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Jenseits von „Fermis Paradox“ IV: Was ist die Seltenerd-Hypothese?

Willkommen zurück in unserem Fermi Paradox-Reihe , wo wir einen Blick auf mögliche Lösungen zu Enrico Fermis berühmter Frage „Wo ist jeder?“ werfen. Heute untersuchen wir die Möglichkeit, dass lebensfähige Planeten einfach zu selten sind.

1950 italienisch-amerikanischer Physiker Enrico Fermi setzte sich zum Mittagessen mit einigen seiner Kollegen im Nationales Labor von Los Alamos , wo er fünf Jahre zuvor im Rahmen des Manhattan Project gearbeitet hatte. Laut verschiedenen Berichten drehte sich das Gespräch um Außerirdische und die jüngste Flut von UFOs. Dazu gab Fermi eine Erklärung ab, die in die Annalen der Geschichte eingehen sollte: „Wo sind alle?'

Dies wurde die Grundlage für die Fermi-Paradoxon , die sich auf die hohen Wahrscheinlichkeitsschätzungen für die Existenz außerirdischer Intelligenz (ETI) und den offensichtlichen Mangel an Beweisen bezieht. Siebzig Jahre später haben wir diese Frage immer noch nicht beantwortet, was zu vielen Theorien geführt hat, warum die „Große Stille“ andauert. Heute wenden wir uns einer anderen zu, nämlich der Möglichkeit, dass lebenserhaltende Planeten wie die Erde nur sehr selten sind.

Dies ist im Volksmund als „Seltene Erden Hypothese“, der argumentiert, dass die Entstehung von Leben und die Entwicklung von Komplexität eine Kombination astrophysikalischer und geologischer Bedingungen erfordern, die in unserem Universum einfach nicht üblich sind. Dies widersprach den zuvor vertretenen Vorstellungen prominenter Wissenschaftler und SETI-Forscher, die der Meinung waren, dass die Erde typisch für felsige Planeten im gesamten Universum sei.



Der „blassblaue Punkt“ der Erde, aufgenommen von Voyager 1 am 14. Februar 1990. Quelle: NASA/JPL

Kopernikanisches Prinzip

Die angenommene Prävalenz von intelligentem Leben entspricht der Idee eines isotropen Universums, was bedeutet, dass es auf makroskopischer Skala in alle Richtungen gleich ist. Es steht auch im Einklang mit dem kopernikanischen Prinzip, das besagt, dass etwas zufällig ausgewählt wird und wahrscheinlich für die Mehrheit repräsentativ ist. Im Bereich der Astronomie und Kosmologie argumentiert dieses Prinzip, dass erdähnliche Planeten in unserem Universum weit verbreitet sind.

Aber was ist, wenn dies nicht der Fall ist? Was ist, wenn die Erde tatsächlich nicht repräsentativ für das Ganze ist und in eine Klasse fällt, die nur sehr wenigen Planeten vorbehalten ist? Was ist, wenn die Erde ein Ausreißer ist? Was wäre, wenn der „Pale Blue Dot“, den wir alle kennen und lieben, noch seltener und kostbarer ist, als wir ihm zutrauen? Angesichts der Tatsache, dass wir im Universum noch keine Beweise für außerirdische Intelligenz (ETI) gefunden haben, wäre dies nicht das plausiblere Szenario?

Ursprünge

Der Begriff „Seltene Erden“ hat seinen Namen aus dem Buch Seltene Erden: Warum komplexes Leben im Universum ungewöhnlich ist (2000), von Peter Ward und Donald E. Brownlee – Professoren für Paläontologie und Astronomie an der University of Washington (jeweils). Beide sind Mitglieder der UW Astrobiologie-Programm , und Brownlee war sogar der Hauptermittler der NASA Sternenstaub Asteroiden-Probenrückgabe-Mission.

Als die Autoren beschreiben es , das Argument der Seltenen Erden läuft auf zwei zentrale Hypothesen hinaus: Erstens ist mikrobielles Leben in Planetensystemen weit verbreitet; und zweitens ist fortgeschrittenes Leben (Tiere) im Universum selten. Zusammengenommen führen diese beiden Hypothesen zu der unvermeidlichen Schlussfolgerung, dass erdähnliche Planeten aus einer Reihe von Ereignissen und Umständen entstehen, die selbst recht selten sind, was die Erde zu einem ganz besonderen Ort macht.

Dieses Argument war eine Reaktion auf die inhärenten Annahmen und Vorurteile, die die Autoren in der Drake-Gleichung (die Idee des Astronomen Frank Drake und des berühmten Astronomen/Wissenschaftskommunikators Carl Sagan), die im Wesentlichen behauptet, dass intelligentes Leben reichlich vorhanden sein sollte. Ward und Brownlee stellten fest, dass diese Hypothese sicherlich atemberaubend ist, stellten jedoch ihre Glaubwürdigkeit in Frage:



„Die Lösung der Drake-Gleichung beinhaltet versteckte Annahmen, die untersucht werden müssen. Am wichtigsten ist, dass es davon ausgeht, dass das Leben, sobald es auf einem Planeten entsteht, sich zu einer immer höheren Komplexität entwickelt und auf vielen Planeten in der Entwicklung der Kultur gipfelt. Das ist sicherlich auf unserer Erde passiert.

'Das Leben entstand hier vor etwa 4 Milliarden Jahren und entwickelte sich dann von einzelligen Organismen zu mehrzelligen Lebewesen mit Geweben und Organen, die in Tieren und höheren Pflanzen ihren Höhepunkt fanden. Ist diese besondere Geschichte des Lebens – eine von zunehmender Komplexität bis hin zu einem tierischen Evolutionsgrad – ein unvermeidliches Ergebnis der Evolution oder sogar ein allgemeines? Könnte es tatsächlich ein sehr seltenes Ergebnis sein?“

Eine Frage der Wahrscheinlichkeit

Um es zusammenzufassen, Francis Drake teilte die Gleichung, die seinen Namen trägt, während eines Treffens in der Green Bank-Einrichtung im Jahr 1961. Das Thema dieses Treffens war die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI), die zu dieser Zeit ein aufstrebendes Feld war. Laut Drake resultierte die Gleichung aus seinen Versuchen, eine Agenda zu erstellen und alles anzusprechen, was SETI-Forscher wissen mussten.

Das blaue Marmorbild der Erde von Apollo 17. Bildnachweis: NASA

Mathematisch kann die Gleichung wie folgt ausgedrückt werden:

N = R*x fPx neinUndx fdasx fichx fCx L

Wohernist die Anzahl der Zivilisationen in unserer Galaxie,R*ist die durchschnittliche Sternentstehungsrate,FPist der Anteil der Sterne, die Planeten haben,nUnd ist die Anzahl der Planeten, die Leben unterstützen können,Fdasist die Zahl, die Leben entwickeln wird,Fich ist die Zahl, die intelligentes Leben entwickeln wird,fcist die Zahl der fortgeschrittenen Zivilisationen, undDASist die Zeitdauer, die diese Zivilisationen benötigen würden, um ihre Signale in den Weltraum zu übertragen.

Während umfangreiche Forschungen und Umfragen Astronomen geholfen haben, der Drake-Gleichung strengere Beschränkungen aufzuerlegen, unterliegen die meisten ihrer Variablen immer noch vielen Vermutungen und Unsicherheiten. Astronomen schätzen beispielsweise heute, dass es in unserer Galaxie zwischen 250 und 500 Milliarden Sterne gibt, die mit einer Rate von etwa . neue Sterne bilden drei Sonnenmassen pro Jahr .

Die Entdeckung von über 4000 extrasolare Planeten in den letzten Jahrzehnten hat es Astronomen auch ermöglicht, ein viel besseres Gefühl dafür zu bekommen, wie viele Sterne Planeten haben und wie viele Planeten wahrscheinlich bewohnbar sind. Tatsächlich, basierend auf Kepler-Daten, a Studie durchgeführt im Jahr 2013 Schätzungen zufolge könnten bis zu 40 Milliarden erdgroße Planeten in der Welt umkreisen bewohnbare Zonen ihrer Sterne, von denen 11 Milliarden sonnenähnliche Sterne umkreisen würden.

Dennoch gibt es in der Drake-Gleichung immer noch große Unsicherheiten, insbesondere wenn es um die Entstehung von Leben geht, die Geschwindigkeit, mit der Leben intelligentes Leben hervorbringt, und alles, was folgt. Natürlich sollte die Gleichung als probabilistisches Argument dienen und die Arten von Herausforderungen veranschaulichen, mit denen SETI-Forscher konfrontiert waren, hauptsächlich durch die Identifizierung der unsicheren Variablen.

Gleichung für seltene Erden

Aus diesem Grund präsentierten Ward und Brownlee gegen Ende ihres Buches eine überarbeitete Version der Gleichung.

N = N* x nUndxFgxFPxFUhrxFichxFCxFdasxFmxFJxFich
  • N*ist die Anzahl der Sterne in der Milchstraße
  • nUnd ist die durchschnittliche Anzahl von Planeten im HZ . eines Sterns
  • Fg ist der Anteil der Sterne im galaktische HZ
  • FPist der Anteil der Sterne in der Milchstraße mit Planeten
  • FUhr ist der Anteil der Planeten, die felsig sind
  • Fichist der Anteil bewohnbarer Planeten, auf denen mikrobielles Leben entsteht
  • FCist der Anteil der Planeten, auf denen sich komplexes Leben entwickelt
  • Fdas ist der Bruchteil der Lebensdauer eines Planeten, auf dem komplexes Leben vorhanden ist
  • Fm ist der Anteil der bewohnbaren Planeten mit einem großen Mond
  • FJist der Anteil der Anlagen mit großen Gasriesen
  • Fichist der Anteil der Planeten mit einer geringen Anzahl von Aussterbeereignissen

Wie Sie sich vorstellen können, unterliegen viele dieser Parameter auch Vermutungen. Aber wenn man die Erde als Vorlage verwendet und das kopernikanische Prinzip anwendet, ist es leicht zu erkennen, wie schwierig es wäre, Planeten zu finden, die alle oben aufgeführten Kriterien erfüllen. Darüber hinaus listen Ward und Brownlee drei weitere Faktoren auf, die der Erde eigen waren und von denen angenommen wird, dass sie zur Entstehung und Entwicklung des Lebens beigetragen haben.

Erstens ist da die Anwesenheit vonPlattentektonik, die für die Klimastabilität hier auf der Erde von grundlegender Bedeutung waren. Dank einer Fülle an radioaktiven Isotopen unter der Erdkruste gibt es genügend Wärme, um den Mantel in einem zähflüssigen Zustand zu halten und die Plattentektonik voranzutreiben. Dieser Prozess ermöglicht die Bindung von Kohlenstoff (in Form von Karbonatgestein) und die periodische Freisetzung von CO2durch vulkanische Aktivität.

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Künstlerische Darstellung, wie eine „Schneeballerde“ aussehen könnte. Bildnachweis: NASA

Dies hat einen relativ stabilen CO .-Wert sichergestellt2in unserer Atmosphäre im Laufe der Zeit, was zu einer gewissen Klimastabilität beigetragen hat und die Durchschnittstemperaturen in erträglichen Bereichen geblieben sind. Zweitens zitierten Ward und Brownlee geologische Beweise, die darauf hindeuteten, dass die Erde zweimal in der Geschichte unseres Planeten sehr kalt und mit Eis bedeckt war.

Diese ' Schneeball Erde 'Epochen sind grob aufgetreten' 2,2 Milliarden und 635 Millionen Jahren , die beide mit wichtigen Entwicklungen im irdischen Leben zusammenfielen. Für erstere fiel die Vereisung mit der Entwicklung des photosynthetischen Lebens zusammen, das die Treibhausgase in der Atmosphäre drastisch reduzierte, indem es Sauerstoff verstoffwechselte und freisetzte – auch bekannt als. das Große Oxygenierungsereignis (vor ca. 2,4 bis 2,0 Milliarden Jahren).

Die letzte Schneeballperiode fiel mit der Kambrische Explosion (vor ca. 570 und 530 Millionen Jahren), die durch einen Ausbruch der Artenvielfalt und das Auftreten fast aller heute existierenden Tierlinien gekennzeichnet war. Mit anderen Worten, zwei Schlüsselereignisse in der Evolution des Lebens auf der Erde scheinen einer Schneeball-Erde-Periode gefolgt zu sein (oder damit verbunden zu sein).

Drittens argumentierten Ward und Brownlee die damals populäre Idee, dass sich Bakterienleben auf dem Mars vor der Erde entwickelt haben könnte, weil es früher abgekühlt war. Da der Mars auch eine geringere Gravitation hat, könnten durch Asteroideneinschläge erzeugte Ejekta in Form von Meteoriten die Erde erreicht haben und so die Erde mit Leben füllen. Wenn das stimmt, würde ein felsiger Planet, der keinen marsähnlichen Planeten nebenan hat, mit geringerer Wahrscheinlichkeit Leben entwickeln.

Künstlerische Darstellung von Lebensformen, die während des Kambriums existierten, einer Zeit des schnellen Wandels für terrestrische Arten. Quelle: Smithsonian Natural Museum of History

Kritikpunkte

Während die Seltenerd-Hypothese in vielerlei Hinsicht ansprechend ist, haben Kritiker auf eine Reihe von Mängeln hingewiesen. Für den Anfang wurden Tausende von Exoplaneten entdeckt, seit Ward und Brownlee ihre Theorie geteilt haben, die es Astronomen ermöglicht hat, ein besseres Verständnis davon zu bekommen, welche Arten von Planeten da draußen existieren.

Zum Beispiel waren von den 4.197 Exoplaneten, die in 3.109 Sternensystemen bestätigt wurden, 1.456 felsig – 1.296 Supererden und 160 erdgroß. Im Fall von Roten Zwergsternen scheinen Gesteinsplaneten sehr verbreitet zu sein. Beispiele sind Proxima b, der unserem Sonnensystem am nächsten gelegene Exoplanet, und die sieben Gesteinsplaneten von TRAPPIST-1 (drei davon umkreisen die bewohnbare Zone des Sterns).

Zweitens hat die Untersuchung von Exoplaneten und Körpern innerhalb des Sonnensystems gezeigt, dass Ward und Brownlee in einigen ihrer Annahmen zur Plattentektonik falsch waren. Zum Beispiel behaupteten sie, dass es keine Beweise für ähnliche Aktivitäten auf Körpern innerhalb des Sonnensystems gebe, aber dieNeue HorizonteMission enthüllte Merkmale auf Pluto und Charon (seinem größten Mond), die auf eisige Tektonik hinweisen.

Es gibt auch mehrere Beweislinien, die darauf hindeuten, dass der Mars, der heute als weitgehend geologisch inaktiv galt, in der Vergangenheit Plattentektonik erlebte. Dieser Nachweis umfasst die „ Mars-Dichotomie “, was sich auf den scharfen Höhenunterschied zwischen der Nord- und Südhalbkugel bezieht. Es wurde auch festgestellt, dass Monde wie Europa in ihren eisigen Oberflächen Subduktion und Erneuerung erfahren.

Es ist auch unklar, ob Plattentektonik für das Leben überhaupt notwendig ist oder nicht. Obwohl es seit seinem Beginn vor 3 Milliarden Jahren eine Rolle in der Evolution des Lebens gespielt hat, waren zu diesem Zeitpunkt bereits photosynthetische Organismen entstanden. Ähnlich, aktuelle Forschung hat herausgefunden, dass Planeten ohne Plattentektonik (auch bekannt als „stagnant-lid“-Planeten) genug Wärme speichern können, um bewohnbar zu sein.

Drittens ist nicht klar, ob die Anwesenheit eines großen Mondes notwendig ist, damit auf einem felsigen Planeten Leben entstehen kann. Darüber hinaus haben neuere Forschungen gezeigt, dass der Impaktor, der den Mond geschaffen hat (in Übereinstimmung mit der Giant Impact Hypothese ) könnte sich in einer stabilen Umlaufbahn um den Lagrange Point der Erde gebildet haben, was die Existenz großer Monde bedeuten könnte nicht so selten sein wie vorher gedacht.

Ein weiterer wichtiger Parameter, die Existenz eines jupitergroßen Planeten in einem äußeren System, wurde ebenfalls untersucht. In der Vergangenheit glaubten Astronomen, dass die Umlaufbahn des Jupiter große Impaktoren daran hinderte, die Erde zu erreichen (und damit Auslöschungsereignisse verhinderte). Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass der Gravitationseinfluss des Jupiter möglicherweise tatsächlich mehr Auswirkungen verursacht als verhindert.

Darüber hinaus haben Wissenschaftler in den letzten Jahren die Definition der „bewohnbaren Zone“ in Frage gestellt, wobei einige darauf hindeuten, dass dies so sein könnte viel schmaler als bisher gedacht. Andere Forschungen haben gezeigt, dass bewohnbare Planeten auch in gefunden werden könnten längere Bahnen , was darauf hinweist, dass HZs tatsächlich breiter sind. Es ist auch möglich, dass die Erde nicht den Gipfel der Bewohnbarkeit darstellt und es eine Klasse von „ super bewohnbar “ Welten.

Die Chemikalien, die das Leben auf der Erde ermöglichten, stammen möglicherweise von einem anderen Planeten, der mit der Erde kollidierte und den Mond bildete. Bildquelle: Rice University

Die Chemikalien, die das Leben auf der Erde ermöglichten, stammen möglicherweise von einem anderen Planeten, der mit der Erde kollidierte und den Mond bildete. Credit: Rice University

Es wurde auch viel geforscht, wie unsere Vorstellung von der Bewohnbarkeit vollständig auf der aktuellen geologischen Periode der Erde basiert. Zu vielen Zeitpunkten in der Vergangenheit waren atmosphärische und klimatische Bedingungen deutlich anders auf der Erde als heute. Dennoch wird angenommen, dass diese Bedingungen für die Evolution des Lebens in verschiedenen Stadien wesentlich waren.

Abschluss

Wie die Drake-Gleichung, das Fermi-Paradox und alle Versuche, sie aufzulösen, unterliegt die Seltenerd-Hypothese Unsicherheit. Der Grund dafür ist einfach: Die Menschheit kennt nur einen Planeten, auf dem Leben existiert (Erde). Nur diese eine Vorlage zu haben, schränkt uns stark ein, wenn es darum geht, nach Leben zu suchen, das in einer Reihe von Umgebungen und chemischen Bedingungen existieren kann.

Für den Anfang ist es eine Selbstverständlichkeit, dass das Leben Wasser braucht, um zu gedeihen, da dies hier auf der Erde der Fall ist. Allerdings ist das Studium von Exoplaneten (insbesondere die umkreisende rote Zwergsterne ) haben darauf hingewiesen, dass diese Planeten eine Überfluss an Wasser . Ebenso die Anwesenheit von Sauerstoffgas ist keine Garantie dafür, dass ein Planet Leben hat, zumal Sauerstoffgas für viele Lebensformen giftig ist

Unter Verwendung von Saturns Mond Titan als Vorlage haben einige Wissenschaftler argumentiert, dass methanogenes Leben in unserem Universum existieren könnte. Extremophile, wie diejenigen, die in der Nähe von hydrothermalen Quellen auf dem Meeresboden leben, weisen ebenfalls darauf hin, dass Leben in extremen Umgebungen entstehen und gedeihen kann. Die vielen ' Ozeanwelten “, die in unserem Sonnensystem existieren, könnte auch ein Hinweis darauf sein, dass Gesteinsplaneten möglicherweise nicht der beste Ort sind, um nach Leben zu suchen.

Am Ende werden wir nicht sicher wissen, ob es da draußen Leben gibt (und unter welchen Bedingungen es existieren kann), bis wir anfangen, etwas zu finden! Das Schöne daran ist, dass wir es nur einmal finden müssen, um das Fermi-Paradoxon aufzulösen. Darüber hinaus wird jede Lebensform und lebenserhaltende Umgebung, die wir entdecken, entweder unsere Definition von Leben erweitern oder dazu dienen, sie zu verstärken.

Wir haben hier bei Universe Today viele interessante Artikel über das Fermi-Paradox, die Drake-Gleichung und die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) geschrieben.

Hier ist Wo sind die Außerirdischen? Wie der „große Filter“ den technischen Fortschritt im Weltraum beeinflussen könnte , Warum es schlecht wäre, außerirdisches Leben zu finden. Der große Filter , Wie könnten wir Außerirdische finden? Die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) , und Fraser und John Michael Godier diskutieren das Fermi-Paradox .

Schauen Sie sich auch den Rest unserer Beyond Fermi's Paradox-Serie an:

Quellen: