Wszyscy pamiętamy bajkę dla przedszkolaków „Złotowłosa i trzy niedźwiadki”. Z przyjemnością opowiadamy naszym dzieciom i wnukom o tym, jak kaszka taty misia była za gorąca, kaszka mamy misia była za zimna, ale kaszka małego misia była w sam raz. Nic więc dziwnego, że kiedy naukowcy zaczęli zastanawiać się nad faktem, że oceany Ziemi musiały pozostać płynne przez miliardy lat, aby życie mogło przetrwać – temperatura planety musiała być nie za gorąca i nie za zimna, ale w sam raz – ochrzcili ją pierwszą „planetą Goldilocks”

Spójrz na to w ten sposób: Jak wszystkie gwiazdy tego typu, nasze Słońce stopniowo jaśniało przez 4,5 miliarda lat, odkąd się uformowało. Kiedy na Ziemi po raz pierwszy powstały oceany, około 4 miliardy lat temu, Słońce było o 30 procent jaśniejsze niż teraz, więc planeta musiała zatrzymać o wiele więcej energii słonecznej, aby jej oceany nie zamarzły. W miarę upływu czasu, gdy Słońce dostarczało Ziemi więcej energii, zmieniał się również skład atmosfery planety, co wpływało na temperaturę poprzez efekt cieplarniany. Jednak pomimo tego wszystkiego, wydaje się, że oceany pozostawały zaledwie kilka stopni powyżej zera przez całą historię Ziemi. Nie za zimno i nie za gorąco.

By wziąć tylko jeden przykład zmian atmosferycznych, wiemy, że 3,5 miliarda lat temu oceany Ziemi były domem dla kwitnących kolonii cyjanobakterii – bardzo podobnych do tego, co nazywamy zieloną szumowiną stawową. W tym czasie w atmosferze praktycznie nie było wolnego tlenu, ale bakterie wydzielały tlen jako produkt odpadowy fotosyntezy (tak jak robią to rośliny do dziś). Początkowo tlen ten był usuwany w wyniku reakcji chemicznych, takich jak rdzewienie żelaza w skałach powierzchniowych, ale około 2,5 miliarda lat temu jego obfitość zaczęła wzrastać, co niektórzy naukowcy nazywają Wielkim Wydarzeniem Utleniania. Przypuszczalnie wielu pierwotnych mieszkańców planety, którzy nie tolerowali tlenu, wyginęło, topiąc się we własnych odpadach. Inni jednak przystosowali się i byli w stanie wykorzystać tlen do napędzania cyklu oddychania, dzięki któremu ty i każde inne zwierzę na naszej planecie żyjecie do dziś.

W 1978 roku astrofizyk Michael Hart, wówczas na Uniwersytecie Trinity w Teksasie, opublikował model komputerowy, który opisywał historię atmosfery Ziemi. W tym modelu, słabe ciepło wczesnego Słońca było wspomagane przez efekt cieplarniany wytwarzany przez amoniak i metan w atmosferze (oba te gazy, podobnie jak bardziej znany dwutlenek węgla, CO2, są gazami cieplarnianymi). W miarę jak Słońce stawało się coraz jaśniejsze, tlen produkowany przez organizmy żywe niszczył te związki, zmniejszając efekt cieplarniany i kompensując w ten sposób zwiększone promieniowanie słoneczne. W końcu pojawiła się nasza obecna atmosfera, z efektem cieplarnianym napędzanym przez dwutlenek węgla i parę wodną. W istocie Ziemia stąpała po ostrzu noża pomiędzy staniem się uciekającą szklarnią z jednej strony, a zamarzaniem na stałe z drugiej.

Najważniejsza część obliczeń Harta z naszego punktu widzenia, jednakże, pochodziła od spojrzenia na to, co by się stało, gdyby Ziemia znajdowała się w innej odległości od Słońca niż ta, w której obecnie się znajduje. Według jego modelu, gdyby Ziemia była o jeden procent dalej lub o pięć procent bliżej Słońca, delikatna równowaga, która pozwoliła oceanom pozostać w stanie ciekłym, zostałaby utracona. Tak więc rozważania na temat ewolucji atmosfery naszej planety doprowadziły do pomysłu, że wokół gwiazdy istnieje pasmo, w którym powierzchniowe oceany mogą pozostawać w stanie ciekłym przez miliardy lat. To pasmo nazywane jest strefą zamieszkiwalną (CHZ) i stało się jedną z centralnych idei napędzających myśli naukowców o życiu na egzoplanetach.

Circumstellar Habitable Zones and Habitability

Pierwszą rzeczą, jaką możemy powiedzieć o CHZs jest to, że każda gwiazda będzie je miała. Zawsze będzie istniało pasmo wokół gwiazdy, innymi słowy, gdzie bilans energetyczny może utrzymać temperaturę powierzchni planety pomiędzy punktami zamarzania i wrzenia wody. W przypadku małych, niewyraźnych gwiazd, pasmo to jest wąskie i bliskie. Na przykład wiele znanych egzoplanet znajdujących się w CHZ swojej gwiazdy jest bliżej tej gwiazdy niż Merkury jest bliżej Słońca. Podobnie, CHZ dużych, jasnych gwiazd jest szersze i leży dalej. Ponadto, jak zauważono powyżej, produkcja energii przez gwiazdę wzrasta z czasem, więc strefa zamieszkiwalna przesuwa się na zewnątrz w miarę starzenia się gwiazdy. Ważnym punktem jest jednak to, że ponieważ każda gwiazda ma gdzieś CHZ, spodziewamy się, że przez przypadek niektóre planety uformują się w tych strefach.

Postawiwszy ten punkt, musimy dodać, że w ciągu ostatniej dekady lub dwóch, naukowcy zdali sobie sprawę, że CHZ musi być rozpatrywana dużo bardziej uważnie niż pozwala na to prosta kalkulacja równowagi temperaturowej. Jak zauważa astrofizyczka z MIT Sara Seager, planeta w strefie zamieszkiwalnej nie ma gwarancji, że faktycznie nadaje się do zamieszkania. W rzeczywistości istnieje wiele czynników, które mogą wpłynąć na możliwość istnienia życia na światach w CHZ.

W miarę postępu badań egzoplanet, znalezienie planety typu ziemskiego w CHZ stało się czymś w rodzaju świętego Graala w społeczności astronomicznej. Jednak dziś zdaliśmy sobie sprawę, że istnieje więcej czynników decydujących o możliwości zamieszkania planety niż tylko położenie jej orbity. Na przykład, badacze przyjrzeli się światom, które nie znajdowały się w CHZ swoich gwiazd, nie miały powierzchniowych oceanów wody, a mimo to były możliwymi domami dla życia, a nawet zaawansowanych cywilizacji. Considerations like these have led scientists to take a much broader view of the conditions necessary for the appearance of life.

The Type of Star Involved

The type of star around which a planet revolves can have important consequences for the development of life, even for planet in a CHZ. Małe, niewyraźne gwiazdy, na przykład, które nazywane są czerwonymi karłami i stanowią największą frakcję gwiazd w Drodze Mlecznej, często przechodzą okresy ekstremalnej aktywności. Rozbłyski gwiazdowe i wyrzuty ogromnych ilości naładowanych cząstek bardzo utrudniłyby życie na powierzchni każdej planety, niezależnie od tego, czy znajdowała się ona w CHZ, czy nie. W takich systemach, aby przetrwać, życie musiałoby prawdopodobnie pozostać na dnie oceanu lub pod ziemią. W takich sytuacjach CHZ staje się po prostu nieistotne.

Naukowcy zaczynają porzucać ideę, że życie musi ewoluować i utrzymywać się na powierzchni planet. Wiele obecnych argumentów, na przykład, stwierdza, że wszelkie żywe organizmy na Marsie zostaną znalezione pod jego powierzchnią. Ponadto, jeśli życie istnieje w podpowierzchniowych oceanach w zewnętrznym Układzie Słonecznym, takich jak oceany na Europie i Enceladusie, to z definicji będzie ono pod powierzchnią. Nawet na Ziemi wydaje się, że pod powierzchnią planety może znajdować się większa biomasa niż na niej. Tak więc, intensywne środowisko promieniowania związane z małymi gwiazdami nie musi wykluczać rozwoju życia, nawet jeśli to życie byłoby prawdopodobnie niemożliwe do bezpośredniego wykrycia za pomocą naszej obecnej technologii.

Bardziej masywne gwiazdy, z drugiej strony, zapewniają bardziej łagodne środowisko promieniowania, ale mogą mieć stosunkowo krótki czas życia. W niektórych przypadkach mogą one żyć zaledwie 30 milionów lat. Jest mało prawdopodobne, aby cokolwiek poza prostym życiem mikrobiologicznym mogło wyewoluować na planecie w tak krótkim czasie. Ponadto, takie gwiazdy kończą swoje życie w potężnej eksplozji zwanej supernową, która z pewnością zniszczyłaby wszystkie pobliskie planety. Tak więc, nawet jeśli życie zdołałoby się rozwinąć w CHZ takiej gwiazdy, wszystkie jego ślady zostałyby wymazane, gdy gwiazda umrze.

To właśnie z powodu tych ograniczeń łowcy egzoplanet skoncentrowali swoją uwagę na planetach w CHZ gwiazd średniej wielkości, takich jak Słońce.

Ewolucja atmosfery

Drugie źródło złożoności w dyskusji o możliwości zamieszkania powstaje, ponieważ atmosfery planet nie są stabilnymi, niezmiennymi systemami, ale ewoluują w czasie. Wielkie Wydarzenie Utleniania na Ziemi jest tylko jednym z przykładów tego rodzaju procesu.

W przypadku małych planet, takich jak Mars, grawitacyjna ucieczka atmosfery odgrywa dużą rolę. Oto jak to działa: Cząsteczki tworzące atmosferę planety są zawsze w ruchu, a im wyższa temperatura, tym szybciej się poruszają. Jednak niezależnie od temperatury, zawsze znajdzie się kilka cząsteczek, które poruszają się szybciej niż średnia i kilka, które poruszają się wolniej. Jeśli szybciej poruszające się cząsteczki nabiorą wystarczającej prędkości i będą poruszać się w kierunku prostopadłym do powierzchni planety, mogą pokonać przyciąganie grawitacyjne planety i uciec w przestrzeń kosmiczną.

Im większa planeta, tym silniejsza jest jej siła grawitacyjna i tym łatwiej jest zachować atmosferę. Na Ziemi, na przykład, cząsteczka musiałaby poruszać się z prędkością około siedmiu mil na sekundę (11 km/s), aby uciec. Należy zauważyć, że cięższe cząsteczki trudniej jest rozpędzić do dużej prędkości niż cząsteczki lekkie. Oznacza to, że lżejsze cząsteczki są bardziej narażone na ucieczkę grawitacyjną niż ciężkie. Ziemia, na przykład, straciła dużą ilość swojego pierwotnego wodoru i helu – najlżejszych członków swojej atmosfery – podczas gdy Mars stracił nawet cięższe gazy, takie jak tlen i azot.

Powiązany mechanizm utraty zwany fotodysocjacją jest szczególnie ważny dla cząsteczek wody. Jeśli na powierzchni planety znajduje się woda, w atmosferze będzie też trochę pary wodnej. Promieniowanie ultrafioletowe pochodzące od gwiazdy planety rozbija cząsteczki wody, które znajdują się w górnych partiach atmosfery. Powstały wodór, jako lekki, zostanie utracony w wyniku ucieczki grawitacyjnej, a tlen połączy się z atomami na powierzchni, tworząc różne utlenione minerały. Wierzymy, na przykład, że w ten sposób Mars stracił ocean, który miał na początku swojej historii, i że czerwony kolor planety jest wynikiem utleniania (rdzewienia) żelaza w jej skałach powierzchniowych.

Inny ważny rodzaj zmian dotyczy dwutlenku węgla, ważnego gazu cieplarnianego (wraz z parą wodną) w atmosferze Ziemi. Za każdym razem, gdy na Ziemi wybucha wulkan, dwutlenek węgla jest uwalniany z głębi płaszcza i pompowany do atmosfery. W złożonym procesie znanym jako głęboki cykl węglowy, dwutlenek węgla jest przenoszony do oceanu i włączany do materiałów takich jak wapień, po czym może być, między innymi, ponownie wprowadzony do wnętrza Ziemi. Tak więc, ogólne procesy geologiczne na planecie mogą wpływać na ilość dwutlenku węgla w jej atmosferze, a to z kolei będzie miało wpływ na jej temperaturę. Uważamy, że wszelkie powierzchniowe oceany, które istniały na Wenus we wczesnym okresie jej historii wyparowałyby z powodu wysokiej temperatury planety, będącej wynikiem jej bliskości do Słońca. Tak więc Wenus nie miała możliwości usunięcia dwutlenku węgla ze swojej atmosfery, a przy braku głębokiego obiegu węgla, planeta cierpiała z powodu nagromadzenia tego gazu, co znane jest jako ucieczka efektu cieplarnianego.

Przykłady te pokazują, że zmiany w atmosferze egzoplanety – zmiany, których, musimy zaznaczyć, nie możemy zaobserwować za pomocą obecnego oprzyrządowania teleskopowego – mogą mieć głęboki wpływ na możliwość zamieszkania. Aby podać tylko jeden przykład, planeta, która znajdowała się w CHZ swojej gwiazdy, ale miała bardzo mało wody, może ucierpieć z powodu efektu cieplarnianego i skończyć jak Wenus. Z odległości bardzo trudno byłoby stwierdzić, czy tak się stało, czy nie.

Inteligencja i Technologia

Fakt, że mamy całkiem dobre zrozumienie tego, jak i kiedy życie rozwinęło się na jednym ze światów Goldilocks (Ziemia) zabiera niektóre z domysłów z dyskusji na temat rozwoju życia na tego typu planetach. Chociaż chemia obcego życia nie musi opierać się na tym samym systemie, który funkcjonuje w życiu na Ziemi, nie jest zbyt wielkim przeskokiem założenie, że formy życia na innych światach Goldilocks będą podobnie zależne od złożonej informacji zawartej w dużych, opartych na węglu cząsteczkach. Węgiel może tworzyć silne, stabilne łańcuchy i pierścienie atomów, które są idealne do wykorzystania jako biomolekuły przenoszące informacje.

W dodatku nie musimy zakładać standardowej galaktyki science fiction zaludnionej przez dwunożne hominidy, które mówią po angielsku, aby zrozumieć, jak dobór naturalny może działać na innych światach Goldilocks. Możemy przyjrzeć się rozwojowi inteligencji i technologii na Ziemi i wyciągnąć możliwe analogie do podobnych planet typu Goldilocks w galaktyce.

Kluczowa kwestia dotycząca doboru naturalnego, na którą musimy zwrócić uwagę, jest następująca: nie jest to proces, który selekcjonuje na ładność lub wartość moralną. Stary dowcip o tym mówi:

Dwóch wędrowców w górach napotyka ewidentnie głodnego

niedźwiedzia grizzly. Jeden z wędrowców zaczyna zrzucać swój plecak.

Drugi mówi: „Co ty robisz? Nie możesz biec szybciej

niż ten niedźwiedź.”

„Nie muszę biec szybciej niż niedźwiedź – muszę tylko biec

szybciej niż ty.”

Nie ma różnicy, czy wolniejszy biegacz jest miłym człowiekiem, który pomaga starszym paniom po drugiej stronie ulicy. Selekcja naturalna nie dba o to. Jedyną rzeczą, która ma znaczenie jest to, że jego towarzysz jest szybszy. To są geny, które trafią do następnego pokolenia.

Formy życia na światach Goldilocks

Co więc mówi nam to o typach form życia, które rozwiną się na światach Goldilocks? Obawiamy się, że odpowiedź nie jest zbyt zachęcająca, ponieważ najbardziej prawdopodobnym rezultatem jest to, że prawdopodobnie nie będą one bardziej łagodne i miłe niż Homo sapiens. Patrząc na historię naszego gatunku i zniknięcie ponad 20 gatunków hominidów, które zostały odkryte w zapisie kopalnym, nie możemy mieć nadziei na to, że napotkamy zaawansowany technologicznie gatunek, który jest bardziej pokojowo nastawiony niż my. Każdy, kogo tam znajdziemy, najprawdopodobniej nie będzie ani bardziej moralny, ani mniej wojowniczy niż my. Przerażające!

Patrz na to w ten sposób: Jeśli skompresujemy historię wszechświata do jednego roku, Ziemia i nasz układ słoneczny uformowały się w okolicach Święta Pracy, a rozwój nauki zajmuje nie więcej niż kilka ostatnich sekund. Jest niezwykle mało prawdopodobne, aby żadne inne istoty nie rozwinęły nauki w ciągu całego „roku” przed pojawieniem się Homo sapiens. Prawa fizyki i chemii nie s¡ niejasne czy ukryte – ka „da umiarkowanie inteligentna cywilizacja mo „e je odkry¢. Przynajmniej niektóre z tych cywilizacji Goldilocks musiałyby to zrobić. Jakiś pozaziemski Isaac Newton musiał gdzieś zapoczątkować ruch w kierunku zaawansowanej cywilizacji technologicznej. Najbardziej niepokojącym faktem jest to, że nie możemy znaleźć żadnych dowodów na istnienie takiej cywilizacji. Nawet jeśli nie istnieje szybszy od światła napęd warp, a my nie poczynimy większych postępów w technologii, obliczenia sugerują, że w ciągu 30 milionów lat – mniej niż jeden dzień w naszym roku uniwersalnym – rasa ludzka mogłaby rozprzestrzenić się po całej galaktyce. Jeśli my możemy to zrobić, to tak samo może zrobić każda inna cywilizacja tak zaawansowana jak my.

Więc gdzie są te inne cywilizacje? To pytanie jest wyrazem tego, co nazywa się paradoksem Fermiego (nazwanym tak na cześć Enrico Fermiego (1901 do 1954), jednego z czołowych fizyków XX wieku). Ktoś kiedyś wspomniał mu o obliczeniach, które sugerują istnienie milionów zaawansowanych cywilizacji w galaktyce. Fermi zastanowił się przez chwilę, po czym zapytał: „Gdzie są wszyscy?”. Dlaczego, innymi słowy, nie ma ich już tutaj? Dlaczego doświadczamy tego, co naukowcy nazywają „Wielką Ciszą”, jeśli chodzi o istoty pozaziemskie?

Naukowcy i pisarze science fiction, będący obdarzonymi wyobraźnią duszami, którymi są, stworzyli wiele możliwych wyjaśnień. Oto kilka z najbardziej popularnych:

• Hipoteza zoo: Istoty pozaziemskie ogłosiły, że Ziemia jest czymś w rodzaju chronionego obszaru dzikiej przyrody.
• Hipoteza Star Treka: Istoty pozaziemskie przyjęły Pierwszą Dyrektywę, która uniemożliwia im ingerencję w rozwijające się cywilizacje, takie jak nasza.
• Hipoteza raju: Istoty pozaziemskie są tłuste i szczęśliwe w idealnym środowisku i nie mają żadnego interesu w eksploracji.
• Hipoteza zastępcza: Życie organiczne zostało zastąpione przez inteligentne maszyny (przyszłość często przewidywana dla rasy ludzkiej), a maszyny nie mają żadnego interesu w kontaktach z życiem organicznym.

Problem polega jednak na tym, że choć możemy sobie wyobrazić każdy z tych scenariuszy rozgrywających się w kilku pozaziemskich cywilizacjach, to naprawdę trudno uznać którykolwiek z nich za nieunikniony wynik rozwoju życia.

W CHZ swoich gwiazd musi istnieć wiele milionów planet wielkości Ziemi, przypuszczenie poparte faktem, że znaleźliśmy już kilkadziesiąt z nich w naszej małej próbce kilku tysięcy egzoplanet. To, że wszystkie z nich przyjęłyby coś w rodzaju „Pierwszej Dyrektywy” ze Star Treka, jest niezwykle mało prawdopodobne. Obawiamy się, że najbardziej logiczną odpowiedzią na pytanie, dlaczego nie jesteśmy świadomi istnienia zaawansowanych cywilizacji pozaziemskich, jest to, że tych cywilizacji tam nie ma. O ile widzimy, jedynym wyjaśnieniem tego faktu, które zależy od praw natury, jest takie, które zależy od działania doboru naturalnego.

Prowadzi nas to do bardzo mrocznej możliwości dotyczącej losu życia na światach Goldilocks. Biorąc pod uwagę tendencję doboru naturalnego do produkowania agresywnych gatunków – takich jak Homo sapiens – jest możliwe, że cała historia wszechświata była zajęta przez proces ewolucji wytwarzający inteligentne formy życia na jednej planecie Goldilocks po drugiej, tylko po to, by te formy życia wymazały się po odkryciu nauki. Innymi słowy, mogła istnieć ogromna liczba cywilizacji, które osiągnęły nasz poziom, ale wszystkie one zniszczyły się, zanim zdołały skolonizować pobliskie gwiazdy. Ten scenariusz zagłady jest powszechnym wyjaśnieniem paradoksu Fermiego.

To mrożąca krew w żyłach myśl.

.