Paradoks Fermiego po wysypie odkryć egzoplanetarnych

Tyle, ile jest gwiazd w naszej Galaktyce (100-400 miliardów), tyle samo w przybliżeniu jest i galaktyk w widzialnym Wszechświecie - tak więc na każdą gwiazdę w naszej olbrzymiej Drodze Mlecznej przypada cała galaktyka. Reasumując, istnieje od 10²² do 10²⁴ gwiazd. Uczeni nie są zgodni co do tego, ile gwiazd jest podobnych do naszego Słońca (czyli ma zbliżone rozmiar, temperaturę, jasność) - szacunki wahają się między 5 a 20%. Zakładając pierwszą wartość i wybierając najniższą liczbę gwiazd (10²²), otrzymamy 500 kwintylionów, czy miliard miliardów gwiazd takich jak Słońce.

Według badań i szacunków magazynu PNAS („Proceedings of the National Academy of Sciences”) wokół przynajmniej 1% gwiazd we Wszechświecie krąży planeta, która ma zdolności do podtrzymywania życia - mówimy więc o liczbie 100 miliardów miliardów planet o właściwościach podobnych do Ziemi. Zakładając, że po miliardach lat swojego istnienia tylko 1% ziemiopodobnych planet wykształci życie, z czego znów 1% dorobi się ewolucyjnie życia w inteligentnej formie, oznaczałoby to, że istnieje jeden biliard planet z inteligentnymi cywilizacjami w widzialnym Wszechświecie.

Jeżeli mówimy tylko o naszej Galaktyce i powtórzymy obliczenia, przyjmując ostrożną liczbę gwiazd Drogi Mlecznej (100 miliardów), dojdziemy do wniosku, że prawdopodobne jest istnienie w naszej Galaktyce aż miliarda ziemiopodobnych planet i 100 tys. inteligentnych cywilizacji!

Niektórzy astrofizycy szacują, że prawdopodobieństwo, iż ludzkość jest pierwszym gatunkiem zaawansowanym technologicznie, wynosi 1 do 10²², czyli pozostaje znikome. Z drugiej strony, Wszechświat istnieje już od ok. 13,8 mld lat. Nawet jeśli cywilizacje nie powstawały przez pierwszych kilka miliardów lat, to i tak zostawał jeszcze szmat czasu na ich pojawienie się. Swoją drogą, gdyby po ostatecznej eliminacji zaistniało w Drodze Mlecznej „tylko” tysiąc cywilizacji i trwałyby one mniej więcej tyle czasu, ile nasza (dotychczas ok. 10 tys. lat), i tak najprawdopodobniej już zniknęły, wymierając, lub przechodząc na inne niedostępne dla nas poziomy rozwoju, o czym za chwilę.

Zauważmy przy okazji, że nawet „równocześnie” istniejącym cywilizacjom trudno się porozumiewać. Choćby z tego powodu, że gdyby były oddalone od siebie tylko o 10 tys. lat świetlnych, przesłanie pytania i następnie odpowiedzi zajęłoby im 20 tys. lat. Patrząc na ziemską historię, nie jest wykluczone, że w takim przedziale czasowym cywilizacja może się narodzić i zniknąć z powierzchni…

Równanie z samych niewiadomych

Próbując oszacować, czy rzeczywiście może istnieć obca cywilizacja, Frank Drake zaproponował w latach 60. XX wieku słynne równanie - wzór, którego zadaniem jest „mniemanologiczne” określenie istnienia inteligentnych ras w naszej galaktyce. Używamy tu terminu stworzonego przed laty przez Jana Tadeusza Stanisławskiego, satyryka, autora radiowych i telewizyjnych „wykładów” z zakresu „mniemanologii stosowanej”, ponieważ słowo to wydaje nam się do tych rozważań odpowiednie.

Zgodnie z równaniem Drake’a - N, czyli liczba cywilizacji pozaziemskich, z którymi ludzkość może się komunikować, jest iloczynem:

R_* - szybkości powstawania gwiazd w naszej Galaktyce;

f_p - odsetka gwiazd, które mają planety;

n_e - średniej liczby planet znajdujących się w ekosferze gwiazdy, tj. tych, na których może powstać życie;

f_l - odsetka planet w ekosferze, na których życie powstanie;

f_i - odsetka planet zamieszkanych, na których życie rozwinie inteligencję (czyli stworzy cywilizację);

f_c - odsetka cywilizacji, które będą chciały komunikować się z ludzkością;

L - średniego czasu istnienia takich cywilizacji.

Jak widać, równanie składa się prawie z samych niewiadomych. Nie znamy przecież ani średniego czasu istnienia cywilizacji, ani odsetka tych z nich, które będą się chciały z nami skontaktować. Podstawiając niektóre wyniki pod równanie „mniej więcej”, wychodzi jednak na to, że w naszej Galaktyce mogą występować setki, a nawet tysiące takich cywilizacji.

Równanie Drake’a i jego autor

Rzadka Ziemia i źli Obcy

Nawet podkładając ostrożne wartości pod składniki równania Drake’a, otrzymujemy potencjalnie tysiące cywilizacji przypominających naszą lub inteligentniejszych. Ale jeśli tak, to dlaczego się z nami nie kontaktują? O tym właśnie mówi, zrodzony już w latach 50. XX wieku, tzw. Paradoks Fermiego. Ma on wprawdzie wiele „rozwiązań” i wyjaśnień, jednak przy obecnym stanie wiedzy - i tak znacznie obszerniejszym niż pół wieku temu - wszystkie przypominają zgadywanie i strzelanie w ciemno.

Paradoks ten np. często wyjaśnia się przez hipotezę rzadkiej Ziemi, głoszącą, że nasza planeta jest wyjątkowa pod każdym fizycznym względem. Ciśnienie, temperatura, odległość od Słońca, nachylenie osi czy pole magnetyczne chroniące przed promieniowaniem są tak dobrane, by życie mogło się rozwijać i ewoluować jak najdłużej.

Oczywiście odkrywamy coraz więcej egzoplanet znajdujących się w ekosferze, które mogą być kandydatkami na zamieszkałe planety. Całkiem niedawno natrafiono na nie przy najbliższej nam gwieździe - Proximie Centauri. Może jednak, mimo podobieństw, znajdowane wokół obcych słońc „drugie Ziemie” nie są „dokładnie takie same” jak nasza planeta, a tylko w takim dostrojeniu może powstać dumna cywilizacja technologiczna? Niewykluczone. Wiemy jednak, nawet patrząc na Ziemię, że życie daje sobie radę również w bardzo „niedopasowanych” warunkach.

Oczywiście pomiędzy dawaniem sobie rady a tworzeniem Internetu i wysyłaniem Tesli na Marsa jest pewna różnica. Problem wyjątkowości zostałby może rozwiązany, gdyby udało się znaleźć gdzieś w przestrzeni planetę dokładnie taką jak Ziemia, ale pozbawioną cywilizacji technologicznej.

Enrico Fermi

Tłumacząc Paradoks Fermiego, mówi się niekiedy o tzw. złych Obcych. Jest to rozumiane na różnorakie sposoby. Owi hipotetyczni kosmici mogą być więc „źli” na to, że ktoś im chce przeszkadzać, wtrącać się i zawracać głowę - właśnie dlatego izolują się, nie odpowiadają na zaczepki i nie chcą mieć z nikim nic wspólnego. Są też fantazje na temat Obcych „złych z natury”, którzy każdą napotkaną cywilizację niszczą. Sami bardzo rozwinięci technologicznie nie chcą dopuścić, by inne cywilizacje mogły wykonać skok do przodu i zacząć stanowić dla nich zagrożenie.

Warto też pamiętać, że życie w kosmosie narażone jest na rozmaite katastrofy, które znamy z historii naszej planety. Chodzi tu o zlodowacenia, gwałtowne reakcje gwiazdy, bombardowanie przez meteory, asteroidy czy komety, kolizje z innymi planetami bądź nawet promieniowanie. Nawet jeśli takie wydarzenia nie sterylizują całej planety, to mogą stanowić kres cywilizacji.

Niektórzy nie wykluczają również, że jesteśmy jedną z pierwszych cywilizacji we Wszechświecie - o ile nie pierwszą - i nie rozwinęliśmy się jeszcze na tyle wystarczająco, by móc nawiązać kontakt z mniej zaawansowanymi cywilizacjami powstałymi później. Gdyby tak było, problem znalezienia w przestrzeni pozaziemskiej istot rozumnych byłby na razie nierozwiązywalny. Zwłaszcza, że hipotetyczna „młodsza” cywilizacja nie mogłaby obecnie być od nas młodsza niż o ledwie kilkadziesiąt lat, aby możliwy był z nią kontakt na odległość.

Okienko nie jest raczej zbyt duże także do przodu. Technologia i wiedza cywilizacji tysiąc lat starszej mogłyby być tak samo niepojęte dla nas, jak współczesność dla osoby z epoki wypraw krzyżowych. Cywilizacje znacznie bardziej rozwinięte byłyby niczym nasz świat dla mrówek z przydrożnego mrowiska.

Opracowano spekulatywną tzw. skalę Kardaszewa, której zadaniem jest kwalifikacja hipotetycznych poziomów cywilizacji według ilości wykorzystywanej przez nie energii. Zgodnie z nią, nie jesteśmy jeszcze nawet cywilizacją typu I, czyli taką, która opanowała zdolność wykorzystania zasobów energetycznych własnej planety. Cywilizacja typu II umie wykorzystać całość energii otaczającej gwiazdy, np. za pomocą konstrukcji nazywanej „sferą Dysona”. Cywilizacja typu III opanowuje, według tych spekulacji, całość energii galaktyki. Pamiętajmy jednak, że ów koncept stworzono w ramach cywilizacji na niepełnym poziomie I, której wydawało się do niedawna, raczej mylnie, że nakryła cywilizację aspirującą do awansu do typu II na budowie sfery Dysona wokół swojej gwiazdy (anomalie w blasku gwiazdy KIC 8462852).

Gdyby w okolicy była cywilizacja typu II, a tym bardziej III, na pewno widzielibyśmy ją i nawiązałaby z nami kontakt - tak sobie myślą niektórzy z nas, rozumując dalej, że skoro ani nie widzimy, ani w żaden inny sposób nie zapoznaliśmy się z tak zaawansowanymi Obcymi, to ich po prostu nie ma. Inna szkoła wyjaśniania Paradoksu Fermiego mówi jednak, że cywilizacje na tych poziomach są niedostrzegalne i nierozpoznawalne dla nas - nie mówiąc już o tym, że zgodnie z hipotezą kosmicznego ZOO, nie zwracają one na tak mało rozwinięte istoty uwagi.

Po przejściach czy wciąż przed?

Poza spekulacjami o zaawansowanych cywilizacjach Paradoks Fermiego bywa tłumaczony koncepcjami filtrów ewolucyjnych w rozwoju cywilizacji. Zgodnie z nimi istnieje etap procesu ewolucji, który wydaje się niemożliwy albo bardzo mało prawdopodobny do przekroczenia przez życie. Nazywa się to Wielkim Filtrem, czyli największym przełomem w historii życia na planecie.

Odnosząc się do naszego ludzkiego doświadczenia - nie wiemy dokładnie, czy mamy to już za sobą, czy przed, czy może jesteśmy właśnie w trakcie wielkiego filtrowania. Jeśli udało nam się ów filtr pokonać, to niewykluczone, że był on zaporą nie do przejścia dla większości form życia w znanym nam kosmosie i jesteśmy wyjątkowi. Filtrowanie mogło zajść już na samym początku, np. przy przeobrażeniu prokariotycznej komórki do złożonej komórki eukariotycznej. Gdyby tak było, to życie w kosmosie mogłoby występować nawet całkiem powszechnie, ale w formie komórek pozbawionych jąder. Może jesteśmy po prostu pierwszymi, którzy przeszli przez Wielki Filtr? Zawraca to nas do problemu, o którym była już mowa, czyli trudności w komunikacji na odległość.

Jest też taka opcja, że przełom w rozwoju dopiero przed nami. Nie moglibyśmy wówczas mówić jeszcze o żadnym sukcesie.

Wszystko są to rozważania mocno spekulatywne. Niektórzy ludzie nauki proponują bardziej prozaiczne wyjaśnienia braku sygnałów istnienia Obcych. Alan Stern, główny naukowiec misji New Horizons, twierdzi, że rozwiązaniem paradoksu może być po prostu gruba skorupa lodowa, która otacza oceany na innych ciałach niebieskich. Badacz wysnuwa taki wniosek na podstawie ostatnich odkryć w Układzie Słonecznym: pod skorupami wielu księżyców znajdują się oceany ciekłej wody. W niektórych przypadkach (Europa, Enceladus) woda styka się ze skalistym podłożem i zanotowano tam aktywność hydrotermalną. To powinno sprzyjać powstawaniu życia.

Gruba skorupa lodowa może chronić życie przed nieprzyjaznymi zjawiskami zachodzącymi w przestrzeni kosmicznej. Mowa tu m.in. o silnych rozbłyskach gwiazdowych, uderzeniach planetoid albo promieniowaniu w otoczeniu gazowego giganta. Z drugiej jednak strony, może stanowić trudną do przekroczenia barierę rozwoju, nawet dla hipotetycznego inteligentnego życia. Takie wodne cywilizacje mogą w ogóle nie być świadome istnienia przestrzeni poza grubą skorupą lodową. O wydostaniu się poza nią i środowisko wodne trudno nawet marzyć - byłoby znacznie trudniejsze niż dla nas, dla których przestrzeń kosmiczna poza ziemską atmosferą też nie jest zbyt przyjaznym miejscem.

Szukamy życia czy miejsca nadającego się do życia?

Zresztą my Ziemianie też powinniśmy zastanowić się, czego tak naprawdę szukamy: życia jako takiego czy miejsca nadającego się do życia takiego jak nasze. Przy założeniu, że nie chcemy toczyć z nikim kosmicznych wojen, są to dwie różne rzeczy. Planety zdatne do życia, ale pozbawione rozwiniętych cywilizacji mogłyby stać się terenem potencjalnej kolonizacji. A takich obiecujących miejsc znajdujemy coraz więcej. Umiemy już za pomocą instrumentów obserwacyjnych określić, czy planeta krąży w tzw. strefie życia wokół gwiazdy, czy ma charakter skalisty i panuje na niej temperatura odpowiednia dla wody w stanie ciekłym. Wkrótce powinniśmy umieć wykryć, czy woda tam rzeczywiście jest i określić skład atmosfery.

Strefa życia wokół gwiazd w zależności od ich rozmiaru i przykłady egzoplanet podobnych Ziemi (współrzędna pozioma - odległość od gwiazdy (JA); współrzędna pionowa - masa gwiazdy (w relacji do słonecznej)).

W ubiegłym roku - korzystając z instrumentu HARPS ESO i szeregu teleskopów na całym świecie - naukowcy znaleźli egzoplanetę LHS 1140b, która jest najlepszą znaną kandydatką do życia. Orbituje wokół czerwonego karła LHS 1140 - czterdzieści lat świetlnych od Ziemi. Astronomowie szacują, że planeta liczy sobie co najmniej pięć miliardów lat. Wywnioskowali, że ma średnicę prawie 18 tys. km - czyli 1,4 razy większą niż Ziemia. Badania masy i gęstości LHS 1140 b skłoniły do twierdzenia, iż prawdopodobnie jest to skała z gęstym żelaznym rdzeniem. Brzmi znajomo?

Nieco wcześniej sławę zdobył układ siedmiu ziemiopodobnych planet wokół gwiazdy TRAPPIST-1. Oznaczono je od „b” do „h”, w kolejności odległości od gwiazdy macierzystej. Analizy przeprowadzone przez naukowców i opublikowane w styczniowym numerze „Nature Astronomy” wskazują, że ze względu na umiarkowane temperatury na powierzchni, umiarkowane ogrzewanie pływowe oraz wystarczająco niski strumień promieniowania, nieprowadzący do efektu cieplarnianego, najlepszymi kandydatkami na planety przyjazne do życia są obiekty „d” oraz „e”. Niewykluczone nawet, że pierwszą z nich pokrywa w całości ocean wodny.

Planety układu TRAPPIST-1

Wykrywanie warunków sprzyjających życiu wydaje się więc już być w naszym zasięgu. Detekcja na odległość samego życia, takiego które jest jeszcze stosunkowo proste i nie emituje fal elektromagnetycznych, to póki co zupełnie inna bajka. Naukowcy z Uniwersytetu stanu Waszyngton zaproponowali jednak nową metodę, która uzupełnia proponowane od dawna poszukiwanie dużych ilości tlenu w atmosferze planety. Pomysł z tlenem jest dobry, bo trudno wytworzyć duże ilości tlenu bez życia, jednak nie wiadomo, czy każde życie wytwarza tlen.

„Biochemia produkcji tlenu jest skomplikowana i może zachodzić rzadko”, wyjaśnia w publikacji naukowej na łamach „Science Advances” Joshua Krissansen-Totton z University of Washington. Przez analizę historii życia na Ziemi udało się zidentyfikować mieszaninę gazów, której obecność równie dobrze jak tlen wskazuje na istnienie życia. Mowa o miksturze metanu i dwutlenku węgla, bez tlenku węgla. Dlaczego bez tego ostatniego? Chodzi o to, że atomy węgla w obu molekułach reprezentują różne stopnie utlenienia. Bardzo trudno jest uzyskać odpowiednie poziomy utlenienia w procesach niebiologicznych bez jednoczesnego powstawania pośredniczącego w reakcji tlenku węgla. Jeśli np. źródłem metanu i CO₂ w atmosferze są wulkany, towarzyszyć im będzie nieuchronnie tlenek węgla. Ponadto gaz ten jest szybko i łatwo pochłaniany przez mikroorganizmy. Skoro więc występuje w atmosferze, należy istnienie życia raczej wykluczyć.

Na rok 2019 NASA planuje wystrzelenie Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba, który będzie w stanie bardziej precyzyjnie przyjrzeć się atmosferom tych planet, w poszukiwaniu cięższych gazów, takich jak dwutlenek węgla, metan, woda czy tlen.

LHS 1140b

Pierwsze z egzoplanet odkryto w latach 90. XX wieku. Od tego czasu potwierdziliśmy już blisko 4 tys. egzoplanet w ok. 2800 systemach, w tym ok. dwudziestu, które wydają się potencjalnie zdatne do zamieszkania. Opracowując lepsze narzędzia obserwacji tych światów, będziemy mogli formułować bardziej świadome założenia dotyczące panujących tam warunków. A co z tego wyniknie, to się okaże.