych gadów dominującymi zwierzętami lądowymi stały się ssaki. Taki szczęśliwy dla nas przypadek :). Gdyby kataklizmy wiążące się z masowym wymieraniem zdarzały się częściej, na przykład co milion lat, proces ewolucji prowadzący do powstania inteligentnego życia na Ziemi z pewnością byłby zatrzymany. 

Czynnikiem warunkującym powstanie inteligentnego życia jako wielomiliardoletniego procesu jest charakterystyka gwiazdy centralnej i układ planetarny. Tu też mamy nieprzeciętne wymagania. Układ planetarny powinien się znajdować w niezatłoczonym obszarze galaktyki, gdyż grawitacja przechodzącej obok gwiazdy mogłaby wpływać na orbitę planety-na-której-właśnie-rozwija-się-życie, kierując ją na przykład bliżej gwiazdy macierzystej, poza strefę komfortu zwaną również strefą Złotowłosej ². O tym napiszę w dalszej części artykułu.

Drugim warunkiem koniecznym jest istnienie dużych planet rozmiaru Jowisza albo Saturna, które pełniłyby rolę “grawitacyjnego strażnika” naszej Ziemi przed obiektami wlatującymi spoza układu. Grawitacja takiej planety za pomocą asysty grawitacyjnej wypychałaby intruza z powrotem poza układ, zmniejszając ryzyko potencjalnej kolizji mogącej spowodować wymieranie. O wymieraniu i jego znaczeniu w procesie rozwoju życia pisałem wcześniej. Z obserwacji planet wykrytych wokół innych gwiazd wynika, że układy planet podobne do naszego Układu Słonecznego, z małymi wewnętrznymi planetami skalistymi otoczonymi w zewnętrznych obszarach przez masywne olbrzymy, są stosunkowo rzadkie. 

To nie wszystko. Pamiętajmy o polu magnetycznym. Ziemia zawdzięcza swoje pole magnetyczne płynnemu, ruchomemu żelaznemu jądru. Bez pola magnetycznego nie istniałaby warstwa ozonowa, chroniąca życie przed zabójczym promieniowaniem ultrafioletowym. W Układzie Słonecznym tylko Ziemia posiada silne pole magnetyczne.

Ostatni warunek to właściwy rozmiar planety, konieczny do utrzymania odpowiednio gęstej atmosfery. Na przykład na Marsie, niewiele mniejszym od Ziemi, ciśnienie atmosferyczne wynosi 0,6% ciśnienia ziemskiego.

I wreszcie last but not least, istnienie dużego księżyca okrążającego planetę. Rola naszego Księżyca polega na stabilizacji osi obrotu Ziemi. Bez niego nachylenie osi Ziemi wahałaby się od 0 do 50 stopni, powodując ekstremalne pory roku utrudniające ewolucji dostosowanie się. 

Nie będę się rozpisywał o układach podwójnych czy potrójnych, gdyż jasne jest, że skomplikowana i nieprzewidywalna (problem trzech ciał) orbita planety wyklucza powstanie i rozwój życia, zwłaszcza białkowego. 

Metaliczność gwiazd i galaktyk

Wielu Czytelników po raz pierwszy spotyka się z pojęciem metaliczności gwiazd i galaktyk. Oznacza ono obfitość pierwiastków cięższych od wodoru i helu, niekoniecznie metali. W skrócie można powiedzieć, że im wyższa metaliczność, tym większe prawdopodobieństwo powstania złożonych związków chemicznych, być może życia. Skąd to zróżnicowanie? 

Pierwiastki cięższe od helu powstają we wnętrzu gwiazd w wyniku syntezy jądrowej, w trakcie ich ewolucji. Wiatr gwiazdowy i supernowe „rozsiewają” ciężkie atomy po całym otoczeniu. Materia międzygwiazdowa służy jako budulec dla nowych gwiazd. Gwiazdy młode, z gwiezdnego „recyklingu”, posiadają w swoim składzie więcej pierwiastków ciężkich. Obecnie rozróżniamy dwie populacje gwiazd różniących się metalicznością. Populacja I (najmłodsza) odznacza się najwyższą metalicznością. Hipotetyczna populacja III to gwiazdy „pierworodne”, najmniej metaliczni, wypaleni gwiezdni pionierzy. Istnieje też bezpośredni związek między metalicznością gwiazd a powstawaniem planet, w tym gazowych olbrzymów pokroju Jowisza. Modelowanie pokazuje, że metaliczność gwiazd jest kluczem do powstawania planet.  

Galaktyki, podobnie jak gwiazdy, różnią się metalicznością. Galaktyki eliptyczne, małe oraz gromady kuliste odznaczają się zbyt małą metalicznością, a więc nie nadają się na siedlisko życia. Galaktyki też nie są jednorodne pod tym względem. W galaktyce spiralnej, a taką jest Droga Mleczna, położenie gwiazdy determinujące jej metaliczność decyduje o prawdopodobieństwie rozwinięcia się życia. Okazuje się więc, że galaktyka także posiada swoją strefę Złotowłosej, co pokazuje Ryc. 3.

Podsumowanie

Jak widać, dokładne zbadanie problemu „szkiełkiem i okiem” skłania do wniosków przemawiających za unikalnością naszego ziemskiego życia. Celowo nie użyłem „niestety”, gdyż nasz wrodzony antropocentryzm, naiwność i obejrzane filmy w rodzaju „E.T.” każą wierzyć w dobre intencje „obcych”. Więc raczej „stety”.

Przypisy

1. Strefa Złotowłosej (ang. Goldilocks zone) to kalka językowa pochodząca z bajki o Złotowłosej i trzech misiach, w której trzecia misiowa miska z owsianką nie była ani za zimna, ani za ciepła, lecz w sam raz dla Złotowłosej. Oznacza strefę wokół gwiazdy nadającą się do zamieszkania. ↩︎
2. Zasada kopernikańska twierdzi, że ​​ludzie ani na Ziemi, ani w Układzie Słonecznym nie są uprzywilejowanymi obserwatorami Wszechświata, a obserwacje z Ziemi są reprezentatywne dla obserwacji ze średniej pozycji we wszechświecie. Zasada kopernikańska wynika z heliocentryzmu kopernikańskiego. ↩︎