Od bardzo dawna ludzie, a szczególnie astronomowie, zastanawiali się, czy wokół innych gwiazd (poza naszym Słońcem, rzecz jasna) krążą jakieś planety. W zasadzie trudno było podejrzewać, że nasz układ planetarny jest absolutnie wyjątkowy – to by było naprawdę niesamowite i niezgodne z rachunkiem prawdopodobieństwa. Dlatego też raczej poszukiwano sposobu, aby to wykazać doświadczalnie. Jednym z proponowanych sposobów była obserwacja tzw. tranzytów, czyli przejścia planety przez tarczę macierzystej gwiazdy. Pierwszy układ planetarny został odkryty wokół pulsara noszącego jakże romantyczną nazwę PSR 1257+12, a dokonał tego m.in. Polak, Aleksander Wolszczan, w 1992 r. Dziś stosuje się kilkanaście metod odkrywania egzoplanet, ale nie to jest głównym tematem tego wpisu.
Potem wydarzenia potoczyły się lawinowo. Dziś mamy już potwierdzone istnienie ponad 6,6 tys. planet (stan na 1/07/24) poza naszym Układem Słonecznym, a praktycznie w każdym tygodniu słyszymy o kolejnych odkryciach planet pozasłonecznych. Dziś jednak samo odkrywanie planet w kosmosie nie jest już specjalnie ekscytujące. Obecnie szukamy czegoś innego. I tu trzeba wspomnieć bajkę o Złotowłosej (Goldilocks), bohaterce dziecięcej „Opowieści o trzech niedźwiadkach”.
W astronomii strefą Złotowłosej nazywa się obszar wokół gwiazdy, w którym mogłoby teoretycznie istnieć życie. I właśnie takich stref i znajdujących się w nich planet poszukują dziś astronomowie. Na szczęście mamy coraz lepsze narzędzia, który nam w tym pomagają. Kosmiczny teleskop nazwany na cześć drugiego dyrektora NASA, Jamesa E. Webba, od samego początku pokazuje, że jest naprawdę potężnym narzędziem dla astronomów i astrofizyków. W wielu wypadkach poszerza wiedzę, którą zdobyliśmy wcześniej, m.in. przy pomocy teleskopu Hubble’a. I dokładnie tak samo jest w przypadku odkrywania egzoplanet.
Teleskop Jamesa Webba źródło: NASA, licencja: domena publiczna
Podobna do Ziemi
I właśnie kanadyjski zespół pracujący z teleskopem Webba ogłosił ostatnio (podobnie jak w CERN przy odkryciu bozonu Higgsa) – mamy to! 48 lat świetlnych od nas, a więc dość niedaleko, w gwiazdozbiorze Wieloryba (łac. Cetus) znaleziono bardzo ciekawą egzoplanetę. Nosi ona nazwę LHS 1140b (litera b oznacza planetę najbliższą gwiazdy macierzystej). Długie badania wykazały, że planeta ta prawdopodobnie ma atmosferę, a do tego przynajmniej jej część jest pokryta ciekłą (może także stałą) wodą. Dodatkowo wykazano, że układ gwiazda-planeta wykonuje obrót synchroniczny, a więc mamy do czynienia z czymś podobnym do naszego układu Ziemia – Księżyc. Oznacza to, że planeta LHS 1140b obiega gwiazdę skierowana zawsze jedną swoją stroną w jej kierunku. Obliczenia dokonywane na podstawie precyzyjnych danych z teleskopu Webba pokazują, że aż 10-20% masy planety stanowi woda. Co więcej, badacze szacują, iż temperatura tego oceanu może wynosić nawet 20 stopni (cieplej niż w Bałtyku!). Jedna uwaga – ocean ten jest w całości po tzw. ciemnej (niewidocznej z punktu widzenia gwiazdy centralnej) stronie. Co ciekawe, z powodu sporego efektu cieplarnianego (duża zawartość pary wodnej) temperatura atmosfery jest szacowana na 23 stopnie. Gwiazda centralna tego układu jest czerwonym karłem, znacznie ciemniejszym niż Słońce, a sama planeta jest 1,7 razy większa od Ziemi i ma masę większą od niej 5,6 razy. Planeta obiega gwiazdę z okresem niemal 25 dni. Jej atmosfera nie zawiera wodoru, prawdopodobnie jest mieszaniną azotu, pary wodnej oraz dwutlenku węgla. Na koniec warto dodać, że opisywane badania zostały przeprowadzone przez zespół naukowców z University of Montreal w Kanadzie, którzy prowadzili obserwacje, korzystając z przydzielonego im czasu teleskopu Webb.
To co, kto leci ze mną?
Po co to wszystko?
Dość oczywistą sprawą jest to, że nie ma szans, abyśmy polecieli tam i naocznie sprawdzili, jakie warunki panują na tej (czy podobnej) planecie. Nawet gdybyśmy dysponowali statkiem kosmicznym mogącym osiągnąć prędkość światła i wystartowali dzisiaj, dotarlibyśmy tam za pół wieku. I gdyby taki astronauta wysłał informację o tym, co zastał na miejscu, minęłoby kolejne 50 lat. Na Ziemi przeminęłyby w tym czasie cztery pokolenia. A przecież to jeden z najbliższych układów planetarnych. Inne są znacznie dalej. Jesteśmy więc niejako skazani na obserwacje zdalne. I musimy pamiętać, że są to zawsze informacje spóźnione. W tym przypadku obserwacje pokazują nam sytuację, jaka miała miejsce w gwiazdozbiorze Wieloryba 50 lat temu. A najdalsza, którą dotychczas odkryto, znajduje się w niewyobrażalnej dla naszego rozumu odległości 25 tys. lat świetlnych. Oczywiście są też takie, które znajdują się miliardy lat świetlnych od Ziemi, ale w tym przypadku aktualne metody nie pozwalają nawet na ich wykrycie, nie mówiąc już o bardziej szczegółowym badaniu. Nie osiedlimy się na żadnej z nich, nawet jeśli któraś byłaby wierną kopią naszej poczciwej Ziemi – są za daleko. Ale warto je badać – i to z kilku powodów. Po pierwsze, zdobywamy cenną wiedzę o tym, jak ewoluuje Wszechświat. Po drugie, pomaga to testować nowe przyrządy obserwacyjne. Po trzecie – umożliwia weryfikację aktualnych modeli Wszechświata oraz ewolucji układów planetarnych.
A o ekscytujących podróżach międzygwiezdnych możemy nadal poczytać u Lema. Serdecznie polecam.
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. fp – odsetek gwiazd, które mają planety. ne – średnia liczba planet, na których może potencjalnie istnieć życie, w przeliczeniu na gwiazdę posiadającą planety. fl – odsetek planet, na których może istnieć życie, i na których w pewnym momencie faktycznie rozwinęło się życie. fi – odsetek planet, na których istnieje życie, na których rozwinęło się inteligentne życie. fc – 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.
Ryc. 1 . Frank Drake. Źródło: Raphael Perrino (Wikipedia, CC BY 2.0)
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.
Ryc. 2. Carl Sagan. Wikipedia, domena publiczna
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.
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
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. ↩︎
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. ↩︎
