Tervetuloa takaisin meidän Fermi Paradox -sarja , jossa tarkastelemme mahdollisia ratkaisuja Enrico Fermin kuuluisaan kysymykseen 'Missä kaikki ovat?' Tänään tutkimme mahdollisuutta, että syynä Suureen hiljaisuuteen on se, että monet planeetat siellä ovat aivan liian vetisiä!
Vuonna 1950 italialais-amerikkalainen fyysikko Enrico Fermi istui lounaalle joidenkin kollegoidensa kanssa Los Alamosin kansallinen laboratorio , jossa hän oli työskennellyt viisi vuotta aiemmin osana Manhattan Projectia. Eri kertomusten mukaan keskustelu kääntyi avaruusolioihin ja viimeaikaiseen UFO-tulvaan. Tähän Fermi antoi lausunnon, joka menisi historian aikakirjoihin: 'Missä kaikki on?'
Tästä tuli perusta Fermin paradoksi , joka viittaa eroon suuren todennäköisyyden arvioiden välillä maan ulkopuolisen älyn (ETI) olemassaolosta ja ilmeisen todisteiden puutteen välillä. Fermin ajoista lähtien hänen kysymykseensä on esitetty useita päätösehdotuksia, joihin sisältyy mahdollisuus monet eksoplaneetat ovatVesimaailmat, jossa vettä on niin runsaasti, että elämän ilmaantuminen ja menestyminen on epätodennäköisempää.
Termiä Waterworld käytetään kuvaamaan maanpäällisiä (kivisiä) planeettoja, joiden pinnalla on huomattavia määriä vettä – siihen pisteeseen asti, että vesi muodostaa merkittävän osan niiden kokonaismassasta ja koostumuksesta. Waterworlds-hypoteesin ytimessä on keskeinen oletus olosuhteista, joissa elämä voi olla olemassa universumissamme, puhumattakaan viimeaikaisista löydöistä eksoplaneettojen tutkimuksen alalla.
Taiteilijan käsitys Kepler-22b:stä, mahdollisesta 'vesimaailmasta'. Kiitos: NASA/Ames/JPL-Caltech
Käyttämällä maapalloa ja kaikkia täällä ajan mittaan kehittyneitä lajeja vertailukohtana, tiedemiehet joutuvat olettamaan, että vesi on avaintekijä tuntemamme elämän kannalta. Kaikista tunnetuista liuottimista vesi on ainoa, jossa elämä voi selviytyä, ja kaikki maapallon tunnetut organismit ovat siitä riippuvaisia selviytyessään.
Tämä nostaa esiin perustavanlaatuisen seikan (ja rajoittavan tekijän) maan ulkopuolisen elämän – sekä perus- että monimutkaisen – etsimisestä. Vaikka vettä käsitellään 'biomerkinnänä' maan ulkopuolisen elämän metsästyksessä, on teoriassa, että liiallinen veden läsnäolo häiritsisi keskeisiä prosesseja, joita pidetään myös välttämättöminä elämälle. Mutta ensin lyhyt huomautus terminologiasta.
Biosignatuurit
Määritelmän mukaan termi 'biosignatures' viittaa mihin tahansa yhdisteeseen, isotooppiin tai prosessiin, joka nähdään todisteena menneestä tai nykyisestä elämästä. Tarkemmin sanottuna ne osoittavat monimutkaisia prosesseja, jotka kuluttavat ilmaista energiaa ja johtavat orgaanisen jätteen (biomassan) tuotantoon. Tämä sisältää vetykaasun (H2), happikaasu (O2), hiilidioksidi (CO2), metaani (CH4), vesi (H2O) ja joitain rikki- ja fosforiyhdisteitä.
Vesi on yksi halutuimmista biosignatuureista, koska se on ainoa tunnettu liuotin, jossa voi olla elämää, ja se on välttämätön kaikille tunnetuille elämänmuodoille maan päällä. Mutta vaikka vesi peittää 71 % maapallon pinnasta, sen osuus planeettamme kokonaismassasta on vain 0,02 %. Jos tämä massaosuus olisi suurempi, se merkitsisi, että planeetta olisi kokonaan syvän valtameren peitossa, millä voisi olla seurauksia asutettavuudelle.
Tämä ei ole toisin kuin 'tilapäisesti asuttavilla planeetoilla', joilla on havaittu kiviplaneettoja, joilla näyttää olevan runsaasti happikaasua, joka on alkuperältään abioottinen (ei biologisen toiminnan tulos). Sen sijaan happikaasun uskotaan olevan seurausta kemiallisesta dissosiaatiosta, jossa ultraviolettisäteily aiheuttaa ilmakehän vesihöyryn hajoamisen, jolloin syntyy vetyä ja happikaasua.
Vaikka vetykaasu (joka on paljon kevyempi) katoaa avaruuteen, planeetan painovoima pidättää happikaasua. Mutta koska happikaasu on myrkyllistä monille peruselämän muodoille – kuten fotosynteettisille organismeille, kuten sinileville – abioottisen hapen läsnäolo voi itse asiassa estää elämän syntymisen. Ehkä sama pätee veden liialliseen määrään.
Alkuperä
Vaikka Waterworlds-hypoteesi on suurelta osin viimeaikaisten eksoplaneettojen löytöjen tulos, sen perustat ulottuvat useiden vuosikymmenten taakse. Esimerkiksi David Brin tiivisti tämän hypoteesin taustalla olevasta ajattelusta vuoden 1983 tutkimuksessaan, Suuri hiljaisuus – kiista maan ulkopuolisesta älykkäästä elämästä :
'Vesi peittää yli 70 prosenttia maapallon pinnasta. Ehkä maapallo kuitenkin on asuttavan maailmojen luokan kuivaa loppua kohti. Paljon pienempi maa-ala tai kuivan maan puute antaisi vain vähän mahdollisuuksia työkaluja käyttävien lajien kehittymiselle. Useimmilla maailmankaikkeuden älykkäillä lajilla saattaa olla valaiden näkemys, eivätkä he koskaan tule käsittämään radiota tai matkustamaan tähtiin.'
Kolmen eksoplaneetan järjestely tutkimaan, kuinka ilmakehät voivat näyttää erilaisilta olemassa olevan kemian ja tulevan virtauksen perusteella. Luotto ja ©: Jack H. Madden, käytetty luvalla
Samanlaisia väitteitä esittivät Manasvi Lingam ja Abraham Loeb, kaksi tutkijaa Harvard Smithsonianin astrofysiikan keskus (CfA) ja Teorian ja laskennan instituutti (ITC) Harvardin yliopistossa. Jonkin sisällä 2018 tutkimus , kaksi tutkijaa tutkivat roolia valtameret ja maanosat elämän syntyessä.
Lopulta he päätyivät kahteen mahdolliseen vaihtoehtoon. Toisaalta niiden laskelmat osoittivat, että huolellinen tasapaino valtamerten ja maamassojen välillä on ratkaisevan tärkeää monimutkaisten biosfäärien syntymiselle. Toisaalta he päättivät, että maapallon kaltaiset planeetat – joiden maamassan ja valtamerten välinen suhde on 30:70 – ovat luultavasti melko harvinaisia universumissamme.
Viime vuosina tähtitieteilijät ovat myös havainneet viitteitä siitä, että vesi voi muodostaa suuremman osan planeetan massasta ja koostumuksesta kuin aiemmin uskottiin. Toisaalta nykyaikaiset tutkimukset ovat löytäneet monia eksoplaneettoja, jotka kiertävät tähtien asumisvyöhykkeitä (HZ), jotka näyttivät olevan kokonaan veden peitossa.
Viime vuosikymmenen aikana on myös valtava määrä kiviplaneettoja, jotka ovat osa M-tyypin (punainen kääpiö) tähtijärjestelmää. Tähän sisältyy Proxima b, aurinkokuntaa lähin eksoplaneetta (4,24 valovuotta) ja joka kiertää tähtensä HZ:ssä. Jonkin sisällä 2016 tutkimus , Bastien Brugger ja Vaaleanpunainen piste tiimi loi sarjan sisäisiä rakennemalleja, jotka osoittivat kuinka nämä planeetat voivat koostua suurelta osin vedestä.
Taiteilijan näkemys 'silmämuna'-planeetasta, vesimaailmasta, jossa aurinkoon päin oleva puoli pystyy ylläpitämään nestemäistä valtamerta. Luotto ja tekijänoikeus: eburacum45/ DeviantArt
Brugger ja hänen kollegansa päättelivät, että tämän planeetan enimmäissäde on todennäköisesti 1,4 kertaa Maan enimmäissäde ja 1,46 kertaa niin suuri massa kuin oletuksena, että Proxima b on kivinen planeetta eikä sillä ole massiivista ilmakehää. Nämä parametrit sisältävät kuitenkin myös veden massaosuuden, joka on jopa 50 %, mikä tarkoittaa, että kyseessä on todennäköisesti 'valtameren planeetta', jolla on jäätynyt jäinen kuori.
Tätä seurasi a vastaava tutkimus Bernin yliopiston tutkijat, jotka tutkivat planeettojen muodostumista erittäin pienimassaisten (alias punainen kääpiö) tähtien ympärille. Heidän tulokset osoittivat, että näiden planeettojen säde on 0,5-1,5 kertaa Maan säde (1 Maan säde on keskiarvo) ja että 90 % tapauksista veden osuus planeettojen massasta olisi yli 10 %.
Vuonna 2017 tähtitieteilijät vahvistivat seitsemän kiviplaneetan olemassaolon ympärillä TRAPPIST-1 , joista kolme kiertää tähden HZ:n sisällä. Siitä lähtien, useita tutkimuksia ovat osoittaneet, että järjestelmä voi olla veden suhteen rikas . Kuitenkin Arizonan osavaltion johtama vuoden 2018 tutkimus Maan ja avaruuden tutkimuksen koulu (SESE) laski TRAPPIST-1-planeettojen vesipitoisuuden ja sai samanlaisia tuloksia.
Massa-sädekoostumusmalliensa perusteella he havaitsivat, että sisimpien planeettojen (bjac) olivat 'kuivempia' – massasta 15 % vettä – kun taas syrjäisimmät planeetat (fjag) olivat yli 50 massaprosenttia vettä. Vuonna 2018 Harvardin tutkijan Li Zengin johtama kansainvälinen tutkijaryhmä tutki tietoja Kepler-avaruusteleskooppi ja Gaia tehtävänä on selvittää, kuinka yleisiä 'vesimaailmat' todella ovat.
Tämän taiteilijan vaikutelman mukaan planeetta Proxima b kiertää aurinkokuntaa lähimpänä olevaa punaista kääpiötähtä Proxima Centauria. Luotto: ESO/M. Kornmesser
Tästä Zeng ja hänen kollegansa pystyivät luomaan mallin, joka osoitti massan ja säteen välisen suhteen. He havaitsivat, että planeetat, joiden säde on 2,5 kertaa Maan säde (ja massa noin 10 kertaa Maan massa), ovat luultavasti vesimaailmoja – joissa veden osuus on noin 50 % niiden massasta. Lyhyesti sanottuna he havaitsivat, että noin 35 % kaikista tunnetuista maapalloa suuremmista eksoplaneetoista pitäisi olla vesipitoisia.
Seuraukset
Mahdollisuus, että monet eksoplaneetat ovat vesimaailmoja, voi olla erittäin huono, kun on kyse elämän etsinnästä sellaisena kuin me sen tunnemme. Esimerkiksi planeetoilla, joiden massa on jopa 50 % vettä, olisi useita kilometrejä syviä valtameriä. Näissä olosuhteissa nämä planeetat koostuisivat nestemäisistä valtameristä korkeapaineisen jääkerrosten yläpuolella, jotka ympäröivät kivistä ydintä.
Jään esiintyminen kivisen ytimen ja pintameren välillä estäisi energian vaihdon geotermisen toiminnan kautta. Maapallolla geotermisen tuuletusaukkojen läsnäolon ytimen ja vaipan rajalla uskotaan olleen olennaista elämän syntymiselle. Valtameren maailmoissa, kuten Europassa ja muissa jäisissä kuuissa, tämän saman toiminnan uskotaan olevan olennainen minkä tahansa elämän olemassaololle niiden valtamerissä.
Kun otetaan huomioon niiden yhteisyys, onko mahdollista, että elämä on harvinaista universumissamme, koska vesimaailmat ovat yleisiä? Voisiko olla niin, että elämä sellaisena kuin me sen tunnemme on harvinaista, ei siksi, että siinä ei ole keskeistä biosignatuuria, vaan sen ylimäärä? Tämä edustaisi täydellistä käänteisyyttä siitä, mitä monet tähtitieteilijät odottivat löytävänsä, mutta se tarjoaa mahdollisen ratkaisun Fermin paradoksiin.
Kritiikkiä
Vaikka tämä hypoteesi on houkutteleva Fermin paradoksiin nähden, se sulkee pois elämän mahdollisuuden vesimaailmassa. Esimerkiksi geofyysikko Edwin Kitten ja astrofyysikko Eric Fordin vuonna 2018 tekemässä tutkimuksessa, jonka otsikkona on ' Eksoplaneettojen vesimaailman asuttavuus ” – he väittivät, että Waterworlds voisi ylläpitää hiilikiertoa ilman geologista toimintaa tai maamassoja ja siksi ne ovat asumiskelpoisia.
Maapallolla lämpötilat ovat pysyneet vakaina aionien ajan johtuen suhteellisen tasaisista CO-tasoista2meidän ilmapiirissämme. Tämä johtuu hiilen kierrosta, jossa kasvihuonekaasut imeytyvät mineraaleihin (joka on mahdollista vaipan konvektiolla) ja vapautuu ajoittain takaisin ilmakehään vulkaanisen toiminnan kautta. Tässä skenaariossa geologinen toiminta on elintärkeää asuttavuuden säilyttämiseksi.
Tällainen prosessi ei olisi mahdollinen Waterworldsissä, jossa planeetan koko pinta koostuu vedestä ja geoterminen aktiivisuus ei pysty siirtämään materiaalia tai energiaa ilmakehään. Mutta Kiten ja Fordin tekemien simulaatioiden mukaan Waterworlds pystyisi kierrättämään tarpeeksi hiiltä ilmakehän ja valtamerten välillä ylläpitääkseen vakaata ilmastoa useiden miljardien vuosien ajan.
Lisäksi a 2018 tutkimus geofyysikot Bradford Foley ja Andrew Smye Pennsylvania State Universitystä osoittivat, että levytektoniikka ei ole välttämätön asumiskelpoisten olosuhteiden ylläpitämiseksi planeetalla. Myös tässä tutkimusryhmä osoitti, että hiilen kiertokulkua voidaan ylläpitää ilman konvektiota planeetan vulkaanisen toiminnan kuoressa (edellyttäen, että vaipassa on riittävä määrä radioaktiivisia alkuaineita).
Copernican vs. Anthropic
Toinen tärkeä näkökohta on tapa, jolla tämä hypoteesi herättää kysymyksiä maasta ja maanpäällisen elämän luonteesta. Erityisesti se herättää jälleen keskustelun siitä, onko Maa tyypillinen esimerkki asumiskelpoisista planeetoista vai harvinainen (tai jopa ainutlaatuinen) tapaus. Edellinen mahdollisuus on esimerkki Kopernikaanisesta periaatteesta (alias keskinkertaisuuden periaatteesta), jonka mukaan maapallo ja ihmiskunta eivät ole etuoikeutetussa asemassa havainnoimaan universumia.
Sitä vastoin antrooppinen periaate väittää, että tieteelliset havainnot ovat mahdollisia vain siksi, että maailmankaikkeuden lait ovat yhteensopivia aistivan elämän kehityksen kanssa. Kosmologian suhteen antropinen kosmologinen periaate väittää, että ihmiskunta ja maapallo ovat todellakin etuoikeutetussa asemassa eivätkä ole esimerkki normista.
Tässä suhteessa vesimaailmojen olemassaolo voisi olla osoitus siitä, että Maan kaltaiset planeetat ovat itse asiassa melko harvinaisia maailmankaikkeudessa. Riippuen siitä, ovatko ne asumiskelpoisia vai eivät, se voi myös tarkoittaa, että ihmiskunnan kaltaiset lajit (maanpäälliset, työkaluja käyttävät jne.) ovat vähemmistönä – tai yksinkertaisesti ainutlaatuisia. Joka tapauksessa se saattaa selittää, miksi emme kuule kenestäkään!
Vaikka tiedemiehet eivät voi varmuudella sanoa, eivätkö vesimaailmat pysty ylläpitämään elämää tai muodostavatko vesimaailmat tilastollisesti merkittävän osan aurinkokunnan ulkopuolisista planeetoista, tämä hypoteesi heijastaa sitä, kuinka tietomme eksoplaneetoista on kasvanut huomattavasti viime vuosina. Se muistuttaa meitä myös siitä, että keskustelu Kopernikaanisen ja Antrooppisen periaatteen välillä ei ole läheskään ohi.
Tämän taiteilijan vaikutelman mukaan useita planeettoja kiertävät erittäin viileää punaista kääpiötähteä TRAPPIST-1. Luotto: ESO
Silti mahdollisuuksien mukaan se on varsin kiehtovaa. Ehkä David Brin sanoi sen parhaiten:
'On käynyt ilmi, että maapallomme luistelee aurinkomme jatkuvasti asuttavan - tai 'kultakutri' -vyöhykkeen sisäreunaa. Ja maapallo voi olla epänormaali. Voi olla, että koska olemme niin lähellä aurinkoamme, meillä on epätavallisen happirikas ilmakehä ja meillä on poikkeuksellisen vähän valtameriä vesimaailmalle...
'Silloin meidän kaltaisten olentojen, käsien, tulen ja kaiken sellaisen evoluutio voi olla harvinaista galaksissa. Siinä tapauksessa, kun rakennamme tähtialuksia ja suuntaamme sinne, ehkä löydämme paljon ja monia elämänmaailmoja, mutta ne kaikki ovat kuin Polynesia. Löydämme sieltä paljon ja monia älykkäitä elämänmuotoja, mutta ne ovat kaikki delfiinejä, valaita, kalmareita, jotka eivät koskaan pystyisi rakentamaan omia tähtialuksiaan.'
Olemme kirjoittaneet monia mielenkiintoisia artikkeleita Fermi-paradoksista, Drake-yhtälöstä ja Search for Extraterrestrial Intelligence -tutkimuksesta (SETI) täällä Universe Today -sivustolla.
Tässä Missä Alienit ovat? Kuinka 'Suuri suodatin' voi vaikuttaa tekniikan kehitykseen avaruudessa , Miksi muukalaisen elämän löytäminen olisi huonoa. Suuri suodatin , Kuinka voisimme löytää muukalaisia? The Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) , ja Fraser ja John Michael Godier keskustelevat Fermi-paradoksista .
Haluatko laskea galaksissamme olevien maan ulkopuolisten lajien lukumäärän? Suuntaa kohti Alien Civilization Laskin !
Ja muista katsoa loput Beyond Fermi’s Paradox -sarjamme:
- Beyond 'Fermi's Paradox' I: Lounasajan keskustelu - Enrico Fermi ja maan ulkopuolinen äly
- Beyond 'Fermi's Paradox' II: Hart-Tiplerin arvelun kyseenalaistaminen
- Beyond 'Fermi's Paradox' III: Mikä on suuri suodatin?
- Beyond 'Fermi's Paradox' IV: Mikä on harvinaisten maametallien hypoteesi?
- Beyond 'Fermi's Paradox' V: Mikä on estivaatiohypoteesi?
- Beyond 'Fermi's Paradox' VI: Mikä on Berserker-hypoteesi?
- Beyond 'Fermi's Paradox' VII: Mikä on planetaarion hypoteesi?
- Beyond 'Fermi's Paradox' VIII: Mikä on eläintarhan hypoteesi?
- Beyond 'Fermin paradoksi' IX: Mikä on lyhyen ikkunan hypoteesi?
- Beyond 'Fermin paradox' X: Mikä on esikoisen hypoteesi?
- Beyond 'Fermi's Paradox' XI: Mikä on Transcension hypoteesi?
- Beyond 'Fermi's Paradox' XIII: Mikä on 'Ocean Worlds' -hypoteesi?
Astronomy Castilla on mielenkiintoisia jaksoja aiheesta. Tässä Jakso 24: Fermi-paradoksi: Missä ovat kaikki muukalaiset? , Jakso 110: The Search for Extraterrestrial Intelligence , Jakso 168: Enrico Fermi , Jakso 273: Ratkaisut Fermi-paradoksiin .
Lähteet:
- Brin, G.D.' Suuri hiljaisuus – kiista maan ulkopuolisesta älykkäästä elämästä .” Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, Voi. 24, nro 3 (1983)
- Brugger, B. (et ai.) ' Proxima Centaurin mahdolliset sisäiset rakenteet ja kokoonpanot b .” The Astrophysical Journal Letters (2016)
- Alibert, Y. & Benz, W. Planeettojen muodostuminen ja koostumus erittäin pienimassaisten tähtien ympärillä .” Astronomy & Astrophysics, Voi. 598 (2017)
- Unterborn, C.T. (et ai.) ' TRAPPIST-1-planeettojen vaellus sisäänpäin niiden vesipitoisen koostumuksen perusteella .” Nature Astronomy, Voi. 2 (2018)
- Foley, B. & Smye, A. Hiilen kiertokulku ja Maan kokoisten pysähtyneiden kansiplaneettojen asuttavuus .' Astrobiology Voi. 18, nro 7 (2018)
- Kite, E. & Ford, E.' Eksoplaneettojen vesimaailman asuttavuus .” The American Astronomical Society, voi. 864, nro 1 (2018)
- Zeng, L. (et ai.) ' Kasvumallin tulkinta planeetan kokojakaumasta .” Proceedings of the Royal Astronomical Society, Voi. 116,Nro 20 (2019)
- Nisr, C. (et ai.) ' Iso H2O liukoisuus tiheään piidioksidiin ja sen vaikutukset vesirikkaiden planeettojen sisätiloihin .” Proceedings of the Royal Astronomical Society (2020)