Давайте ответим на большой вопрос!
Одни ли мы во вселенной? Каждую ночь астрономы исследуют небо в поисках потенциально пригодных для жизни экзопланет и радиосигналов пришельцев. Пока никаких признаков жизни не обнаружено. Но неужели все эти поиски напрасны? Что ж, согласно гипотезе Уникальной Земли, мы не должны ожидать найти жизнь среди звезд. Но верна ли эта гипотеза?
Давайте начнем с основ, затем сосредоточимся на гипотезе Уникальной Земли, а затем посмотрим на недавние открытия, чтобы увидеть, совпадают ли они с теорией.
Вы наверняка слышали о «обитаемой зоне» вокруг звезды. Не слишком близко и не слишком далеко. Но знаете ли вы, что в галактике есть обитаемая зона?
Чем дальше от галактического ядра, тем меньше металличность звезд. Металличность относится к количеству металлических (более тяжелых, чем гелий) элементов в звезде. Это сокращение происходит потому, что эти элементы создаются в сердцах гигантских звезд и сверхновых. Они происходят в гораздо более высоких концентрациях вблизи галактического ядра, поскольку материала достаточно для создания достаточно больших звезд. Но это означает, что у звезд в самых дальних уголках галактики не будет достаточно важных ингредиентов для жизни.
Но не стоит подходить слишком близко к центру Галактики или спиральным рукавам!
Сверхмассивная черная дыра в центре галактики может испускать огромное количество рентгеновских и гамма-лучей. Любая близлежащая планета будет постоянно подвергаться этой смертельной радиации. Так что жизнь никогда не могла процветать слишком близко.
Наша галактика спирального типа с плотными рукавами, уходящими к краям. Эти плотные рукава также смертельны для жизни. В этих областях звезды регулярно проходят рядом и нарушают орбиты любой планеты. Представьте, если бы Земля внезапно вышла на орбиту Меркурия! Но есть также проблема близких сверхновых в этих областях. Как и сверхмассивная черная дыра, они регулярно излучают смертельную радиацию. Если планета приблизится слишком близко, все живые существа, обитающие на ней, будут уничтожены.
Итак, чтобы иметь обитаемую часть галактики, вы должны быть достаточно близко к галактическому ядру, чтобы иметь достаточно сложных элементов, и при этом быть достаточно далеко от ядра и рукавов, чтобы избежать гравитационного возмущения и передозировки радиации.
Мы находимся на первых этапах понимания того, какая часть галактики пригодна для жизни. Но в случае Млечного Пути эти факторы сделали бы подавляющее большинство звезд непригодными для жизни.
Но эти немногие пригодные для жизни звезды должны быть подходящего типа и иметь правильную планетную структуру для жизни.
Раньше мы думали, что у каждой звезды есть «обитаемая зона», теоретическое расстояние, на котором возможна жидкая вода. Однако это очень упрощенный взгляд, не учитывающий спектр звезды или жизнепригодность.
Например, маломассивные звезды излучают гораздо меньше видимого и инфракрасного света, чем звезды главной последовательности. Но они могут излучать огромное количество рентгеновских и гамма-лучей. Это означает, что их «обитаемая зона» может содержать воду, но уровни рентгеновского и гамма-излучения настолько высоки, что сложные молекулы могут быть разорваны на части, убивая любую перспективу жизни.
Важна также яркость звезды. У нашего Солнца очень низкая изменчивость светимости - менее 0,1%. Но у некоторых она может варьироваться до 500%! Следовательно, границы обитаемой зоны перемещаются по системе по мере того, как звезды тускнеют и становятся ярче, а это означает, что планеты будут погружаться в обитаемость и выходить из нее, убивая любые шансы на жизнь.
Но даже если вы получите звезду правильного типа, еще не факт, что она пригодна для жилья! Вам нужна правильная планетарная установка.
Наша установка из каменистых планет близко к звезде и газовых гигантов подальше - довольно редка. Подавляющее большинство систем имеет либо только скалистые планеты, либо газовые гиганты, близкие к звезде, известные как «Горячие Юпитеры». Но наша уникальная установка помогла нам начать жизнь.
Существует прямая зависимость между количеством планет в звездной системе и круговыми орбитами их планет. Системы, в которых есть только одна или две планеты, как правило, имеют эллиптические орбиты, а это означает, что в течение их года планета может входить в зону обитаемости звезд и выходить из нее - опять же, уничтожая жизнь.
Однако системы с большим количеством (и более крупных) планет имеют орбитальные резонансы. Это создает гораздо более круговые орбиты, так что планета может оставаться в обитаемой зоне в течение всего года.
Эти резонансы также означают, что эти орбиты устойчивы. Орбитальный резонанс слишком сложен, чтобы вдаваться в подробности здесь, но все, что вам нужно знать, это то, что это система в равновесии, удерживающая каждую планету там, где она должна быть. Итак, если Земля начнет падать близко к Солнцу, орбитальные резонансы вытянут ее обратно, и наоборот.
Но даже если вы получите орбитальный резонанс, каменистые внутренние планеты и множество планет, вы все равно можете не найти жизни. Модели нашей ранней Солнечной системы показывают, что Юпитер имел решающее значение для зарождения и развития жизни на Земле.
Юпитер, безусловно, самая большая планета в Солнечной системе, и его гравитационное воздействие выходит далеко за рамки орбитального резонанса со всеми планетами.
Юпитер - пастух астероидов. Он имеет орбитальный резонанс с каждым астероидом в поясе астероидов, удерживая их между Марсом и самим собой. Если бы этого не было, то Земля часто подвергалась бы падениям астероидов и жизнь тоже не смогла бы процветать.
Так что жизнь могла бы и не начаться, если бы не Юпитер. В первые дни существования Земли, Юпитер фактически начал дрейфовать во внутреннюю часть Солнечной системы. Это подтолкнуло бесчисленные астероиды и кометы к Земле, создав «позднюю тяжелую бомбардировку». Отсюда берут начало большая часть вод наших океанов, и без них Земля могла бы быть непригодной для жизни.
Но Юпитер имеет уникальный резонанс с Сатурном, а Сатурн - с Ураном и так далее. Этот резонанс означал, что Сатурн вытащил Юпитер из внутренней спирали, предотвращая столкновение с Землей и Марсом!
Итак, чтобы иметь планету, похожую на Землю, с земной жизнью, вам понадобится эта особая и уникальная планетарная установка.
Но даже тогда у вас не будет обитаемой планеты! Вам нужен правильный тип планеты (и луны).
Во-первых, размер планеты требует правильного притяжения, иначе она может оказаться очень негостеприимной. Если планета слишком легкая, то и атмосфера и жидкая вода могут улетучиться в космос. Вот что случилось с Марсом.
Эта атмосфера также должна быть подходящей по составу, иначе она просто не подойдет для жизни. Это случилось с Венерой. Её атмосфера имеет высокий уровень углекислого газа, что делает ее самой горячей планетой в Солнечной системе, несмотря на то, что она находится в зоне обитания Солнца.
Тектоника плит и геологическое действие, которое создает горы, вулканы, землетрясения и глубоководные желоба, имеет решающее значение для жизни. Во-первых, что жизнь должна начинаться вокруг гидротермальных источников, вызванных тектоникой, поэтому жизнь не может существовать без них. Во-вторых, тектоника чрезвычайно важна для сложной жизни, но об этом позже.
Тектоника создается в результате взбалтывания расплавленных горных пород в ядре Земли. Эта богатая железом магма поднимается на поверхность и опускается на ядро, создавая магнитное поле Земли. Это огромное поле защищает Землю от солнечного ветра, являясь жизненно важной защитой для организмов, но также и для атмосферы. Солнечный ветер может разрушить атмосферу, сделав планету непригодной для жизни.
Нашей тектонике помогает радиоактивный распад в ядре Земли, тепло от образования Земли и, что удивительно, Луна. Наша Луна необычна. Это, безусловно, самая большая луна по сравнению с размером ее планеты, составляющей 27% массы Земли. Это означает, что её гравитационное притяжение на Земле огромно! Эти приливные силы сжимают и раздавливают Землю. Это создает приливы, но также нагревает мантию за счет трения. Без нашей массивной Луны у нас может не быть нашей жизненно важной тектоники.
Луна делает еще кое-что. Он стабилизирует осевой наклон. Земля вращается под небольшим наклоном, в результате чего у нас есть времена года. Приливные силы Луны поддерживают этот наклон постоянным; без него силы вращения Земли заставили бы ее прецессировать, а наклон сильно изменился бы! Наступивший непредсказуемый сезон сделал бы жизнь на поверхности достаточно сложной.
Итак, нам нужна планета подходящего размера, с подходящим составом атмосферы, с большой луной и тектоникой плит! И все эти пункты невероятно редкие сами по себе!
Но, допустим, мы находим планету в правильной части галактики, вокруг звезды правильного типа, с правильным расположением планет, подходящего размера, подходящего состава, с большой луной и тектоникой плит! Сможет ли здесь зародиться жизнь?
В настоящее время мы исследуем Марс, чтобы узнать, была ли на нем когда-то жизнь. Миллиарды лет назад это была планета подобная Земле с океанами, тектоникой плит и плотной атмосферой. Если мы действительно найдем доказательства существования жизни, то на этих гипотетических планетах почти наверняка будет жизнь! Но не сложная жизнь, больше похожая на бактерии.
Многоклеточная и разумная жизнь, требует возникновения особых обстоятельств. Фактически, жизнь существует на Земле по крайней мере 3,5 миллиарда лет, и только 541 миллион лет назад впервые появились действительно сложные многоклеточные организмы. В течение 3 миллиардов лет Земля была населена только простыми организмами!
Одноклеточные организмы изо всех сил пытаются самостоятельно производить много энергии. Это означает, что их давление отбора становится более эффективным, а значит, они остаются простыми. Так было на Земле около 0,8 миллиарда лет. Но затем один бактериоподобный организм проник в другой, и произошло нечто странное. Большая клетка не убила меньшую. Вместо этого она питал её, а взамен эта маленькая клетка давала большой клетке изобилие химической энергии! Наконец-то появились эукариоты (многоклеточные организмы)! Фактически, малая клетка в конечном итоге превратилась в митохондрии, которые существуют до сих пор.
Это более сложное устройство означало, что давление отбора увеличивалось ещё больше. Это позволило развиться гораздо более сложным структурам. Но на этом этапе мы еще очень далеки от животных, растений и грибов. Эти ранние многоклеточные организмы напоминали амебу и состояли только из горстки клеток.
Это сотрудничество клеток кажется полной случайностью! Шансы на это настолько малы, что потребовалось 0,8 миллиарда лет, чтобы это произошло. Есть большая вероятность, что многоклеточная жизнь - это полная случайность!
Но это еще не такая уж сложная жизнь. Необходима революция, чтобы создать наши сложные экосистемы.
Это произошло около 541 миллиона лет назад в результате события, названного Кембрийским взрывом. Только что закончился ледниковый период библейских масштабов. Земля даже вокруг экватора замерзла! Но по мере того, как Земля нагревается, ледники стекают с огромных горных хребтов, сбрасывая огромное количество питательных веществ в океаны. Это вызвало масштабное цветение водорослей, наполнив атмосферу кислородом.
Эти богатые питательными веществами горные цепи существовали только из-за тектоники. Таким образом, кембрийский взрыв не мог бы произойти без них. Так что тектоника является жизненно важной для сложной жизни.
Такое изобилие питательных веществ и кислорода означало, что организмы могли позволить себе сжигать энергию и перемещаться в другие места, чтобы поесть или вырастить более сложные структуры, чтобы воспользоваться их изобилием. Затем некоторые эволюционировали и стали охотиться на другие виды. Это привело к взрыву сложности и размеров, который мы теперь называем Кембрийским взрывом.
За несколько миллионов лет жизнь прошла путь от очень простых губчатых и похожих на ламинарии существ до ракообразных, кальмаров, позвоночных и морских звезд. Без этого ледникового периода мир был населен простыми существами.
Но хотя кембрийские животные невероятны, умными их не назовешь.
К сожалению, стремление стать таким же разумным, как люди, имеет очень малое давление отбора. Например, вороны и дельфины - одни из самых умных существ на Земле, но они не становятся умнее. Это связано с тем, что повышение интеллекта, для получения и поддержания которого потребовалось бы больше еды, не позволило бы им ловить больше еды. Они достигли точки убывающей отдачи и, таким образом, зашли в эволюционный тупик.
Однако мы, Люди, были уникальны. Около 2 миллионов лет назад наши предки, похожие на шимпанзе, обнаружили, что с повышением интеллекта они будут получать больше еды! Это сводилось к трем вещам. Во-первых, мы очень ловки, поэтому можем создавать сложные инструменты и использовать их, поэтому больший интеллект означает больше возможностей для поиска еды. Во-вторых, мы социальны, поэтому больший интеллект означает большее социальное сотрудничество, что означает более успешную охоту и собирательство. В-третьих, у нас был доступ к разнообразным средам для использования этой тактики (Рифтовая долина).
Именно это уникальное стечение обстоятельств привело к нам! Без них жизнь не может развить человеческий интеллект.
Итак, давайте резюмируем, что нужно планете для существования разумной жизни. Планета должна быть; в правильной части галактики, вращающейся вокруг звезды правильного типа, иметь правильный тип орбиты, иметь правильный тип планетных соседей, иметь правильный размер, иметь правильный состав, иметь тектонику, иметь большую луну, иметь причудливая череду событий, которая приведет к многоклеточной жизни, имеет обширный ледниковый период, который не уничтожит все живое, и имеет уникальный набор давление отбора на существ с высокой ловкостью, социальной жизнью и доступом к различным типам окружающей среды.
Звучит довольно убедительно, не правда ли? Земля невероятно редка, и вероятность найти ее двойника исчезающе мала! Или мы все неправильно смотрим?
Гипотеза Уникальной Земли в последние годы столкнулась с вызовом из необычного места. Несколько спутников Юпитера и Сатурна имеют жидкую воду под поверхностью океана и, вероятно, имеют гидротермальные источники. Таким образом, они могут укрывать жизнь. Это заставило нас понять, что гипотеза Уникальной Земли слишком ориентирована на Землю. Если мы обнаружим жизнь, какой бы простой она ни была на этих удаленных океанских лунах, эту гипотезу нужно отбросить, поскольку у нас будет новая модель обитаемости планеты / луны.
Более того, в галактике много планет, подобных Юпитеру, и поскольку оба наших газовых гиганта (Юпитер и Сатурн) имеют эти океанические спутники, мы можем предположить, что существует множество совершенно пригодных для жизни спутников. Но сначала нам нужно найти жизнь на этих невероятных лунах.
Итак, мы можем никогда не найти близнеца Земли. Но, похоже, есть хороший шанс, что мы сможем открыть для себя миры и жизнь, еще более чуждые и причудливые, чем наша собственная, где-то в космосе.