Mindannyian emlékszünk az “Aranyhaj és a három medve” című óvodai mesére. Örömmel meséljük gyermekeinknek és unokáinknak, hogy Papa Maci zabkása túl meleg volt, Mama Maci zabkása túl hideg, de Baba Maci zabkása pont jó volt. Nem meglepő tehát, hogy amikor a tudósok elkezdtek gondolkodni azon a tényen, hogy a Föld óceánjainak évmilliárdokig folyékonynak kellett maradniuk ahhoz, hogy az élet fennmaradhasson – a bolygó hőmérsékletének nem túl melegnek és nem túl hidegnek, hanem éppen megfelelőnek kellett lennie -, az első “Goldilocks bolygónak” keresztelték el.

Nézzük a dolgot így: Mint minden hasonló típusú csillag, a mi Napunk is fokozatosan fényesebbé vált a keletkezése óta eltelt 4,5 milliárd év alatt. Amikor az óceánok először alakultak ki a Földön, körülbelül 4 milliárd évvel ezelőtt, a Nap körülbelül 30 százalékkal halványabb volt, mint most, így a bolygónak sokkal többet kellett visszatartania a beérkező napenergiából, hogy óceánjai ne fagyjanak meg. Ahogy telt az idő, és a Nap egyre több energiát zúdított a Földre, a bolygó légkörének összetétele is megváltozott, ami az üvegházhatás révén befolyásolta a hőmérsékletet. Mindezek ellenére úgy tűnik, hogy az óceánok a Föld történelme során mindössze néhány fokkal maradtak fagypont felett. Nem túl hideg, de nem is túl meleg.

A légköri változásokra csak egy példát említve, tudjuk, hogy 3,5 milliárd évvel ezelőtt a Föld óceánjai a cianobaktériumok virágzó kolóniáinak adtak otthont – hasonlóan ahhoz, amit mi zöld tóhabnak hívunk. Abban az időben gyakorlatilag nem volt szabad oxigén a légkörben, de a baktériumok a fotoszintézis hulladéktermékeként oxigént bocsátottak ki (ahogy a növények ma is teszik). Eleinte ezt az oxigént kémiai reakciókkal távolították el, például a vas rozsdásodásával a felszíni kőzetekben, de körülbelül 2,5 milliárd évvel ezelőtt az oxigén mennyisége növekedni kezdett, amit egyes tudósok Nagy Oxidációs Eseménynek neveznek. Feltehetően a bolygó számos eredeti lakója, amely nem tudta elviselni az oxigént, kihalt, és belefulladt saját salakanyagába. Mások azonban alkalmazkodtak, és képesek voltak felhasználni az oxigént a légzési ciklus működtetésére, amely ma is életben tart bennünket és minden más állatot a bolygón.

1978-ban Michael Hart asztrofizikus, aki akkoriban a texasi Trinity Egyetemen dolgozott, közzétett egy számítógépes modellt, amely leírta a Föld légkörének történetét. Ebben a modellben a korai Nap gyenge melegét a légkörben lévő ammónia és metán által keltett üvegházhatás segítette (mindkettő, akárcsak az ismertebb szén-dioxid, a CO2, üvegházhatású gáz). Ahogy a Nap fényesebbé vált, az élő szervezetek által termelt oxigén elpusztította ezeket a vegyületeket, csökkentve az üvegházhatást, és így ellensúlyozva a megnövekedett napsugárzást. Végül kialakult a jelenlegi légkörünk, amelynek üvegházhatását a szén-dioxid és a vízgőz okozza. Lényegében a Föld késhegyre menő úton járt az egyik oldalon az elszabadult üvegházzá válás, a másikon pedig a megfagyás között.

Hart számításainak a mi szempontunkból legfontosabb része azonban abból adódott, hogy megvizsgálta, mi történt volna, ha a Föld más távolságra van a Naptól, mint ahol jelenleg van. Modellje szerint, ha a Föld egy százalékkal távolabb vagy öt százalékkal közelebb lett volna a Naptól, elveszett volna az a kényes egyensúly, amely lehetővé tette, hogy az óceánok folyékony formában maradjanak. A bolygónk légkörének fejlődésével kapcsolatos megfontolások tehát ahhoz az elképzeléshez vezettek, hogy a csillag körül létezik egy olyan sáv, amelyben a felszíni óceánok évmilliárdokon keresztül folyékonyak maradhatnak. Ezt a sávot nevezik csillagkörüli lakhatósági zónának (CHZ), és ez lett az egyik központi gondolat, amely a tudósok gondolatait az exobolygókon való élettel kapcsolatban vezérli.

Circumstellar Habitable Zones and Habitability

A CHZ-kről először is elmondhatjuk, hogy minden csillagnak lesz egy. Mindig lesz egy sáv a csillag körül, más szóval, ahol az energiamérleg a bolygó felszínének hőmérsékletét a víz fagyási és forráspontja között tudja tartani. Kicsi, halvány csillagok esetében ez a sáv keskeny és szoros. Sok ismert exobolygó a csillaguk CHZ-jában például közelebb van ahhoz a csillaghoz, mint a Merkúr a Naphoz. Hasonlóképpen, a nagy, fényes csillagok CHZ-ja szélesebb és távolabb fekszik. Továbbá, mint fentebb említettük, a csillagok energiakibocsátása az idő múlásával növekszik, így a lakhatósági zóna valójában kifelé mozog, ahogy a csillag öregszik. A fontos pont azonban az, hogy mivel minden csillagnak van valahol egy CHZ-je, arra számítunk, hogy pusztán véletlenül néhány bolygó is kialakult ezekben a zónákban.

Azzal, hogy ezt elmondtuk, hozzá kell tennünk, hogy az elmúlt egy-két évtizedben a tudósok rájöttek, hogy a CHZ-t sokkal gondosabban kell figyelembe venni, mint azt a hőmérséklet-egyensúly egyszerű kiszámítása lehetővé teszi. Ahogy Sara Seager, az MIT asztrofizikusa rámutat, egy bolygónak a lakható zónában nincs garancia arra, hogy valóban lakható lesz. Valójában sok olyan tényező van, amely befolyásolhatja az élet lehetőségét a CHZ-ben lévő világokon.

Az exobolygók kutatásának előrehaladtával egy CHZ-ben lévő Föld-típusú bolygó megtalálása a csillagászok körében afféle szent grállyá vált. Mára azonban rájöttünk, hogy egy bolygó lakhatósága többről szól, mint a pályája elhelyezkedéséről. A kutatók például olyan világokat vizsgáltak, amelyek nem voltak a csillaguk CHZ-jában, nem rendelkeztek folyékony vízzel teli felszíni óceánokkal, mégis lehetséges otthont adtak az életnek, sőt fejlett civilizációknak. Az ehhez hasonló megfontolások arra késztették a tudósokat, hogy sokkal tágabban tekintsenek az élet megjelenéséhez szükséges körülményekre.

A bevont csillag típusa

A csillag típusa, amely körül egy bolygó kering, fontos következményekkel járhat az élet kialakulására, még a CHZ-ben lévő bolygók esetében is. A kis, halvány csillagok például, amelyeket vörös törpéknek neveznek, és amelyek a Tejútrendszer csillagainak legnagyobb hányadát teszik ki, gyakran élnek át extrém aktivitású időszakokat. A csillagkitörések és a hatalmas mennyiségű töltött részecskék kilövellése nagyon megnehezítené az életet bármely bolygó felszínén, függetlenül attól, hogy a bolygó a CHZ-ben van-e vagy sem. Az ilyen rendszerekben az életnek valószínűleg az óceánok fenekén vagy a föld alatt kellene maradnia a túléléshez. Ilyen helyzetekben a CHZ egyszerűen lényegtelenné válik.

A tudósok kezdenek lemondani arról az elképzelésről, hogy az életnek a bolygók felszínén kell kialakulnia és fennmaradnia. Sok jelenlegi érvelés például arra a következtetésre jut, hogy a Marson bármilyen élő szervezetet a felszín alatt találnak majd. Továbbá, ha a külső Naprendszerben a felszín alatti óceánokban létezik élet, mint például az Europa és az Enceladus óceánjaiban, akkor az a definíció szerint a felszín alatt lesz. Még a Földön is úgy tűnik, hogy a bolygó felszíne alatt nagyobb biomassza lehet, mint a felszínen. Így a kis csillagokhoz kapcsolódó intenzív sugárzási környezetnek nem kell kizárnia az élet kialakulását, még ha ezt az életet a jelenlegi technológiánkkal valószínűleg lehetetlen is lenne közvetlenül kimutatni.

A nagyobb tömegű csillagok viszont jóindulatúbb sugárzási környezetet biztosítanak, de viszonylag rövid élettartamúak lehetnek. Egyes esetekben akár 30 millió évig is élhetnek. Nem valószínű, hogy az egyszerű mikrobiális életen kívül bármi más is kifejlődhetne egy bolygón ilyen rövid idő alatt. Ráadásul az ilyen csillagok életüket egy szupernóvának nevezett hatalmas robbanásban fejezik be, ami minden bizonnyal elpusztítaná a közeli bolygókat. Így még ha sikerülne is életet kifejleszteni egy ilyen csillag CHZ-jában, annak minden nyoma eltűnne, amikor a csillag elpusztul.

Ezek a korlátok miatt az exobolygóvadászok figyelmüket a Naphoz hasonló közepes méretű csillagok CHZ-jában lévő bolygókra összpontosították.

A légkör fejlődése

A lakhatóságról szóló vita második bonyolult forrása abból adódik, hogy a bolygók légköre nem stabil, változatlan rendszer, hanem idővel fejlődik. A Föld nagy oxidációs eseménye csak egy példa az ilyen folyamatokra.

Az olyan kis bolygók esetében, mint a Mars, a légkör gravitációs menekülése nagy szerepet játszik. Ez így működik: A bolygó légkörét alkotó molekulák mindig mozgásban vannak, és minél magasabb a hőmérséklet, annál gyorsabban mozognak. A hőmérséklettől függetlenül azonban mindig lesznek olyan molekulák, amelyek az átlagosnál gyorsabban, és olyanok is, amelyek lassabban mozognak. Ha a gyorsabban mozgó molekulák elég sebességre tesznek szert, és történetesen a bolygó felszínére merőleges irányba mozognak, akkor legyőzhetik a bolygó gravitációs vonzását, és kiszabadulhatnak az űrbe.

Minél nagyobb a bolygó, annál erősebb a gravitációs ereje, és annál könnyebb megtartani a légkört. A Földön például egy molekulának másodpercenként körülbelül hét mérföldet (11 km/sec) kellene mozognia ahhoz, hogy elmeneküljön. Fontos megjegyezni, hogy a nehéz molekulákat nehezebb nagy sebességre lökni, mint a könnyűeket. Ez azt jelenti, hogy a könnyebb molekulák nagyobb valószínűséggel vesznek el a gravitációs szökés miatt, mint a nehezek. A Föld például nagy mennyiségű eredeti hidrogént és héliumot – légkörének legkönnyebb tagjait – veszített el, míg a Mars még nehezebb gázokat, például oxigént és nitrogént.

A fotodiszszociációnak nevezett kapcsolódó veszteségmechanizmus különösen fontos a vízmolekulák számára. Ha egy bolygó felszínén van víz, akkor a légkörben is lesz némi vízgőz. A bolygó csillagának ultraibolya sugárzása felbontja a légkör felső rétegeiben található vízmolekulákat. A keletkező hidrogén, mivel könnyű, a gravitációs szökés révén elvész, az oxigén pedig a felszínen lévő atomokkal egyesülve különböző oxidált ásványokat hoz létre. Úgy véljük például, hogy a Mars így veszítette el a történelme korai szakaszában meglévő óceánját, és hogy a bolygó vörös színe a felszíni kőzetekben lévő vas oxidációjának (rozsdásodásának) eredménye.

A változás másik fontos fajtája a szén-dioxidot, a Föld légkörében (a vízgőzzel együtt) fontos üvegházhatású gázt érinti. Minden alkalommal, amikor a Földön egy vulkán kigyullad, szén-dioxid szabadul fel a köpeny mélyéről, és kerül a légkörbe. A szén-dioxid a mélységi szénciklusnak nevezett összetett folyamat során az óceánba kerül, és olyan anyagokba épül be, mint a mészkő, majd többek között visszakerül a Föld belsejébe. Így a bolygón zajló általános geológiai folyamatok befolyásolhatják a légkörben lévő szén-dioxid mennyiségét, és ez viszont befolyásolja a hőmérsékletet. Úgy véljük, hogy a Vénusz történelmének korai szakaszában létező felszíni óceánok elpárologtak volna a bolygó magas hőmérséklete miatt, ami a Naphoz való közelségéből adódik. Így a Vénusznak nem volt módja a szén-dioxid eltávolítására a légköréből, és mivel nem volt mély szénciklusa, a bolygón felhalmozódott ez a gáz, ami az úgynevezett elszabadult üvegházhatást eredményezte.

Ezek a példák azt mutatják, hogy egy exobolygó légkörében bekövetkező változások – olyan változások, amelyeket a jelenlegi távcsöves műszerekkel nem tudunk megfigyelni – mélyreható hatással lehetnek a lakhatóságára. Hogy csak egy példát mondjak, egy olyan bolygó, amely a csillagának CHZ-jában van, de történetesen nagyon kevés vízzel rendelkezik, elszabadulhat az üvegházhatás, és úgy járhat, mint a Vénusz. Távolról nagyon nehéz lenne megállapítani, hogy ez megtörtént-e vagy sem.

Intelligencia és technológia

A tény, hogy elég jól értjük, hogyan és mikor alakult ki az élet egy Goldilocks világban (a Földön), némileg elveszi a találgatásokat az ilyen típusú bolygókon való élet kialakulásáról szóló vitákból. Bár az idegen élet kémiai felépítésének nem feltétlenül kell ugyanazon a rendszeren alapulnia, mint ami a földi életben működik, nem túl nagy ugrás azt feltételezni, hogy az életformák más Goldilocks-világokon is hasonlóan a nagy, szénalapú molekulák komplex információitól függenek. A szén erős, stabil atomláncokat és -gyűrűket képes alkotni, amelyek ideálisak információhordozó biomolekulákként való felhasználásra.”

Ezeken túlmenően nem kell feltételeznünk a szokásos sci-fi galaxist, amelyet kétlábú, angolul beszélő hominidák népesítenek be, hogy megértsük, hogyan működhet a természetes szelekció más Goldilocks-világokban. Megnézhetjük az intelligencia és a technológia fejlődését a Földön, és lehetséges analógiákat vonhatunk le a galaxis hasonló Goldilocks-bolygóira.

A természetes szelekcióval kapcsolatban a legfontosabb dolog, amire figyelnünk kell, a következő: ez nem egy olyan folyamat, amely a kedvesség vagy az erkölcsi értékek alapján szelektál. Egy régi vicc jól érzékelteti ezt:

Két kiránduló a hegyekben egy nyilvánvalóan éhes

grizzly medvével találkozik. Az egyik túrázó elkezdi levetni a hátizsákját.

A másik azt mondja: “Mit csinálsz? Nem futhatsz gyorsabban

, mint az a medve.”

“Nem kell gyorsabban futnom, mint a medve – csak gyorsabban kell futnom

, mint neked.”

Nem számít, ha a lassabb futó egy kedves ember, aki idős hölgyeknek segít az utca túloldalán. A természetes szelekciót nem érdekli. Csak az számít, hogy a társa gyorsabb. Ezek azok a gének, amelyek bekerülnek a következő generációba.

Létformák a Goldilock-világokon

Mit mond ez nekünk arról, hogy milyen életformák fognak kialakulni a Goldilock-világokon? Attól tartunk, hogy a válasz nem túl biztató, mert a legvalószínűbb eredmény az, hogy valószínűleg nem lesznek szelídebbek és kedvesebbek, mint a Homo sapiens. Ha megnézzük fajunk történetét és a fosszilis leletekben felfedezett több mint 20 hominidafaj eltűnését, nem tudunk bizakodóan viszonyulni ahhoz a lehetőséghez, hogy egy olyan fejlett technológiai fajjal fogunk találkozni, amely békésebb, mint mi. Bárkivel is találkozunk odakint, az nagy valószínűséggel nem lesz erkölcsösebb vagy kevésbé harcias, mint mi. Félelmetes!

Nézzük a dolgot így: Ha az univerzum történetét egyetlen évbe sűrítjük, a Föld és a naprendszerünk a munka ünnepe körül alakult ki, és a tudomány fejlődése nem több, mint az elmúlt néhány másodperc. Rendkívül valószínűtlen, hogy a Homo sapiens megjelenése előtti teljes “évben” más lények nem fejlesztették volna ki a tudományt. A fizika és a kémia törvényei nem homályosak vagy rejtettek – bármelyik mérsékelten intelligens civilizáció képes felfedezni őket. Legalábbis néhány ilyen Goldilocks civilizációnak ezt kellett volna tennie. Valami földönkívüli Isaac Newton valahol biztosan elindította a fejlett technológiai civilizáció felé vezető utat. A legnyugtalanítóbb tény az, hogy nem találunk bizonyítékot egyetlen ilyen civilizációra sem. Még ha nincs is fénysebességnél gyorsabb térhajtómű, és nem teszünk jelentős előrelépéseket a technológia terén, a számítások szerint 30 millió év alatt – ami kevesebb, mint egy nap a mi egyetemes évünkben – az emberi faj elterjedhet az egész galaxisban. Ha mi képesek vagyunk erre, akkor bármely más, hozzánk hasonlóan fejlett civilizáció is képes lehet erre.

Hát hol vannak ezek a más civilizációk? Ez a kérdés az úgynevezett Fermi-paradoxon egyik kifejezése (amelyet Enrico Fermiről (1901-1954), a 20. század egyik vezető fizikusáról neveztek el). Valaki egyszer számításokat említett neki, amelyek szerint a galaxisban több millió fejlett civilizáció létezik. Fermi egy pillanatra elgondolkodott, majd megkérdezte: “Hol van mindenki?”. Más szóval, miért nincsenek már itt? Miért tapasztaljuk azt, amit a tudósok “a nagy csendnek” neveznek, ami a földönkívülieket illeti?

A tudósok és a sci-fi írók, lévén olyan fantáziadús lelkek, amilyenek, sok lehetséges magyarázatot gyártottak. Íme néhány a legnépszerűbbek közül:

• Az állatkerti hipotézis: A földönkívüliek a Földet valami védett vadonhoz hasonló területté nyilvánították.
• A Star Trek hipotézis:
• A paradicsom hipotézis: A földönkívüliek kövéren és boldogan élnek egy ideális környezetben, és nem érdekli őket a felfedezés.
• A cserehipotézis:

A probléma azonban az, hogy bár el tudjuk képzelni, hogy e forgatókönyvek bármelyike lejátszódjon néhány földönkívüli civilizációban, nagyon nehéz bármelyiket is az élet fejlődésének elkerülhetetlen kimenetelének tekinteni.

Sok millió Föld méretű bolygónak kell lennie a csillaguk CHZ-jában, ezt a feltételezést támasztja alá az a tény, hogy a néhány ezer exobolygóból álló kis mintánkban már találtunk néhány tucatot. Az, hogy mindannyian elfogadnának valami olyasmit, mint például a Star Trek Elsődleges Irányelve, rendkívül valószínűtlen. Attól tartunk, hogy a leglogikusabb válasz arra a kérdésre, hogy miért nem tudunk fejlett földönkívüli civilizációk létezéséről, az, hogy ezek a civilizációk nincsenek ott. Amennyire látjuk, erre az egyetlen magyarázat, amely a természeti törvényektől függ, az a természetes szelekció működésétől függ.”

Ez egy nagyon sötét lehetőséghez vezet bennünket az élet sorsával kapcsolatban a Goldilocks-világokon. Tekintettel arra, hogy a természetes szelekció hajlamos agresszív fajokat létrehozni – olyan fajokat, mint a Homo sapiens -, lehetséges, hogy a világegyetem egész történelmét az evolúció folyamata töltötte ki, amely intelligens életformákat hozott létre egyik Goldilocks-bolygón a másik után, csakhogy ezek az életformák kiirtották magukat, amint felfedezték a tudományt. Más szóval, lehet, hogy hatalmas számú civilizáció érte el a mi szintünket odakint, de mind elpusztította magát, mielőtt gyarmatosítani tudta volna a közeli csillagokat. Ez a végítélet forgatókönyve a Fermi-paradoxon egyik gyakori magyarázata.

Ez egy borzongató gondolat.