Wir alle erinnern uns an die Kindergeschichte „Goldlöckchen und die drei Bären“. Wir erzählen unseren Kindern und Enkeln gerne, dass Papa Bärs Brei zu heiß war, Mama Bärs Brei zu kalt, aber Baby Bärs Brei war genau richtig. Es ist daher nicht verwunderlich, dass Wissenschaftler, als sie begannen, über die Tatsache nachzudenken, dass die Ozeane der Erde Milliarden von Jahren lang flüssig bleiben mussten, damit Leben überleben konnte – die Temperatur des Planeten durfte nicht zu heiß und nicht zu kalt sein, sondern musste genau richtig sein -, ihn den ersten „Goldlöckchen-Planeten“ nannten.“

Sehen Sie es so: Wie alle Sterne ihres Typs ist auch unsere Sonne in den 4,5 Milliarden Jahren seit ihrer Entstehung allmählich heller geworden. Als sich vor etwa 4 Milliarden Jahren die ersten Ozeane auf der Erde bildeten, war die Sonne etwa 30 Prozent schwächer als heute, so dass der Planet viel mehr von der einfallenden Sonnenenergie zurückhalten musste, damit seine Ozeane nicht gefroren. Im Laufe der Zeit, als die Sonne mehr Energie auf die Erde schickte, veränderte sich auch die Zusammensetzung der Atmosphäre des Planeten, was die Temperatur durch den Treibhauseffekt beeinflusste. Trotz alledem scheinen die Ozeane während der gesamten Erdgeschichte nur wenige Grad über dem Gefrierpunkt geblieben zu sein. Nicht zu kalt und nicht zu heiß.

Um nur ein Beispiel für atmosphärische Veränderungen zu nennen, wissen wir, dass die Ozeane der Erde vor 3,5 Milliarden Jahren blühende Kolonien von Cyanobakterien beherbergten – ähnlich dem, was wir als grünen Teichschaum bezeichnen. Zu dieser Zeit gab es praktisch keinen freien Sauerstoff in der Atmosphäre, aber die Bakterien gaben Sauerstoff als Abfallprodukt der Photosynthese ab (wie es Pflanzen auch heute noch tun). Zunächst wurde dieser Sauerstoff durch chemische Reaktionen entfernt, z. B. durch das Rosten von Eisen in den Oberflächengesteinen, doch vor etwa 2,5 Milliarden Jahren begann sein Vorkommen im Rahmen dessen, was einige Wissenschaftler als das Große Oxidationsereignis bezeichnen, zuzunehmen. Vermutlich starben daraufhin viele ursprüngliche Bewohner des Planeten, die keinen Sauerstoff vertragen konnten, aus und ertranken in ihren eigenen Abfallprodukten. Andere jedoch passten sich an und konnten den Sauerstoff nutzen, um den Atmungszyklus anzutreiben, der Sie und alle anderen Tiere auf dem Planeten heute am Leben erhält.

Im Jahr 1978 veröffentlichte der Astrophysiker Michael Hart, damals an der Trinity University in Texas, ein Computermodell, das die Geschichte der Erdatmosphäre beschrieb. In diesem Modell wurde die schwache Wärme der frühen Sonne durch einen Treibhauseffekt unterstützt, der durch Ammoniak und Methan in der Atmosphäre erzeugt wurde (beide sind wie das bekanntere Kohlendioxid, CO2, Treibhausgase). Als die Sonne heller wurde, zerstörte der von lebenden Organismen produzierte Sauerstoff diese Verbindungen, wodurch der Treibhauseffekt abnahm und die erhöhte Sonnenstrahlung kompensiert wurde. Schließlich entstand unsere heutige Atmosphäre mit einem Treibhauseffekt, der von Kohlendioxid und Wasserdampf angetrieben wird. Im Wesentlichen bewegte sich die Erde auf einem schmalen Grat zwischen einem unkontrollierbaren Treibhauseffekt auf der einen Seite und dem Erfrieren auf der anderen Seite.

Der aus unserer Sicht wichtigste Teil der Hart’schen Berechnungen ergab sich jedoch aus der Frage, was passiert wäre, wenn die Erde einen anderen Abstand zur Sonne gehabt hätte, als sie ihn heute hat. Wäre die Erde ein Prozent weiter von der Sonne entfernt oder fünf Prozent näher an ihr dran gewesen, wäre das empfindliche Gleichgewicht, das den Ozeanen erlaubt, in flüssiger Form zu bleiben, verloren gegangen, so sein Modell. So führten die Überlegungen zur Entwicklung der Atmosphäre unseres Planeten zu der Idee, dass es einen Bereich um einen Stern gibt, in dem die Ozeane auf der Oberfläche über Milliarden von Jahren flüssig bleiben können. Dieses Band wird als zirkumstellare bewohnbare Zone (CHZ) bezeichnet und ist zu einer der zentralen Ideen geworden, die die Überlegungen der Wissenschaftler über Leben auf Exoplaneten vorantreiben.

Zirkumstellare bewohnbare Zonen und Bewohnbarkeit

Das erste, was wir über CHZs sagen können, ist, dass jeder Stern eine haben wird. Es wird immer einen Bereich um den Stern geben, in dem die Energiebilanz die Temperatur einer Planetenoberfläche zwischen dem Gefrier- und dem Siedepunkt von Wasser halten kann. Bei kleinen, lichtschwachen Sternen ist das Band schmal und eng. Viele der bekannten Exoplaneten in der CHZ ihres Sterns befinden sich beispielsweise näher an diesem Stern als Merkur an der Sonne. In ähnlicher Weise ist die CHZ von großen, hellen Sternen breiter und liegt weiter entfernt. Außerdem nimmt, wie bereits erwähnt, die Energieleistung eines Sterns mit der Zeit zu, so dass sich die bewohnbare Zone mit zunehmendem Alter des Sterns nach außen verlagert. Der wichtige Punkt ist jedoch, dass jeder Stern irgendwo eine bewohnbare Zone hat und wir erwarten, dass sich zufällig einige Planeten in diesen Zonen gebildet haben.

Nachdem wir diesen Punkt angesprochen haben, müssen wir jedoch hinzufügen, dass die Wissenschaftler in den letzten zehn Jahren erkannt haben, dass die bewohnbare Zone viel sorgfältiger betrachtet werden muss, als es eine einfache Berechnung der Temperaturbilanz erlaubt. Wie die MIT-Astrophysikerin Sara Seager hervorhebt, gibt es keine Garantie dafür, dass ein Planet in der bewohnbaren Zone tatsächlich bewohnbar ist. Es gibt in der Tat viele Faktoren, die die Möglichkeit von Leben auf Welten in einer CHZ beeinflussen können.

Als die Erforschung von Exoplaneten voranschritt, wurde das Auffinden eines erdähnlichen Planeten in einer CHZ zu einer Art heiligem Gral in der astronomischen Gemeinschaft. Heute haben wir jedoch erkannt, dass es für die Bewohnbarkeit eines Planeten mehr gibt als die Lage seiner Umlaufbahn. So haben Forscher beispielsweise Welten untersucht, die sich nicht in der CHZ ihres Sterns befanden, keine Ozeane mit flüssigem Wasser auf der Oberfläche hatten und dennoch möglicherweise Leben und sogar hoch entwickelte Zivilisationen beherbergten. Überlegungen wie diese haben die Wissenschaftler dazu veranlasst, die Bedingungen, die für das Auftreten von Leben notwendig sind, viel umfassender zu betrachten.

Der Typ des beteiligten Sterns

Der Typ des Sterns, um den ein Planet kreist, kann wichtige Auswirkungen auf die Entwicklung von Leben haben, sogar für Planeten in einer CHZ. Kleine, lichtschwache Sterne zum Beispiel, die als Rote Zwerge bezeichnet werden und den größten Anteil der Sterne in der Milchstraße ausmachen, durchlaufen oft Perioden extremer Aktivität. Stellare Eruptionen und Auswürfe massiver Mengen geladener Teilchen würden das Leben auf einer Planetenoberfläche sehr schwierig machen, unabhängig davon, ob sich der Planet in der CHZ befindet oder nicht. In solchen Systemen müsste das Leben wahrscheinlich auf dem Meeresboden oder unter der Erde bleiben, um zu überleben. In solchen Situationen wird die CHZ einfach irrelevant.

Wissenschaftler beginnen, die Idee aufzugeben, dass sich das Leben auf der Oberfläche von Planeten entwickeln und fortbestehen muss. Viele aktuelle Argumente lassen zum Beispiel den Schluss zu, dass alle lebenden Organismen auf dem Mars unter der Oberfläche zu finden sein werden. Sollte Leben in unterirdischen Ozeanen im äußeren Sonnensystem existieren, wie z. B. in den Ozeanen von Europa und Enceladus, dann befindet es sich per Definition unter der Oberfläche. Selbst auf der Erde scheint es unter der Planetenoberfläche eine größere Biomasse zu geben als auf ihr. Die intensive Strahlungsumgebung, die mit kleinen Sternen verbunden ist, muss also die Entwicklung von Leben nicht ausschließen, auch wenn es wahrscheinlich unmöglich wäre, dieses Leben mit unserer heutigen Technologie direkt zu entdecken.

Massereichere Sterne hingegen bieten eine freundlichere Strahlungsumgebung, aber sie können eine relativ kurze Lebensdauer haben. In einigen Fällen kann ihre Lebensdauer bis zu 30 Millionen Jahre betragen. Es ist unwahrscheinlich, dass sich in so kurzer Zeit etwas anderes als einfaches mikrobielles Leben auf einem Planeten entwickeln könnte. Hinzu kommt, dass solche Sterne ihr Leben in einer gewaltigen Explosion, einer so genannten Supernova, beenden, die mit Sicherheit alle Planeten in der Nähe zerstören würde. Selbst wenn es also gelänge, in der CHZ eines solchen Sterns Leben zu entwickeln, würden alle Spuren davon ausgelöscht, wenn der Stern stirbt.

Aufgrund dieser Einschränkungen haben Exoplanetenjäger ihre Aufmerksamkeit auf Planeten in der CHZ mittelgroßer Sterne wie der Sonne konzentriert.

Die Entwicklung der Atmosphäre

Die zweite Quelle der Komplexität in der Diskussion über die Bewohnbarkeit ergibt sich daraus, dass Planetenatmosphären keine stabilen, unveränderlichen Systeme sind, sondern sich mit der Zeit entwickeln. Das große Oxidationsereignis auf der Erde ist nur ein Beispiel für diese Art von Prozess.

Für kleine Planeten wie den Mars spielt die Schwerkraftflucht der Atmosphäre eine große Rolle. Das funktioniert folgendermaßen: Die Moleküle, aus denen die Atmosphäre eines Planeten besteht, sind immer in Bewegung, und je höher die Temperatur ist, desto schneller bewegen sie sich. Unabhängig von der Temperatur wird es jedoch immer einige Moleküle geben, die sich schneller als der Durchschnitt bewegen, und einige, die sich langsamer bewegen. Wenn die sich schneller bewegenden Moleküle eine ausreichende Geschwindigkeit erreichen und sich in einer Richtung senkrecht zur Planetenoberfläche bewegen, können sie die Anziehungskraft des Planeten überwinden und in den Weltraum entkommen.

Je größer der Planet ist, desto stärker ist seine Anziehungskraft und desto leichter ist es, die Atmosphäre zu erhalten. Auf der Erde zum Beispiel müsste sich ein Molekül mit einer Geschwindigkeit von etwa 11 km/s bewegen, um zu entkommen. Es ist wichtig zu wissen, dass es schwieriger ist, schwere Moleküle auf hohe Geschwindigkeiten zu bringen als leichte. Das bedeutet, dass leichtere Moleküle mit größerer Wahrscheinlichkeit durch die Schwerkraft verloren gehen als schwere. Die Erde zum Beispiel hat einen großen Teil ihres ursprünglichen Wasserstoffs und Heliums – die leichtesten Bestandteile ihrer Atmosphäre – verloren, während der Mars sogar noch schwerere Gase wie Sauerstoff und Stickstoff verloren hat.

Ein damit verbundener Verlustmechanismus, die so genannte Photodissoziation, ist für Wassermoleküle besonders wichtig. Wenn es auf der Oberfläche eines Planeten Wasser gibt, dann gibt es auch etwas Wasserdampf in der Atmosphäre. Die ultraviolette Strahlung des Planetensterns spaltet die Wassermoleküle auf, die sich in den oberen Bereichen der Atmosphäre befinden. Der dabei entstehende leichte Wasserstoff geht durch die Schwerkraft verloren, und der Sauerstoff verbindet sich mit den Atomen auf der Oberfläche und bildet verschiedene oxidierte Mineralien. Wir glauben zum Beispiel, dass der Mars auf diese Weise den Ozean verloren hat, den er zu Beginn seiner Geschichte hatte, und dass die rote Farbe des Planeten auf die Oxidation (Verrostung) von Eisen in seinem Oberflächengestein zurückzuführen ist.

Eine andere wichtige Art von Veränderung betrifft Kohlendioxid, ein wichtiges Treibhausgas (zusammen mit Wasserdampf) in der Erdatmosphäre. Jedes Mal, wenn auf der Erde ein Vulkan ausbricht, wird Kohlendioxid aus den Tiefen des Erdmantels freigesetzt und in die Atmosphäre gepumpt. In einem komplexen Prozess, der als tiefer Kohlenstoffkreislauf bekannt ist, wird das Kohlendioxid in den Ozean aufgenommen und in Materialien wie Kalkstein eingebaut, von wo aus es unter anderem ins Erdinnere zurückgeführt werden kann. Die allgemeinen geologischen Prozesse auf einem Planeten können sich also auf die Menge an Kohlendioxid in der Atmosphäre auswirken, und dies wiederum beeinflusst die Temperatur des Planeten. Wir gehen davon aus, dass alle Oberflächenozeane, die in der Frühzeit der Venus existierten, aufgrund der hohen Temperatur des Planeten, die sich aus seiner Nähe zur Sonne ergibt, verdampft wären. Die Venus hatte also keine Möglichkeit, Kohlendioxid aus ihrer Atmosphäre zu entfernen, und in Ermangelung eines tiefen Kohlenstoffkreislaufs kam es auf dem Planeten zu einer Anhäufung dieses Gases, die als unkontrollierbarer Treibhauseffekt bezeichnet wird.

Diese Beispiele zeigen, dass Veränderungen in der Atmosphäre eines Exoplaneten – Veränderungen, die wir mit den derzeitigen Teleskopinstrumenten nicht beobachten können – tiefgreifende Auswirkungen auf seine Bewohnbarkeit haben können. Um nur ein Beispiel zu nennen: Ein Planet, der sich in der CHZ seines Sterns befindet, aber nur sehr wenig Wasser hat, könnte unter einem unkontrollierbaren Treibhauseffekt leiden und wie die Venus enden. Aus der Ferne wäre es sehr schwer festzustellen, ob dies geschehen ist oder nicht.

Intelligenz und Technologie

Die Tatsache, dass wir ziemlich gut wissen, wie und wann sich das Leben auf einer Goldlöckchen-Welt (der Erde) entwickelt hat, nimmt den Diskussionen über die Entwicklung von Leben auf solchen Planeten einiges an Rätselraten. Obwohl die Chemie außerirdischen Lebens nicht auf demselben System beruhen muss wie die des Lebens auf der Erde, ist es nicht zu weit hergeholt anzunehmen, dass Lebensformen auf anderen Goldlöckchen-Welten in ähnlicher Weise von der komplexen Information abhängen, die in großen, auf Kohlenstoff basierenden Molekülen enthalten ist. Kohlenstoff kann starke, stabile Ketten und Ringe von Atomen bilden, die sich ideal als informationstragende Biomoleküle eignen.

Außerdem müssen wir nicht von einer Standard-Science-Fiction-Galaxie ausgehen, die von zweibeinigen Hominiden bevölkert ist, die Englisch sprechen, um zu verstehen, wie die natürliche Auslese auf anderen Goldlöckchen-Welten funktionieren könnte. Wir können uns die Entwicklung von Intelligenz und Technologie auf der Erde ansehen und mögliche Analogien zu ähnlichen Goldlöckchen-Planeten in der Galaxie ziehen.

Der wichtigste Punkt, den wir bei der natürlichen Auslese beachten müssen, ist folgender: Es handelt sich nicht um einen Prozess, der nach Nettigkeit oder moralischem Wert selektiert. Ein alter Witz bringt dies auf den Punkt:

Zwei Wanderer treffen in den Bergen auf einen offensichtlich hungrigen

Grizzlybären. Einer der Wanderer beginnt, seinen Rucksack abzulegen.

Der andere sagt: „Was machst du da? Du kannst nicht schneller

laufen als der Bär.“

„Ich muss nicht schneller laufen als der Bär – ich muss nur

schneller laufen als du.“

Es macht keinen Unterschied, ob der langsamere Läufer ein freundlicher Mann ist, der alten Damen über die Straße hilft. Die natürliche Auslese kümmert sich nicht darum. Das Einzige, was zählt, ist, dass sein Begleiter schneller ist. Das sind die Gene, die es in die nächste Generation schaffen werden.

Lebensformen auf Goldlöckchen-Welten

Was sagt uns das also über die Arten von Lebensformen, die sich auf Goldlöckchen-Welten entwickeln werden? Wir befürchten, dass die Antwort nicht sehr ermutigend ist, denn das wahrscheinlichste Ergebnis ist, dass sie wahrscheinlich nicht sanfter und freundlicher sein werden als der Homo sapiens. Betrachtet man die Geschichte unserer Spezies und das Verschwinden von mehr als 20 Hominidenarten, die in den Fossilienfunden entdeckt wurden, können wir keine Hoffnung haben, dass wir auf eine fortgeschrittene technologische Spezies treffen werden, die friedlicher ist als wir selbst. Jeder, den wir dort draußen finden, wird höchstwahrscheinlich nicht moralischer oder weniger kriegerisch sein als wir. Beängstigend!

Betrachten Sie es einmal so: Wenn wir die Geschichte des Universums auf ein einziges Jahr komprimieren, haben sich die Erde und unser Sonnensystem um den Tag der Arbeit herum gebildet, und die Entwicklung der Wissenschaft nimmt nicht mehr als die letzten paar Sekunden ein. Es ist äußerst unwahrscheinlich, dass in dem gesamten „Jahr“ vor dem Auftauchen des Homo sapiens keine anderen Wesen die Wissenschaft entwickelt haben. Die Gesetze der Physik und Chemie sind nicht obskur oder versteckt – jede halbwegs intelligente Zivilisation kann sie entdecken. Zumindest einige dieser Goldlöckchen-Zivilisationen müssten dies tun. Irgendein außerirdischer Isaac Newton muss irgendwo den Anstoß zu einer fortgeschrittenen technologischen Zivilisation gegeben haben. Die beunruhigendste Tatsache ist, dass wir keinen Beweis für eine solche Zivilisation finden können. Selbst wenn es keinen Warp-Antrieb gibt, der schneller als Licht ist, und wir keine großen technologischen Fortschritte machen, könnten sich Berechnungen zufolge die Menschen in 30 Millionen Jahren – weniger als ein Tag in unserem Weltjahr – in der gesamten Galaxis ausbreiten. Wenn wir dazu in der Lage sind, dann kann das auch jede andere Zivilisation, die so weit fortgeschritten ist wie wir.

Wo sind diese anderen Zivilisationen? Diese Frage ist Ausdruck des sogenannten Fermi-Paradoxons (benannt nach Enrico Fermi (1901 bis 1954), einem der führenden Physiker des 20. Jahrhunderts). Jahrhunderts). Jemand erwähnte ihm gegenüber einmal Berechnungen, die nahelegen, dass es in der Galaxie Millionen von Hochkulturen gibt. Fermi dachte einen Moment lang nach und fragte dann: „Wo sind die alle?“ Warum, mit anderen Worten, sind sie nicht schon hier? Warum erleben wir das, was Wissenschaftler „die große Stille“ nennen, wenn es um Außerirdische geht?

Wissenschaftler und Science-Fiction-Autoren haben als phantasievolle Seelen, die sie sind, viele mögliche Erklärungen geliefert. Hier sind ein paar der beliebtesten:

• Die Zoo-Hypothese: Außerirdische haben die Erde zu einer Art geschütztem Wildnisgebiet erklärt.
• Die Star Trek-Hypothese: Die Außerirdischen haben eine Oberste Direktive angenommen, die sie daran hindert, sich in sich entwickelnde Zivilisationen wie die unsere einzumischen.
• Die Paradies-Hypothese: Die Außerirdischen sind fett und glücklich in einer idealen Umgebung und haben kein Interesse an der Erforschung.
• Die Ersatzhypothese: Organisches Leben wurde durch intelligente Maschinen ersetzt (eine Zukunft, die man sich oft für die menschliche Rasse vorstellt), und die Maschinen haben kein Interesse daran, mit organischem Leben in Kontakt zu treten.

Das Problem ist jedoch, dass wir uns zwar vorstellen können, dass sich jedes dieser Szenarien in einigen außerirdischen Zivilisationen abspielt, aber es ist wirklich schwierig, eines davon als unvermeidliches Ergebnis der Entwicklung des Lebens zu betrachten.

Es muss viele Millionen erdgroßer Planeten in den CHZ ihrer Sterne geben, eine Vermutung, die durch die Tatsache gestützt wird, dass wir in unserer kleinen Stichprobe von einigen Tausend Exoplaneten bereits ein paar Dutzend von ihnen gefunden haben. Dass alle von ihnen so etwas wie die Oberste Direktive von Star Trek übernehmen würden, ist äußerst unwahrscheinlich. Wir befürchten, dass die logischste Antwort auf die Frage, warum wir nichts von der Existenz fortgeschrittener außerirdischer Zivilisationen wissen, die ist, dass es diese Zivilisationen nicht gibt. Soweit wir sehen können, ist die einzige Erklärung dafür, die von den Naturgesetzen abhängt, eine, die von der natürlichen Auslese abhängt.

Dies führt uns zu einer sehr düsteren Möglichkeit über das Schicksal des Lebens auf Goldlöckchen-Welten. In Anbetracht der Tendenz der natürlichen Auslese, aggressive Arten hervorzubringen – Arten wie den Homo sapiens -, ist es möglich, dass die gesamte Geschichte des Universums von einem Evolutionsprozess durchlaufen wurde, der intelligente Lebensformen auf einem Goldlöckchen-Planeten nach dem anderen hervorbrachte, nur damit diese Lebensformen sich selbst auslöschen, sobald sie die Wissenschaft entdecken. Mit anderen Worten: Es mag da draußen eine große Anzahl von Zivilisationen gegeben haben, die unser Niveau erreicht haben, aber sie haben sich alle selbst zerstört, bevor sie ihre nahen Sterne kolonisieren konnten. Dieses Untergangsszenario ist eine gängige Erklärung für das Fermi-Paradoxon.

Es ist ein erschreckender Gedanke.