Välkommen tillbaka till vår Fermi Paradox-serien , där vi tar en titt på möjliga lösningar på Enrico Fermis berömda fråga, 'Var är alla?' Idag undersöker vi möjligheten att anledningen till den stora tystnaden är att många planeter där ute bara är för vattniga!
1950, italiensk-amerikansk fysiker Enrico Fermi satte sig till lunch med några av hans kollegor på Los Alamos National Laboratory , där han hade arbetat fem år tidigare som en del av Manhattan Project. Enligt olika uppgifter vände sig samtalet till utomjordingar och den senaste tidens ström av UFO. I detta gjorde Fermi ett uttalande som skulle gå till historiens annaler: 'Var är allihopa?'
Detta blev grunden för Fermi paradox , som hänvisar till skillnaden mellan höga sannolikhetsuppskattningar för förekomsten av utomjordisk intelligens (ETI) och den uppenbara bristen på bevis. Sedan Fermis tid har det förekommit flera resolutionsförslag till hans fråga, vilket inkluderar möjligheten att många exoplaneter ärVattenvärldar, där det finns så gott om vatten att det är mindre troligt att livet kommer fram och frodas.
Termen Waterworld används för att beskriva jordiska (steniga) planeter som har betydande mängder vatten på sin yta – till den grad att vatten utgör en betydande del av deras totala massa och sammansättning. Kärnan i Waterworlds-hypotesen är ett nyckelantagande om de förhållanden under vilka liv kan existera i vårt universum, för att inte tala om de senaste rönen inom området för exoplanetstudier.
Konstnärens koncept av Kepler-22b, en möjlig 'vattenvärld.' Kredit: NASA/Ames/JPL-Caltech
Genom att använda jorden och alla arter som har utvecklats här över tiden som referenspunkt, tvingas forskare anta att vatten är en nyckelingrediens i livet som vi känner det. Av alla kända lösningsmedel är vatten det enda där livet kan överleva, och alla kända organismer på jorden är beroende av det för sin överlevnad.
Detta tar upp en grundläggande poäng (och begränsande faktor) om sökandet efter utomjordiskt liv – både grundläggande eller komplext. Medan vatten behandlas som en 'biosignatur' i jakten på utomjordiskt liv, är det en teori om att närvaron av för mycket vatten skulle störa nyckelprocesser som också anses vara väsentliga för livet. Men först, en snabb notering om terminologin.
Biosignaturer
Per definition hänvisar termen 'biosignaturer' till alla föreningar, isotoper eller processer som ses som bevis på tidigare eller nuvarande liv. Mer specifikt är de tecken på komplexa processer som förbrukar gratis energi och resulterar i produktion av organiskt avfall (biomassa). Detta inkluderar vätgas (H2), syrgas (O2), koldioxid (CO2metan (CH4), vatten (H2O), och vissa svavel- och fosforföreningar.
Vatten är en av de mest eftertraktade biosignaturerna eftersom det är det enda kända lösningsmedlet där liv kan existera och är väsentligt för alla kända livsformer på jorden. Men medan vatten täcker 71 % av jordens yta, står det bara för 0,02 % av vår planets totala massa. Om denna massfraktion skulle vara högre skulle det innebära att en planet var helt täckt av oceaner med stort djup, vilket kan få konsekvenser för beboeligheten.
Detta är inte olikt 'övergående beboeliga planeter', där steniga planeter har observerats som verkar ha rikligt med syrgas som är av abiotisk ursprung (inte resultatet av biologisk aktivitet). Istället tros syrgasen vara resultatet av kemisk disassociation, där ultraviolett strålning gör att atmosfärisk vattenånga bryts ner, vilket skapar väte och syrgas.
Medan vätgasen (som är mycket lättare) går förlorad till rymden, kommer syrgasen att hållas kvar av planetens gravitation. Men eftersom syrgas är giftigt för många grundläggande livsformer - såsom fotosyntetiska organismer som cyanobakterier - kan närvaron av abiotiskt syre faktiskt förhindra uppkomsten av liv. Kanske är det samma sak när det gäller ett överflöd av vatten.
Ursprung
Medan Waterworlds Hypothesis till stor del är produkten av de senaste upptäckterna av exoplaneter, går dess grunder tillbaka flera decennier. Som exempel sammanfattade David Brin tanken bakom denna hypotes i sin framstående studie från 1983, Den stora tystnaden – kontroversen om utomjordiskt intelligent liv :
'Vattnet täcker över 70 procent av jordens yta. Ändå är jorden kanske mot den torra änden av den beboeliga klassen av världar. Ett mycket mindre landområde, eller brist på torr mark alls, skulle ge små möjligheter för utvecklingen av verktygsanvändande arter. De mest intelligenta arterna i universum kan ha utsikten för valar och aldrig tänka sig radio eller resa till stjärnorna.'
Ett arrangemang av 3 exoplaneter för att utforska hur atmosfärerna kan se olika ut baserat på den nuvarande kemin och inkommande flöde. Kredit och ©: Jack H. Madden, använd med tillstånd
Liknande argument framfördes av Manasvi Lingam och Abraham Loeb, två forskare från Harvard Smithsonian Center for Astrophysics (CfA) och Institutet för teori och beräkning (ITC) vid Harvard University. I en 2018 års studie , undersökte de två forskarna rollen som spelas av hav och kontinenter i livets uppkomst.
Till slut kom de fram till två troliga möjligheter. Å ena sidan indikerade deras beräkningar att en noggrann balans mellan hav och landmassor är avgörande för uppkomsten av komplexa biosfärer. Å andra sidan fastställde de att planeter som jorden – med ett förhållande mellan landmassa och hav på 30:70 – förmodligen är ganska sällsynt i vårt universum.
Under de senaste åren har astronomer också observerat indikationer på att vatten kan utgöra en större andel av en planets massa och sammansättning än vad man tidigare trott. Å ena sidan har moderna undersökningar upptäckt många exoplaneter som kretsar inom sina stjärnors Habitable Zones (HZ) som verkade vara helt täckta av vatten.
Det finns också det stora antalet steniga planeter som ingår i M-typ (röd dvärg) stjärnsystem under det senaste decenniet. Detta inkluderar Proxima b, den exoplanet som ligger närmast solsystemet (4,24 ljusår), och som kretsar inom sin stjärnas HZ. I en 2016 års studie , Bastien Brugger och Blek röd prick team skapade en serie interna strukturmodeller som visade hur dessa planeter till stor del kan bestå av vatten.
Konstnärens intryck av en 'ögonglob'-planet, en vattenvärld där den solvända sidan kan upprätthålla ett hav med flytande vatten. Kredit och upphovsrätt: eburacum45/ DeviantArt
Baserat på antagandet att Proxima b är en stenig planet och inte har en massiv atmosfär, drog Brugger och hans kollegor slutsatsen att denna planet sannolikt kommer att ha en maximal radie på 1,4 gånger jordens och 1,46 gånger så mycket massa. Men dessa parametrar inkluderar också en massfraktion på upp till 50% vatten, vilket betyder att det sannolikt är en 'havplanet' med ett fruset iskallt skal.
Detta följdes av en liknande studie av forskare från universitetet i Bern som undersökte bildningen av planeter runt mycket lågmassa (aka. röda dvärg) stjärnor. Deras resultat visade att dessa planeter skulle variera från 0,5 till 1,5 gånger jordens radie (med 1 jordradier som genomsnittet) och att i 90 % av fallen skulle vatten stå för mer än 10 % av planeternas massa.
Under 2017 bekräftade astronomer att det fanns sju steniga planeter runt omkring TRAPPIST-1 , med tre kretslopp inom stjärnans HZ. Sedan dess, flera studier har visat att systemet kan vara rik på vatten . Men en studie från 2018 ledd av Arizona State's Skolan för jord- och rymdutforskning (SESE) beräknade vattenhalten i TRAPPIST-1-planeterna och fick liknande resultat.
Baserat på sina mass-radie-sammansättningsmodeller fann de att de innersta planeterna (bochc) var 'torrare' – med 15 viktprocent vatten – medan de yttersta planeterna (fochg) var mer än 50 viktprocent vatten. Under 2018 undersökte en internationell grupp forskare under ledning av Harvard-forskaren Li Zeng data från Kepler rymdteleskop och Gaia uppdrag att avgöra hur vanliga 'vattenvärldar' verkligen är.
Denna konstnärs intryck visar planeten Proxima b som kretsar kring den röda dvärgstjärnan Proxima Centauri, den stjärna som ligger närmast solsystemet. Kredit: ESO/M. Kornmesser
Utifrån detta kunde Zeng och hennes kollegor skapa en modell som visade sambandet mellan massa och radie. Vad de fann var att planeter som har en radie 2,5 gånger jordens (och en massa runt 10 gånger jordens) förmodligen är vattenvärldar – där vatten står för ungefär 50 % av deras massa. Kort sagt fann de att cirka 35 % av alla kända exoplaneter större än jorden borde vara vattenrika.
Implikationer
Möjligheten att väldigt många exoplaneter är vattenvärldar kan vara mycket dålig när det kommer till sökandet efter liv som vi känner det. Planeter som är upp till 50 % vatten i massa, till exempel, skulle ha hav som är flera kilometer djupa. Under dessa förhållanden skulle dessa planeter bestå av flytande hav ovanför lager av högtrycksis som omger en stenig kärna.
Närvaron av is mellan en stenig kärna och ett ythav skulle förhindra utbyte av energi genom geotermisk aktivitet. På jorden tros närvaron av geotermiska öppningar vid gränsen mellan kärnan och manteln ha varit avgörande för livets uppkomst. På havsvärldar som Europa och andra isiga månar, anses samma aktivitet vara avgörande för existensen av något liv i deras hav.
Med tanke på deras gemensamma egenskaper, är det då möjligt att liv är sällsynt i vårt universum på grund av hur vanliga vattenvärldar är? Kan det vara så att livet som vi känner det är sällsynt inte på grund av frånvaron av en nyckelbiosignatur, utan ett överflöd av det? Detta skulle representera en total inversion av vad många astronomer förväntade sig att hitta, men det presenterar en möjlig lösning på Fermi-paradoxen.
Kritik
Även om denna hypotes är attraktiv när det gäller Fermi-paradoxen, utesluter den möjligheten av liv på vattenvärldar. Till exempel, i en studie från 2018 av geofysikern Edwin Kite och astrofysikern Eric Ford - med titeln ' Bebyggelse Exoplanet Waterworlds ” – de två hävdade att Waterworlds kunde upprätthålla en kolcykel utan geologisk aktivitet eller landmassor och därför vara beboelig.
På jorden har temperaturerna varit stabila under eonerna på grund av relativt konsekventa nivåer av CO2i vår atmosfär. Detta beror på kolets kretslopp, där växthusgaser absorberas av mineraler (möjliga genom konvektion i manteln) och periodvis släpps tillbaka till atmosfären genom vulkanisk aktivitet. I detta scenario är geologisk aktivitet avgörande för att upprätthålla beboelighet.
En sådan process skulle inte vara möjlig på Waterworlds, där hela planetens yta består av vatten och geotermisk aktivitet inte kan överföra material eller energi till atmosfären. Men enligt simuleringar gjorda av Kite och Ford skulle Waterworlds kunna cirkulera tillräckligt med kol mellan atmosfären och haven för att upprätthålla ett stabilt klimat under flera miljarder år.
Vidare, a 2018 års studie av geofysiker Bradford Foley och Andrew Smye från Pennsylvania State University visade det plattektonik är inte nödvändigt för att upprätthålla beboeliga förhållanden på en planet. Även här visade forskargruppen att en kolcykel kan upprätthållas utan behov av konvektion i en planets skorpa av vulkanisk aktivitet (förutsatt att det fanns en tillräcklig mängd radioaktiva grundämnen i manteln.)
Kopernikansk vs. Antropisk
Ett annat viktigt övervägande är hur denna hypotes väcker frågor om jorden och naturen hos jordelivet. I synnerhet är det återigen upp debatten om huruvida jorden är ett typiskt exempel på beboeliga planeter eller ett sällsynt (eller till och med unikt) fall. Den förra möjligheten är ett exempel på den kopernikanska principen (aka. medelmåttighetsprincipen), som säger att jorden och mänskligheten inte är i en privilegierad position för att observera universum.
Däremot hävdar den antropiska principen att vetenskapliga observationer endast är möjliga eftersom universums lagar är förenliga med utvecklingen av kännande liv. När det gäller kosmologi, hävdar den antropiska kosmologiska principen att mänskligheten och jorden verkligen är i en privilegierad position och inte är ett exempel på normen.
I detta avseende kan förekomsten av vattenvärldar vara en indikation på att planeter som jorden faktiskt är ganska sällsynta i universum. Beroende på om de är beboeliga eller inte, kan det också betyda att arter som mänskligheten (marklevande, verktygsanvändande, etc.) är minoriteten – eller helt enkelt unika. Oavsett vilket kan det förklara varför vi inte hör från någon!
Medan forskare inte kan säga med säkerhet om vattenvärldar är oförmögna att försörja liv, eller att vattenvärldar utgör en statistiskt signifikant andel av planeter bortom solsystemet, återspeglar denna hypotes hur vår kunskap om exoplaneter har vuxit avsevärt de senaste åren. Det påminner oss också om att debatten mellan den kopernikanska och antropiska principen är långt ifrån över.
Den här konstnärens intryck visar flera av planeterna som kretsar kring den ultracoola röda dvärgstjärnan TRAPPIST-1. Kredit: ESO
Ändå är det ganska spännande när möjligheterna går. Kanske David Brin sa det bäst:
'Det visar sig att vår jord åker skridskor längs den inre kanten av vår sols kontinuerligt beboeliga - eller 'Guldlock' - zon. Och jorden kan vara anomal. Det kan vara så att eftersom vi är så nära vår sol, har vi en onormalt syrerik atmosfär, och vi har onormalt lite hav för en vattenvärld...
'I så fall kan utvecklingen av varelser som vi, med händer och eld och allt sånt, vara sällsynt i galaxen. I så fall, när vi bygger rymdskepp och beger oss dit, kanske vi hittar massor av livsvärldar, men de är alla som Polynesien. Vi kommer att hitta massor av intelligenta livsformer där ute, men de är alla delfiner, valar, bläckfiskar som aldrig skulle kunna bygga sina egna rymdskepp.”
Vi har skrivit många intressanta artiklar om Fermi-paradoxen, Drake-ekvationen och Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) här på Universe Today.
Här är Var är utomjordingarna? Hur det 'stora filtret' kan påverka tekniska framsteg i rymden , Varför skulle det vara dåligt att hitta utomjordingar. Det stora filtret , Hur kunde vi hitta utomjordingar? The Search for Extraterrestrial Intelligence (SETI) , och Fraser och John Michael Godier debatterar Fermi-paradoxen .
Vill du beräkna antalet utomjordiska arter i vår galax? Gå vidare till Alien Civilization Calculator !
Och se till att kolla in resten av vår Beyond Fermi’s Paradox-serie:
- Beyond 'Fermi's Paradox' I: A Lunchtime Conversation- Enrico Fermi and Extraterrestrial Intelligence
- Bortom 'Fermi's Paradox' II: Ifrågasätter Hart-Tipler-förmodan
- Beyond 'Fermi's Paradox' III: What is the Great Filter?
- Bortom 'Fermis paradox' IV: Vad är den sällsynta jordartshypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' V: Vad är aestivationshypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' VI: Vad är Berserker-hypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' VII: Vad är planetariehypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' VIII: Vad är Zoo-hypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' IX: Vad är den korta fönsterhypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' X: Vad är Firstborn-hypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' XI: Vad är transcensionshypotesen?
- Bortom 'Fermis paradox' XIII: Vad är 'Ocean Worlds'-hypotesen?
Astronomy Cast har några intressanta avsnitt om ämnet. Här är Avsnitt 24: The Fermi Paradox: Where Are All the Aliens? , Avsnitt 110: The Search for Extraterrestrial Intelligence , Avsnitt 168: Enrico Fermi , Avsnitt 273: Solutions to the Fermi Paradox .
Källor:
- Brin, G.D. ' Den stora tystnaden – kontroversen om utomjordiskt intelligent liv .” Quarterly Journal of the Royal Astronomical Society, Vol. 24, nr 3 (1983)
- Brugger, B. (et al.) ' Möjliga interna strukturer och sammansättningar av Proxima Centauri b .” The Astrophysical Journal Letters (2016)
- Alibert, Y. & Benz, W.' Bildning och sammansättning av planeter runt stjärnor med mycket låg massa .” Astronomy & Astrophysics, Vol. 598 (2017)
- Unterborn, C.T. (et al.) ' Inåtgående migration av TRAPPIST-1-planeterna enligt deras vattenrika sammansättningar .” Nature Astronomy, Vol. 2 (2018)
- Foley, B. & Smye, A. ” Carbon Cycling och beboelighet av jordstora stillastående lockplaneter .' Astrobiology Vol. 18, nr 7 (2018)
- Kite, E. & Ford, E.' Bebyggelse Exoplanet Waterworlds .” American Astronomical Society, Vol. 864, nr 1 (2018)
- Zeng, L. (et al.) ' Tillväxtmodell Tolkning av planetstorleksfördelning .” Proceedings of the Royal Astronomical Society, Vol. 116,Nr 20 (2019)
- Nisr, C. (et al.) ' Stort H2O löslighet i tät kiseldioxid och dess konsekvenser för det inre av vattenrika planeter .” Proceedings of the Royal Astronomical Society (2020)