Dobrodošli nazaj v našo Serija Fermi Paradox , kjer si ogledamo možne rešitve za slavno vprašanje Enrica Fermija: 'Kje so vsi?' Danes preučujemo možnost, da je razlog za veliko tišino ta, da je veliko planetov tam zunaj preprosto preveč vodnih!
Leta 1950 italijansko-ameriški fizik Enrico Fermi sedel na kosilo z nekaterimi svojimi kolegi na Nacionalni laboratorij Los Alamos , kjer je delal pet let pred tem v okviru projekta Manhattan. Po različnih navedbah se je pogovor obrnil na nezemljane in nedavni naval NLP-jev. Ob tem je Fermi izdal izjavo, ki se bo zapisala v anale zgodovine: 'Kje so vsi?'
To je postalo osnova za Fermijev paradoks , kar se nanaša na neskladje med ocenami visoke verjetnosti za obstoj nezemeljske inteligence (ETI) in očitnim pomanjkanjem dokazov. Od Fermijevih časov je bilo predlaganih več rešitev za njegovo vprašanje, ki vključuje možnost, da veliko eksoplanetov jeVodni svetovi, kjer je vode tako veliko, da bo manj verjetno, da se bo življenje pojavilo in uspevalo.
Izraz Waterworld se uporablja za opis zemeljskih (skalnatih) planetov, ki imajo na svoji površini znatne količine vode – do te mere, da voda predstavlja pomemben del njihove celotne mase in sestave. V središču hipoteze o vodnih svetovih je ključna predpostavka o pogojih, pod katerimi lahko obstaja življenje v našem vesolju, da ne omenjamo nedavnih ugotovitev na področju preučevanja eksoplanetov.
Umetnikov koncept Kepler-22b, možnega 'vodnega sveta'. Zasluge: NASA/Ames/JPL-Caltech
Z uporabo Zemlje in vseh vrst, ki so se tu skozi čas razvile kot referenčno točko, so znanstveniki prisiljeni domnevati, da je voda ključna sestavina življenja, kot ga poznamo. Med vsemi znanimi topili je voda edina, v kateri lahko preživi življenje, in od nje so za preživetje odvisni vsi znani organizmi na Zemlji.
To postavlja temeljno točko (in omejujoč dejavnik) o iskanju nezemeljskega življenja – tako osnovnega kot kompleksnega. Medtem ko se voda v lovu za nezemeljskim življenjem obravnava kot 'biopodpis', se domneva, da bi prisotnost prevelike količine vode ovirala ključne procese, ki prav tako veljajo za bistvene za življenje. Toda najprej na kratko o terminologiji.
Biosignatures
Po definiciji se izraz 'biosignature' nanaša na katero koli spojino, izotop ali proces, ki se obravnava kot dokaz preteklega ali sedanjega življenja. Natančneje, kažejo na zapletene procese, ki porabljajo brezplačno energijo in povzročajo proizvodnjo organskih odpadkov (biomase). To vključuje vodikov plin (H2), plin kisik (O2), ogljikov dioksid (CO2), metan (CH4), voda (H2O) ter nekatere žveplove in fosforjeve spojine.
Voda je eden najbolj iskanih biosignatur, saj je edino znano topilo, kjer lahko obstaja življenje, in je bistvenega pomena za vse znane življenjske oblike na Zemlji. Toda medtem ko voda pokriva 71 % zemeljske površine, predstavlja le 0,02 % celotne mase našega planeta. Če bi bil ta masni delež višji, bi to pomenilo, da je planet popolnoma prekrit z oceani velike globine, kar bi lahko imelo posledice za bivalnost.
To ni v nasprotju s 'planeti, ki so prehodno bivalni', kjer so opazili skalnate planete, za katere se zdi, da imajo obilico plina kisika, ki je abiotičnega izvora (ni posledica biološke aktivnosti). Namesto tega se domneva, da je plin kisik posledica kemične razdružitve, kjer ultravijolično sevanje povzroči razgradnjo atmosferske vodne pare, kar ustvarja vodik in plin kisika.
Medtem ko se vodikov plin (ki je veliko lažji) izgubi v vesolju, bo plin kisika obdržala gravitacija planeta. Ker pa je plin kisik strupen za številne osnovne življenjske oblike – kot so fotosintetični organizmi, kot so cianobakterije – bi lahko prisotnost abiotičnega kisika dejansko preprečila nastanek življenja. Morda je enako, ko gre za preveliko količino vode.
Izvor
Medtem ko je hipoteza o vodnih svetovih v veliki meri rezultat nedavnih odkritij eksoplanetov, se njeni temelji segajo več desetletij nazaj. Na primer, David Brin je povzel razmišljanje za to hipotezo v svoji pomembni študiji iz leta 1983, Velika tišina – polemika o nezemeljskem inteligentnem življenju :
»Voda pokriva več kot 70 odstotkov zemeljske površine. Morda pa se Zemlja približuje suhemu koncu bivalnega razreda svetov. Veliko manjša površina ali pomanjkanje suhe zemlje bi dalo malo možnosti za razvoj vrst, ki uporabljajo orodja. Večina inteligentnih vrst v vesolju ima morda pogled na kite in si nikoli ne predstavlja radia ali potuje do zvezd.
Razpored 3 eksoplanetov za raziskovanje, kako lahko ozračje izgleda drugače glede na prisotno kemijo in dohodni tok. Zasluge in ©: Jack H. Madden, uporabljeno z dovoljenjem
Podobne argumente sta podala Manasvi Lingam in Abraham Loeb, dva raziskovalca Harvard Smithsonian Center za astrofiziko (CfA) in Inštitut za teorijo in računalništvo (ITC) na univerzi Harvard. V študija 2018 , sta raziskovalca preučila vlogo, ki jo ima oceani in celine v nastanku življenja.
Na koncu so prišli do dveh verjetnih možnosti. Po eni strani so njihovi izračuni pokazali, da je skrbno ravnovesje med oceani in kopenskimi masami ključnega pomena za nastanek kompleksnih biosfer. Po drugi strani so ugotovili, da so planeti, kot je Zemlja – z razmerjem kopne in oceanov 30:70 – verjetno precej redki v našem vesolju.
V zadnjih letih so astronomi opazili tudi znake, da voda lahko predstavlja večji odstotek mase in sestave planeta, kot se je prej mislilo. Po eni strani so sodobne raziskave odkrile številne eksoplanete, ki krožijo v bivalnih conah (HZ) njihovih zvezd, za katere se je zdelo, da so v celoti pokrite z vodo.
Obstaja tudi ogromno skalnatih planetov, ki so v zadnjem desetletju del zvezdnega sistema tipa M (rdeči pritlikavec). To vključuje Proxima b, najbližji eksoplanet Osončju (4,24 svetlobnih let) in ki kroži znotraj HZ svoje zvezde. V študija 2016 , Bastien Brugger in Bleda rdeča pika ekipa je ustvarila vrsto modelov notranje strukture, ki so pokazali, kako so lahko ti planeti v veliki meri sestavljeni iz vode.
Umetnikov vtis planeta »očesnih jabolk«, vodnega sveta, kjer je stran, obrnjena proti soncu, sposobna vzdrževati ocean tekoče vode. Zasluge in avtorske pravice: eburacum45/ DeviantArt
Na podlagi predpostavke, da je Proxima b kamniti planet in nima masivne atmosfere, so Brugger in njegovi sodelavci zaključili, da bo ta planet verjetno imel največji polmer 1,4-krat večji od Zemlje in 1,46-krat večjo maso. Vendar pa ti parametri vključujejo tudi masni delež do 50 % vode, kar pomeni, da gre verjetno za 'oceanski planet' z zamrznjeno ledeno lupino.
Temu je sledil a podobna študija raziskovalci z Univerze v Bernu, ki so preučevali nastanek planetov okoli zvezd z zelo nizko maso (tudi rdeči pritlikavi). Njihovi rezultati so pokazali, da bi se ti planeti gibali od 0,5 do 1,5-kratnega polmera Zemlje (z povprečnim 1 zemeljskim polmerom) in da bi v 90 % primerov voda predstavljala več kot 10 % mase planetov.
Leta 2017 so astronomi potrdili obstoj sedmih kamnitih planetov TRAPPIST-1 , pri čemer tri krožijo znotraj zvezdnega HZ. Od takrat, več študij so pokazali, da je sistem morda bogat z vodo . Vendar pa študija iz leta 2018, ki jo je vodila država Arizona Šola za raziskovanje Zemlje in vesolja (SESE) je izračunal vsebnost vode na planetih TRAPPIST-1 in dobil podobne rezultate.
Na podlagi svojih modelov sestave mase in polmera so ugotovili, da so najbolj notranji planeti (binc) so bili »bolj suhi« – s 15 % vode po masi – medtem ko so najbolj oddaljeni planeti (fing) je bilo več kot 50 masnih % vode. Leta 2018 je mednarodna skupina znanstvenikov pod vodstvom harvardskega raziskovalca Li Zenga preučila podatke iz Vesoljski teleskop Kepler in Gaia misijo ugotoviti, kako pogosti so v resnici »vodni svetovi«.
Ta umetnikov vtis prikazuje planet Proxima b, ki kroži okoli rdeče pritlikave zvezde Proxima Centauri, najbližje zvezde Osončju. Zasluge: ESO/M. Kornmesser
Iz tega so Zeng in njeni sodelavci lahko ustvarili model, ki je pokazal razmerje med maso in polmerom. Ugotovili so, da so planeti, ki imajo 2,5-krat večji polmer od Zemlje (in maso približno 10-krat večjo od Zemlje), verjetno vodni svetovi – kjer voda predstavlja približno 50 % njihove mase. Skratka, ugotovili so, da bi moralo biti približno 35 % vseh znanih eksoplanetov, večjih od Zemlje, bogatih z vodo.
Posledice
Možnost, da je veliko eksoplanetov vodnih svetov, bi lahko bila zelo slaba, ko gre za iskanje življenja, kot ga poznamo. Planeti, ki imajo na primer do 50 % vode v masi, bi imeli oceane, ki so globoki nekaj kilometrov. V teh pogojih bi bili ti planeti sestavljeni iz tekočih oceanov nad plastmi visokotlačnega ledu, ki obdaja kamnito jedro.
Prisotnost ledu med kamnitim jedrom in površinskim oceanom bi preprečila izmenjavo energije z geotermalno aktivnostjo. Na Zemlji naj bi bila prisotnost geotermalnih odprtin na meji jedro-plašč bistvena za nastanek življenja. Na oceanskih svetovih, kot so Evropa in druge ledene lune, naj bi bila ta ista dejavnost bistvena za obstoj življenja v njihovih oceanih.
Ali je glede na njihovo skupnost mogoče, da je življenje v našem vesolju redko zaradi tega, kako pogosti so vodni svetovi? Ali je mogoče, da življenje, kot ga poznamo, ni redko zaradi odsotnosti ključnega biosignature, ampak zaradi njegove prevelike količine? To bi predstavljalo popolno inverzijo tistega, kar so mnogi astronomi pričakovali, da bi našli, vendar predstavlja možno rešitev Fermijevega paradoksa.
Kritike
Čeprav je ta hipoteza privlačna, kar zadeva Fermijev paradoks, izključuje možnost življenja na vodnih svetovih. Na primer, v študiji iz leta 2018 geofizika Edwina Kitea in astrofizika Erica Forda – z naslovom » Naseljenost vodnih svetov eksoplanetov ” – sta trdila, da bi Waterworlds lahko vzdrževati cikel ogljika brez geološke dejavnosti ali kopnega in zato primerna za bivanje.
Na Zemlji so temperature ostale stabilne skozi eone zaradi razmeroma doslednih ravni CO2v našem vzdušju. To je posledica cikla ogljika, kjer toplogredne pline absorbirajo minerali (ki jih omogoča konvekcija v plašču) in se občasno sproščajo nazaj v ozračje z vulkansko aktivnostjo. V tem scenariju je geološka dejavnost bistvena za ohranjanje bivalnosti.
Takšen proces ne bi bil mogoč na vodnih svetovih, kjer je celotna površina planeta sestavljena iz vode in geotermalna aktivnost ne more prenesti materiala ali energije v ozračje. Toda glede na simulacije, ki sta jih izdelala Kite in Ford, bi Waterworlds lahko krožili dovolj ogljika med atmosfero in oceani, da bi ohranili stabilno podnebje več milijard let.
Poleg tega a študija 2018 Geofizika Bradford Foley in Andrew Smye z univerze Pennsylvania State sta pokazala, da tektonika plošč ni potrebna za vzdrževanje bivalnih razmer na planetu. Tudi tukaj je raziskovalna skupina pokazala, da je mogoče vzdrževati ogljikov cikel brez potrebe po konvekciji v vulkanski skorji planeta (pod pogojem, da je v plašču zadostna količina radioaktivnih elementov).
Kopernikanski proti Antropski
Drug pomemben premislek je, kako ta hipoteza postavlja vprašanja o Zemlji in naravi zemeljskega življenja. Zlasti je ponovno vzbudila razpravo o tem, ali je Zemlja tipičen primer bivalnih planetov ali redek (ali celo edinstven) primer. Prva možnost je primer Kopernikanskega načela (alias. Načelo povprečnosti), ki pravi, da Zemlja in človeštvo nista v privilegiranem položaju za opazovanje vesolja.
Nasprotno pa Antropsko načelo trdi, da so znanstvena opazovanja možna le zato, ker so zakoni vesolja združljivi z razvojem čutečega življenja. V smislu kozmologije Antropsko kozmološko načelo trdi, da sta človeštvo in Zemlja res v privilegiranem položaju in nista primer norme.
V zvezi s tem bi lahko obstoj vodnih svetov pomenil, da so planeti, kot je Zemlja, pravzaprav precej redki v vesolju. Odvisno od tega, ali so primerne za bivanje ali ne, bi to lahko pomenilo tudi, da je vrsta, kot je človeštvo (kopenska, ki uporablja orodja, itd.), manjšina – ali preprosto edinstvena. Kakorkoli že, lahko pojasni, zakaj se ne oglasimo z nikomer!
Čeprav znanstveniki ne morejo z gotovostjo reči, ali vodni svetovi ne morejo podpirati življenja ali da vodni svetovi predstavljajo statistično pomemben odstotek planetov zunaj Osončja, ta hipoteza odraža, kako se je naše znanje o eksoplanetih v zadnjih letih znatno povečalo. Opozarja nas tudi, da razprava med Kopernikovim in antropskim načelom še zdaleč ni končana.
Ta umetnikov vtis prikazuje več planetov, ki krožijo okoli ultra hladne rdeče pritlikavke zvezde TRAPPIST-1. Zasluge: ESO
Kljub temu je glede na možnosti precej zanimivo. Morda je David Brin to najbolje rekel:
»Izkazalo se je, da naša Zemlja drsi sam notranji rob našega sonca, ki je nenehno bivalno – ali »Zlatolaska« – cone. In Zemlja je lahko nenavadna. Morda imamo, ker smo tako blizu našega sonca, ozračje nenavadno bogato s kisikom in imamo nenavadno malo oceana za vodni svet ...
»V tem primeru je evolucija bitij, kot smo mi, z rokami, ognjem in podobnimi stvarmi, morda redka v galaksiji. V tem primeru, ko bomo zgradili zvezdne ladje in se odpravili tja, bomo morda našli veliko in veliko življenjskih svetov, a vsi so kot Polinezija. Tam bomo našli veliko in veliko inteligentnih življenjskih oblik, toda vsi so delfini, kiti, lignji, ki nikoli ne bi mogli zgraditi lastnih ladij.'
Na Universe Today smo napisali veliko zanimivih člankov o Fermijevem paradoksu, Drakeovi enačbi in Iskanju nezemeljske inteligence (SETI).
tukaj Kje so Nezemljani? Kako bi lahko 'veliki filter' vplival na tehnološki napredek v vesolju , Zakaj bi bilo iskanje tujega življenja slabo. Veliki filter , Kako bi lahko našli tujce? Iskanje zunajzemeljske inteligence (SETI) , in Fraser in John Michael Godier razpravljata o Fermijevem paradoksu .
Želite izračunati število nezemeljskih vrst v naši galaksiji? Pojdite na Kalkulator tuje civilizacije !
Oglejte si tudi preostanek naše serije Beyond Fermi's Paradox:
- Onkraj 'Fermijevega paradoksa' I: Pogovor za kosilo - Enrico Fermi in nezemeljska inteligenca
- Onkraj 'Fermijevega paradoksa' II: dvomi o Hart-Tiplerjevi domnevi
- Onkraj 'Fermijevega paradoksa' III: Kaj je veliki filter?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« IV: Kaj je hipoteza redkih zemelj?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« V: Kaj je hipoteza estivacije?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« VI: Kaj je hipoteza Berserka?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« VII: Kaj je hipoteza o planetariju?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« VIII: Kaj je hipoteza o živalskem vrtu?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« IX: Kaj je hipoteza kratkega okna?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« X: Kaj je hipoteza prvorojenca?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« XI: Kaj je transcenzivna hipoteza?
- Onkraj »Fermijevega paradoksa« XIII: Kaj je hipoteza »oceanskih svetov«?
Astronomy Cast ima nekaj zanimivih epizod na to temo. tukaj Epizoda 24: Fermijev paradoks: Kje so vsi tujci? , Epizoda 110: Iskanje nezemeljske inteligence , Epizoda 168: Enrico Fermi , Epizoda 273: Rešitve Fermijevega paradoksa .
Viri:
- Brin, G.D. Velika tišina – polemika o nezemeljskem inteligentnem življenju .” Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, letn. 24, št. 3 (1983)
- Brugger, B. (et al.) “ Možne notranje strukture in sestave Proxima Centauri b .” The Astrophysical Journal Letters (2016)
- Alibert, Y. & Benz, W.' Nastanek in sestava planetov okoli zvezd z zelo nizko maso .” Astronomija in astrofizika, letn. 598 (2017)
- Unterborn, C.T. (et al.) ' Notranja migracija planetov TRAPPIST-1, kot izhaja iz njihove sestave, bogate z vodo .” Astronomija narave, letn. 2 (2018)
- Foley, B. & Smye, A. ' Kroženje ogljika in bivalnost zemeljskih planetov stagnirajočih pokrovov .' Astrobiology Vol. 18, št. 7 (2018)
- Kite, E. & Ford, E.' Naseljenost vodnih svetov eksoplanetov .” Ameriško astronomsko društvo, letnik. 864, št. 1 (2018)
- Zeng, L. (et al.) “ Model rasti Interpretacija porazdelitve velikosti planetov .” Proceedings of the Royal Astronomical Society, letn. 116,št. 20 (2019)
- Nisr, C. (et al.) “ Velika H2O topnost v gostem silicijevem dioksidu in njene posledice za notranjost planetov, bogatih z vodo .” Zbornik Kraljevega astronomskega društva (2020)