Vítejte zpět u nás série Fermi Paradox , kde se podíváme na možná řešení slavné otázky Enrica Fermiho „Kde jsou všichni?“ Dnes zkoumáme možnost, že planety schopné podporovat život jsou prostě příliš vzácné.
V roce 1950 italsko-americký fyzik Enrico Fermi usedl k obědu s některými ze svých kolegů Národní laboratoř Los Alamos , kde před pěti lety pracoval v rámci projektu Manhattan. Podle různých zpráv se rozhovor stočil k mimozemšťanům a nedávnému záplavě UFO. Fermi k tomu vydal prohlášení, které se zapíše do dějin: „Kde jsou všichni?'
To se stalo základem Fermiho paradox , který odkazuje na odhady vysoké pravděpodobnosti existence mimozemské inteligence (ETI) a zjevný nedostatek důkazů. O sedmdesát let později jsme na tuto otázku stále neodpověděli, což vedlo k mnoha teoriím, proč „Velké ticho“ přetrvává. Dnes se zabýváme dalším, což je možnost, že planety nesoucí život, jako je Země, jsou jen velmi vzácné.
To je to, co je populárně známé jako „Hypotéza vzácných zemin“, která tvrdí, že vznik života a evoluce složitosti vyžaduje kombinaci astrofyzikálních a geologických podmínek, které prostě nejsou v našem Vesmíru běžné. To bylo v rozporu s dřívějšími názory předních vědců a výzkumníků SETI, kteří byli toho názoru, že Země je typická kamennými planetami umístěnými v celém vesmíru.
„Bledě modrá tečka“ Země zachycená sondou Voyager 1 14. února 1990. Uznání: NASA/JPL
Koperníkův princip
Předpokládaná převaha inteligentního života je v souladu s myšlenkou izotropního vesmíru, což znamená, že je v makroskopickém měřítku ve všech směrech stejný. Je to také v souladu s Koperníkovou zásadou, která tvrdí, že něco je náhodně odebíráno, je pravděpodobné, že to bude reprezentovat většinu. V oblasti astronomie a kosmologie tento princip tvrdí, že planety podobné Zemi jsou v našem vesmíru běžné.
Ale co když tomu tak není? Co když Země ve skutečnosti nepředstavuje celek a je ve třídě vyhrazené pro velmi málo planet? Co když je Země odlehlá? Co když „bledě modrá tečka“, kterou všichni známe a milujeme, je ještě vzácnější a vzácnější, než si ji připisujeme? Vzhledem k tomu, že jsme ve vesmíru zatím nenašli žádný důkaz mimozemské inteligence (ETI), nevypadalo by to jako věrohodnější scénář?
Origins
Termín „Vzácná země“ pochází z knihy Vzácná země: Proč je složitý život ve vesmíru neobvyklý (2000), od Peter Ward a Donald E. Brownlee – profesoři paleontologie a astronomie na Washingtonské univerzitě (v tomto pořadí). Oba jsou členy UW Program astrobiologie a Brownlee byl dokonce hlavním vyšetřovatelem NASA Hvězdný prach mise na návrat vzorku asteroidu.
Jako autoři to popisují Argument vzácných zemin sestává ze dvou ústředních hypotéz: Za prvé, mikrobiální život je v planetárních systémech běžný; a za druhé, pokročilý život (zvířata) je ve vesmíru vzácný. Když se tyto dvě hypotézy spojí, vedou k nevyhnutelnému závěru, že planety podobné Zemi se vyvíjejí ze série událostí a okolností, které jsou samy o sobě poměrně vzácné, což ze Země dělá velmi zvláštní místo.
Tento argument byl reakcí na inherentní předpoklady a předsudky, které autoři identifikovali v dokumentu Drakeova rovnice (duch astronoma Franka Drakea a známého astronoma/vědeckého komunikátora Carla Sagana), který v podstatě tvrdí, že inteligentní život by měl být hojný. Ward a Brownlee uvedli, že tato hypotéza je jistě dechberoucí, ale zpochybnili její důvěryhodnost:
„Řešení Drakeovy rovnice zahrnuje skryté předpoklady, které je třeba prozkoumat. A co je nejdůležitější, předpokládá, že jakmile život na planetě vznikne, vyvíjí se směrem ke stále vyšší složitosti, která na mnoha planetách vyvrcholí rozvojem kultury. To se jistě stalo na naší Zemi.
'Život zde vznikl asi před 4 miliardami let a poté se vyvinul z jednobuněčných organismů na mnohobuněčné tvory s tkáněmi a orgány, vrcholící u zvířat a vyšších rostlin. Je tato konkrétní historie života – historie, která se stále více komplikuje až k živočišnému stupni evoluce – nevyhnutelným výsledkem evoluce, nebo dokonce běžným? Mohl by to být ve skutečnosti velmi vzácný výsledek?'
Otázka pravděpodobnosti
Abychom to shrnuli, Francis Drake sdílel rovnici, která nese jeho jméno, během setkání v zařízení Green Bank v roce 1961. Předmětem tohoto setkání bylo hledání mimozemské inteligence (SETI), což byla v té době nově vznikající oblast. Podle Drakea rovnice vyplynula z jeho pokusů vytvořit agendu a řešit vše, co výzkumníci SETI potřebovali vědět.
Snímek Země z modrého mramoru z Apolla 17. Uznání: NASA
Matematicky lze rovnici vyjádřit takto:
N = R*x fpx nAx fax fix fCx L
KdeNje počet civilizací v naší galaxii,R*je průměrná rychlost tvorby hvězd,Fpje zlomek hvězd, které mají planety,nA je počet planet, které mohou podporovat život,Faje číslo, které rozvine život,Fi je číslo, které rozvine inteligentní život,fcje počet vyspělých civilizací aTHEje doba, po kterou by tyto civilizace musely vysílat své signály do vesmíru.
Zatímco rozsáhlý výzkum a průzkumy pomohly astronomům zavést přísnější omezení na Drakeovu rovnici, většina jejích proměnných je stále předmětem mnoha dohadů a nejistot. Astronomové nyní například odhadují, že v naší galaxii je 250 až 500 miliard hvězd, které tvoří nové hvězdy rychlostí přibližně tři sluneční hmoty za rok .
Objev přes 4000 extrasolárních planet v posledních několika desetiletích také astronomům umožnil získat mnohem lepší představu o tom, kolik hvězd má planet a počet planet, které budou pravděpodobně obyvatelné. Ve skutečnosti, na základě dat společnosti Kepler, a studie provedená v roce 2013 Odhaduje se, že na oběžné dráze by mohlo být až 40 miliard planet velikosti Země obyvatelné zóny jejich hvězd, z nichž 11 miliard by obíhalo hvězdy podobné Slunci.
Přesto je v Drakeově rovnici stále velká nejistota, zejména pokud jde o vznik života, rychlost, s jakou život dá vzniknout inteligentnímu životu, a vše, co následuje. Rovnice měla samozřejmě sloužit jako pravděpodobnostní argument a ilustrovat typy problémů, kterým výzkumníci SETI čelili, a to především pomocí identifikace nejistých proměnných.
Rovnice vzácných zemin
Z tohoto důvodu předložili Ward a Brownlee ke konci své knihy revidovanou verzi rovnice.
N = N* x nAXFGXFpXFodpoledneXFiXFCXFaXFmXFjXFjá
- N*je počet hvězd v Mléčné dráze
- nA je průměrný počet planet v HZ hvězdy
- FG je zlomek hvězd v galaktické HZ
- Fpje zlomek hvězd v Mléčné dráze s planetami
- Fodpoledne je zlomek planet, které jsou kamenné
- Fije zlomek obyvatelných planet, kde vzniká mikrobiální život
- FCje zlomek planet, kde se vyvíjí složitý život
- Fa je zlomek délky života planety, kde je přítomen komplexní život
- Fm je zlomek obyvatelných planet s velkým měsícem
- Fjje zlomek systémů s velkými plynovými obry
- Fjáje zlomek planet s nízkým počtem událostí vymírání
Jak si dokážete představit, mnoho z těchto stejných parametrů je také předmětem dohadů. Ale s použitím Země jako šablony a použitím Koperníkova principu je snadné vidět, jak by bylo obtížné najít planety, které splňují všechna výše uvedená kritéria. Ward a Brownlee navíc uvádějí tři další faktory, které byly pro Zemi typické a o nichž se předpokládá, že přispěly ke vzniku a vývoji života.
Za prvé je to přítomnosttektonika desek, které byly zásadní pro stabilitu klimatu zde na Zemi. Díky množství radioaktivních izotopů pod zemskou kůrou je dostatek tepla k udržení pláště ve viskózním stavu a k pohonu deskové tektoniky. Tento proces umožňuje sekvestraci uhlíku (ve formě uhličitanových hornin) a periodické uvolňování CO2prostřednictvím sopečné činnosti.
Umělcův dojem, jak by mohla vypadat „země se sněhovou koulí“. Kredit: NASA
To zajistilo relativně stabilní úroveň CO2v naší atmosféře v průběhu času, což pomohlo zajistit určitý stupeň klimatické stability a že průměrné teploty zůstaly v tolerovatelných mezích. Za druhé, Ward a Brownlee citovali geologické důkazy, které naznačovaly, že dvakrát v historii naší planety byla Země velmi studená a pokrytá ledem.
Tyto ' Země sněhové koule “ epochy nastaly zhruba před 2,2 miliardami a 635 miliony let , které se obě shodovaly s klíčovým vývojem v pozemském životě. V prvním případě se zalednění shodovalo s vývojem fotosyntetického života, který drasticky snížil skleníkové plyny v atmosféře metabolizací a uvolňováním kyslíku – aka. Velká událost okysličení (asi před 2,4 až 2,0 miliardami let).
Poslední období sněhové koule se shodovalo s Kambrická exploze (asi před 570 a 530 miliony let), která se vyznačovala prudkým nárůstem druhové diverzifikace a výskytem téměř všech živočišných linií, které dnes existují. Jinými slovy, zdá se, že dvě klíčové události ve vývoji života na Zemi následovaly (nebo byly spojeny s) obdobím Země se sněhovou koulí.
Za třetí, Ward a Brownlee argumentovali tehdy populární myšlenkou, že bakteriální život se mohl vyvinout na Marsu před Zemí kvůli skutečnosti, že se ochladil dříve. Vzhledem k tomu, že Mars má také nižší gravitaci, ejekty produkované dopady asteroidů se mohly dostat na Zemi ve formě meteoritů, a tak zasévat Zemi životem. Pokud je to pravda, kamenná planeta, která nemá vedle sebe planetu podobnou Marsu, by měla menší pravděpodobnost rozvoje života.
Umělcův dojem z forem života, které existovaly během kambrické éry, v době rychlých změn pro suchozemské druhy. Kredit: Smithsonian Natural Museum of History
Kritiky
Zatímco hypotéza vzácných zemin je v mnoha ohledech přitažlivá, kritici poukázali na řadu nedostatků. Pro začátek byly objeveny tisíce exoplanet od doby, kdy Ward a Brownlee sdíleli svou teorii, která astronomům umožnila lépe porozumět tomu, jaké druhy planet tam venku existují.
Například ze 4 197 exoplanet, které byly potvrzeny v 3 109 hvězdných systémech, bylo 1 456 kamenných – 1 296 superzemí a 160 o velikosti Země. V případě červených trpaslíků se zdá, že kamenné planety jsou velmi běžné. Příklady zahrnují Proxima b, nejbližší exoplaneta k naší Sluneční soustavě, a sedm kamenných planet TRAPPIST-1 (z toho tři obíhají s obyvatelnou zónou hvězdy).
Za druhé, studie exoplanet a těles ve sluneční soustavě ukázala, že Ward a Brownlee byli nesprávní v některých svých předpokladech týkajících se deskové tektoniky. Například tvrdili, že neexistují žádné důkazy o podobné aktivitě na tělesech ve sluneční soustavě, aleNové obzorymise odhalila rysy na Plutu a Charonu (jeho největším měsíci), které svědčí o ledové tektonice.
Existuje také mnoho linií důkazů, které naznačují, že Mars, dnes považovaný z velké části za geologicky neaktivní, zažil v minulosti deskovou tektoniku. Tento důkaz zahrnuje „ Marťanská dichotomie “, což odkazuje na ostrý kontrast ve výšce mezi severní a jižní polokoulí. Bylo také zjištěno, že měsíce jako Europa zažívají subdukci a obnovu svých ledových povrchů.
Také není jasné, zda je nebo není desková tektonika nezbytná pro existenci života na prvním místě. I když hraje roli v evoluci života od jeho počátku před 3 miliardami let, kdy se již objevily fotosyntetické organismy. Podobně, nedávný výzkum zjistil, že planety, které nemají deskovou tektoniku (neboli planety se „stagnujícím víkem“), si mohou udržet dostatek tepla, aby byly obyvatelné.
Za třetí, není jasné, zda je přítomnost velkého Měsíce nezbytná pro vznik života na kamenité planetě. Nedávný výzkum navíc ukázal, že impaktor, který vytvořil Měsíc (v souladu s Hypotéza obřího dopadu ) mohl vzniknout na stabilní oběžné dráze v Lagrangeově bodě Země, což by znamenalo existenci velkých měsíců. nebýt tak vzácný jak se dříve myslelo.
Další klíčový parametr, existence planety velikosti Jupiteru ve vnějším systému, se také dostal pod kontrolu. V minulosti se astronomové domnívali, že oběžná dráha Jupiteru brání velkým impaktorům v dosažení Země (a tím předchází událostem vymírání). Ale novější studie ukázaly, že gravitační vliv Jupitera může mít ve skutečnosti způsobila více dopadů, než jim zabránila.
Kromě toho všeho vědci v posledních letech zpochybňovali definici „obyvatelné zóny“, přičemž někteří naznačovali, že by to mohlo být mnoho užší než se dříve myslelo. Jiné výzkumy ukázaly, že by se zde mohly nacházet i obyvatelné planety delší oběžné dráhy , což naznačuje, že HZ jsou ve skutečnosti širší. Je také možné, že Země nepředstavuje vrchol obyvatelnosti a může existovat třída „ super obyvatelné “světy.
Chemikálie, které umožnily život na Zemi, mohly pocházet z jiné planety, která se srazila se Zemí a vytvořila Měsíc. Kredit: Rice University
Značný výzkum byl také věnován tomu, jak je naše samotná představa obyvatelnosti zcela založena na současném geologickém období Země. Na mnoha křižovatkách v minulosti byly atmosférické a klimatické podmínky výrazně odlišné na Zemi, než jsou dnes. A přesto se věří, že tyto podmínky byly zásadní pro evoluci života v různých fázích.
Závěr
Stejně jako Drakeova rovnice, Fermiho paradox a všechny pokusy o jejich vyřešení, i hypotéza vzácných zemin podléhá nejistotě. Důvod je jednoduchý: lidstvo zná pouze jednu planetu, kde existuje život (Země). Mít pouze tuto jednu šablonu nás vážně omezuje, pokud jde o hledání života, který by mohl existovat v řadě prostředí a chemických podmínek.
Pro začátek je samozřejmé, že život potřebuje vodu, aby prosperoval, protože to je případ zde na Zemi. Nicméně, studium exoplanety (zejména ty obíhajících červených trpaslíků ) naznačily, že tyto planety by mohly mít nadbytek vody . Podobně, přítomnost plynného kyslíku nezaručuje, že na planetě existuje život, zejména proto, že plynný kyslík je toxický pro mnoho forem života
S použitím Saturnova měsíce Titanu jako šablony někteří vědci tvrdili, že v našem vesmíru by mohl existovat metanogenní život. Extremofilové, stejně jako ti, kteří žijí kolem hydrotermálních průduchů na dně oceánu, také naznačují, že život se může objevit a prosperovat v extrémních prostředích. Mnoho' Oceánské světy “, které existují v naší sluneční soustavě, by také mohly být známkou toho, že kamenné planety nemusí být tím nejlepším místem pro hledání života.
Nakonec nebudeme s jistotou vědět, jestli tam venku život je (a za jakých podmínek může existovat), dokud nějaký nezačneme nacházet! Krása je v tom, že to potřebujeme najít jen jednou, aby byl Fermiho paradox vyřešen. Kromě toho každá forma života a prostředí nesoucí život, které objevíme, buď rozšíří naši definici života, nebo poslouží k jejímu posílení.
Napsali jsme mnoho zajímavých článků o Fermiho paradoxu, Drakeově rovnici a hledání mimozemské inteligence (SETI) zde na Universe Today.
Zde je Kde jsou mimozemšťané? Jak může „velký filtr“ ovlivnit technický pokrok ve vesmíru , Proč by hledání mimozemského života bylo špatné Velký filtr , Jak bychom mohli najít mimozemšťany? Hledání mimozemské inteligence (SETI) , a Fraser a John Michael Godier debatují o Fermiho paradoxu .
A nezapomeňte se podívat na zbytek naší série Beyond Fermi’s Paradox:
- Beyond 'Fermi's Paradox' I: A Lunchtime Conversation - Enrico Fermi a mimozemská inteligence
- Beyond 'Fermi's Paradox' II: Zpochybňování Hart-Tiplerovy domněnky
- Beyond 'Fermi's Paradox' III: Co je velký filtr?
- Beyond 'Fermi's Paradox' V: Co je hypotéza aestivace?
- Beyond 'Fermi's Paradox' VI: Co je to Berserkerova hypotéza?
- Za „Fermiho paradoxem“ VII: Co je hypotéza planetária?
- Za „Fermiho paradoxem“ VIII: Jaká je hypotéza zoo?
- Za „Fermiho paradoxem“ IX: Co je hypotéza krátkého okna?
- Beyond 'Fermi's Paradox' X: Jaká je hypotéza prvorozených?
- Za „Fermiho paradoxem“ XI: Co je hypotéza transcenze?
- Za „Fermiho paradoxem“ XII: Co je hypotéza vodního světa?
- Za „Fermiho paradoxem“ XIII: Jaká je hypotéza „oceánských světů“?
- Za „Fermiho paradoxem“ XIV: Co je hypotéza polární záře?
- Za „Fermiho paradoxem“ XV: Co je hypotéza teorie perkolace?
- Za „Fermiho paradoxem“ XVI.: Jaká je hypotéza „Temného lesa“?
Prameny:
- Ward, P.D. & Brownlee, D.Vzácná země: Proč je složitý život ve vesmíru vzácný(2000)
- Vzácná zemina (webová stránka)
- Cramer, John G. „Hypotéza ‚vzácné země‘. (2000)
- Brin, G.D. „Velké ticho – Kontroverze týkající se mimozemského inteligentního života“. (1983)
- Morison, I. Prof. 'Jsme sami?: Hledání života mimo Zemi.' (přednáška londýnského muzea,14. září 2014)