Thursday, June 3, 2010

Los wygrany na loterii zycia...

Niekiedy zdarza mi sie rozmawiac z moimi mlodszymi znajomymi na temat rozpowszechnienia zycia w Kosmosie. Sa to na ogol rozmowy inspirowane uprzednia lektura czasopism takich jak Scientific American czy Discovery albo obejrzeniem ktoregos z programow popularno naukowych (np Nova) w telewizji. Moi znajomi sa ludzmi wyksztalconymi chociaz moze niekonieczne specjalistami z dziedziny astronomii czy fizyki planetarnej. Sa tez entuzjastami powiesci popularno naukowych (np Lema) i w zwiazku z tym traktuja cakiem powaznie petajace sie w "masowej wyobrazni" idee o powszechnosci zycia we wszechswiecie oraz nadchodzacej ery ekspansji ziemskiej cywilizacji na planety uklady slonecznego a moze i dalej w poszukiwaniu przestrzeni zyciowej i surowcow, ktore ulegaja stopniowemu wyczerpaniu na naszej planecie. Kiedy zwracam uwage, ze szanse napotkania zycia w Kosmosie sa znikome a nasza cywilizacja najprawdopodobniej  nigdy nie osiagnie poziomu pozwalajacego na zasiedlenie innych planet patrza na mnie jak na starego ramola, ktory dawno juz zerwal kontakt z poziomem wspolczesnej cywilizacji technicznej co widac zreszta jasno po tym, ze nie ogladam telewizji i posluguje sie wylacznie najprostszymi telefonami. Tymczasem mimo niewatpliwego zramolenia moje watpliwosci nie sa pozbawione racjonalnych podstaw co postaram sie ponizej uzasadnic. Kwestia oszacowania liczby mozliwych cywilizacji na Drodze Mlecznej zajmuje sie wzor zaproponowany przez Franka Drake' a, ktory jest prostym iloczynem liczby gwiazd w galaktyce przez prawdopodobienstwa zdarzen sprzyjajacych powstaniu zycia na poziomie pozwalajacym na miedzygwiezdna sygnalizacje swojego istnienia. Sam wzor, ktory jest tez racja istnienia Instytutu SETI (Search for Extraterrestial Inteliigence), jest prosty ale znalezienie wchodzacych w jego sklad prawdopodobienstw proste nie jest. Liczba gwiazd na Drodze Mlecznej jest oszacowana na okolo 100 miliardow. Przy tak znacznej liczbie gwiazd wydaje sie mozliwe, ze przynajmniej niektore z nich beda mialy planete pozwalajaca na rozwoj zycia. Ostatnie wyniki badan astronomicznych pozwolily na stwierdzenie istnienia poza-slonecznych systemow planetarnych. Nie mniej tylko bardzo niewielka liczba gwiazd spelnia warunki pozwalajace na powstanie i rozwoj biosfery na jednej z tych planet. Na to aby gwiazda nadawala sie na system energetyczny ukladu planetarnego z perspektywa na powstanie zycia musi miec ona cechy, ktorych wymagamy na Ziemi od kazdego dobrego zrodla zasilania: stabilnosc i dlugowiecznosc. Zrodlem energii gwiezdnej jest termojadrowa synteza jader pierwiastkow lekkich. Jest to tak zwany cykl glowny energetycznej ewolucji gwiazdy. Na tym etapie rozwoju role paliwa pelnia protony. Ich duza liczba powoduje, ze emisja energii w postaci promieniowania elektromagnetycznego jest wzglednie stabilna co daje szanse na  biogeneze na jednej  z otaczajacych gwiazde planet. Czas przez ktory gwiazda pozostaje w ciagu glownym zalezy od jej masy gdyz od niej zalezy szybkosc z jaka przebiegaja w niej reakcje termojadrowe. Nasze Slonce pozostaje w cyklu glownym od okolo 4.5 miliarda lat i pozostanie w nim zapewne jeszcze nastepne 6 miliardow lat. Jest to wiadomosc dobra bo na przyklad gwiazda o masie dwukrotnie wiekszej niz Slonce spedzi w cyklu glownym tylko okolo miliarda lat co moze nie byc czasem dostatecznym dla rozwoju zycia rozumnego. Gwiazdy lzejsze beda mialy dluzszy cykl glowny. Na przyklad gwiazda o masie rownej polowie masy Slonca moze przebywac w cyklu glownym az 100 miliardow lat. Niestety jednak gwiazdy lzejsze emituja tez i  mniej energii. To zas wymaga by planeta , na ktorej mogloby powstac zycie, byla ulokowana stosunkowo blisko "gwiezdnego pieca". Taka bliskosc zas grozi sterylizacja ze wzgledu na intensywnosc promieniowania krotkofalowego. Dotykamy tu bowiem waznego ograniczenia mozliwosci powstania zycia wynikajacego z tego, ze orbita planety musi sie znajdowac w sterfie Komfortu Planetarnego czyli w takiej odleglosci od gwiazdy, ze zakres zmiennosci temperatur na powierzchni planety pozwalalby na powstanie i kontynuacje istnienia wielkich molekul organicznych, ktorych obecnosc jest kluczowa dla mozliwosci istnienia zycia. Jesli  temperatura powierzchni planety jest zbyt wysoka nie jest mozliwe powstanie biopolimerow, ktore sa srodkiem przekazu informacji genetycznej. Nawet gdyby bowiem powstaly one samorzutnie (a ich powstanie w ten sposob jest niezmiernie malo prawdopodobne) to uleglyby wkrotce dysocjacji termicznej. Mozna zatem zalozyc, ze temperatura na powierzchni planety nie powinna przekraczac  100 stop. Celsjusza albo 373 Kelvinow. Z drugiej strony, jesli sadzic po organizmach istniejacych na Ziemi, to podstawowa role odgrywaja w nich rozmaite roztwory wodne. Podejrzewamy tez, ze srodowisko wodne odegralo istotna role w ewolucji biopolimerow organicznych. Woda stanowi osrodek, w ktorym odbywa sie transport materialow potrzebnych do budowy i funkcjonowania komorek organizmow zywych. Musi ona zatem pozostawac w stanie cieklym gdyz dyfuzja w ciele stalym jest wolna a zamarznieta woda uszkadza komorki w sposob nieodwracalny. Stad srednia temperatura na powierzchni planety nie powinna spasc ponizej 0 stop Celsjusza albo 273 K. To zas oznacza, ze planeta posiada warunki do powstania zycia w stosunkowo niewielkim przedziale srednich temperatur powierzchni. Inaczej mowiec jej odleglosc od gwiazdy centralnej musi lezec w stosunkowo waskim przedziale. W chwili obecnej posiadamy informacje dotyczace srednich temperatur powierzchni planet naszego uklady slonecznego. Sa to dane przyblizone, podawane przez NASA i zawarte, wraz z innymi przydatnymi informacjami, na zalaczonej planszy. Empiryczna zaleznosc sredniej odleglosci planety od Slonca jako funkcja jej sredniej temperatury powierzchni w dzien jest opisana wzorem interpolacyjnym:
r(T) = 1.2145 - 2.53791 x10^8 T^-4 + 8.88706 x 10^6 T^-3 + 133162.0 T^-2
Jako jednostke dlugosci stosujemy dlugosc krotszej osi elipsy Merkurego wynoszaca 0.379 j.a. . Jednostka temperatury jest Kelvin. Orbity cial niebieskich maja postac kola lub elipsy. Ogolnie rzecz biorac interesuja nas wylacznie planety o orbitach kolowych. Nie jest bowiem pozadane aby nastepowaly zbyt duze roznice w odleglosci planety od Slonca. Zauwazmy, ze obecne pory roku sa wywolane obrotem Ziemi po orbicie niemal-kolowej w plaszczyznie ekliptyki przy nachyleniu osi obrotu w stosunku do tej plaszczyzny o okolo 11 stop.. To drobne nachylenie powoduje zmiane por roku na obu polkulach planety w granicach, do ktorych dostosowujemy sie z pewna trudnoscia. Wieksze odchylenia w odleglosci od zrodla energii slonecznej powodowalyby okresowe przegrzania i zamrozenia powierzchni planety, ktore nie pozwalalyby na przetrwanie zycia. Planeta , na ktorej moze powstac zycie musi wiec poruszc sie po orbicie kolowej. W naszym Ukladzie Slonecznym tylko Merkury i Pluton maja orbity eliptyczne. Orbity pozostalych planet sa niemal-kolowe. Z wzoru interpolacyjnego podanego wyzej wynika, ze strefa komfortu planetarnego naszego ukladu znajduje sie pomiedzy wspolsrodkowymi kulami o promieniach r(253)=3.78 oraz r(373)=2.33. Prawdopodobienstwo tego, ze planeta, na ktorej powstanie zycie ( w naszym Ukladzie Slonecznym) uformuje sie wlasnie w tym wycinku objetosci mozna oszacowac jesli przyjmiemy, ze nasz Uklad Sloneczny posiada skonczona objetosc . Za promien Ukladu Slonecznego mozemy przyjac tak zwany promien Roche'a  wynoszacy 260 000 j.a. (j.a. czyli jednostka astronomiczna jest to promien orbity ziemskiej). W jednostkach, ktore ja uzywam czyli w promieniach orbity Merkurego  promien Roche wynosi  671835. Promien Roche wyznacza granice, poza ktora wplywy innych obiektow grawitacyjnych naszej Galaktyki przewazaja nad wplywami Slonca w oddzialywaniu z planeta Ukladu Slonecznego. Jest to oczywiscie granica umowna gdyz zsieg oddzialywan grawitacyjnych jest nieskonczony. Mozemy jednak posluzyc sie nia dla oszacowania prawdopodobienstwa pojawienia sie w naszym ukladzie planety majacej szanse na wytworzenie zycia. Prawdopodobienstwo to wynosi wiec :
P= [r(253)^3 - r(273)^3]/ R(Roche)^3 = [3.78^3 -2.33^3]/671835^3 = 1.4 x 10^(-16)

Jak wspomnialem wyzej nasza galaktyka zawiera okolo 100 miliardow gwiazd (czyli 10^11 gwiazd). Z nich tylko 4% czyli 4 miliardy ma mase zblizona do masy Slonca czyli posiadajaca czas operacji potrzebny do tego aby mogla powstac w ich otoczeniu planeta z biosfera. Ile wiec planet posiadajacych zycie moze istniec w naszej Galaktyce? Mnozymy 4x10^9 czyli liczbe "uzytecznych " gwiazd przez prawdopodobienstwo  obliczone wyzej: 4x10^9 x 1.4x 10^-16 = 5.6x 10^-7 . A wiec mniej niz jedna! Mozemy sobie pogratulowac! Szansa naszego zaistnienia byla znikoma a jednak wlasnie sie nad nia zastanawiamy.  A przeciez sama lokacja w odpowiednim miejscu to jeszcze nie wszystko. To ze znajdziemy w naszej Galaktyce planete zdolna do podtrzymania zycia graniczy z cudem. Ale sam fakt istnienia takiego obiektu nie oznacza jeszcze, ze moze on sluzyc za siedzibe inteligencji wyzszych. Istnieje wiele innych warunkow, ktore musza byc spelnione aby dogodnie umieszczona planeta nadawala sie do rozwoju zycia biologicznego. Aby jednak nie zanudzac Szanownych Czytelnikow omowie je osobno przy innej okazji. Chwilowo zas chcialbym zwrocic uwage, ze nalezy szanowac to co nam sie psim swedem trafilo i szukac przestrzeni zyciowej raczej na miejscu niz w Kosmosie.


9 comments:

Andrzej said...

Może zabrzmi to głupio, ale dawno nie czytałem tak przekonującego tekstu antyaborcyjnego i jednocześnie utrwalającego moją wiarę w Boga.

www.boskawola.pl said...

Panu Profesorowi pobyt w Naszej Umęczonej Ojczyźnie widzocznie służy - bo tekst tak nieodparcie przekonujący, że pozostaje tylko czoła schylić...

Benjamin said...

I tak z pomocą matematyki można udowodnić nawet to co z założenia jest ponad matematyką i logiką.

Z drugiej strony Profesor Hawking który równie sprawnie posługuje się aparatem matematycznym nie neguje możliwości istnienia życia we Wszechświecie.

http://www.tvn24.pl/12691,1653655,0,1,hawking-obcych-lepiej-nie-zapraszac,wiadomosc.html

Przyszłość pokaże.

Pozdrawiam,

Bobola said...

@Benjamin
Nie usiluje udowodnic nieistnienia zycia w Kosmosie tylko wykazac, ze pojawienie sie go w obrebie naszej Galaktyki trzeba uwazac za wydarzenie graniczace z cudem. Powtorzenie takiego wydarzenia jednoczesnie w dwoch lokacjach Galaktyki ma prawdopodobienstwo rowne iloczynowi prawdopodobienstw zdarzen jednostkowych. Czyli jest jeszcze mniejsze. Jestesmy sklonni uwazac, ze nasz uklad planetarny jest w pewnym sensie typowy dla Kosmosu i dlatego uwazamy, ze takich historii jak nasza musi byc wiecej. To jednak nie mowi nam w jak wielkiej objetosci Kosmosu musimy szukac powtorzenia dziejow Ziemi i Ukladu Slonecznego.

futrzak said...

To wszystko ok ale tylko jesli zalozymy, ze zycie MUSI, tak jak nasze, opierac sie o takie a nie inne zwiazki organiczne.

Tymczasem:

W 2005 roku Chris McKay z NASA i Heather Smith z International Space University w Strasburgu obliczyli, iż możliwe byłoby istnienie na powierzchni Tytana prostych form życia oddychających wodorem, pochłaniających acetylen i wydalających metan. Były to jednak czysto teoretyczne rozważania.

Tymczasem najnowsze pomiary sondy Cassini wykazały, iż z powierzchni Tytana w tajemniczy sposób znikają duże ilości acetylenu i wodoru. Wprawdzie wodór może w połączeniu z węglem tworzyć metan, a acetylen w wyniku reakcji nieorganicznych może być przekształcony w benzen (jeden z węglowodorów wykrytych przez sondę), jednak obie reakcje w tak niskich temperaturach powinny przebiegać bardzo wolno, dużo wolniej, niż zarejestrowała to sonda.


To oczywiscie nie jest zaden dowod, ale i pańskie rozważania nie maja charakteru dowodu, jedynie teorii.

Bobola said...

@futrzak

Wszystko zalezy od tego co rozumiemy przez substancje zywa. Zycie to nie tylko reakcje chemiczne. Rozciagajac to pojecie na substancje nieorganiczne mozemy nazwac wzrost krysztalu w roztwrze zyciem. Osobiscie nie wydaje mi sie aby istniala realna i chemicznie uzasadniona mozliwosc powstawania organizmow zlozonych w oparciu o inne pierwiastki niz wegiel. Ponadto nie wydaje mi sie abysmy kiedykolwiek mogli nawiazac jakikolwiek znaczacy kontakt z osobnikami, ktorych budowa i przemiana materii bedzie roznila sie od naszej. Rownie dobrze moglibysmy starac wymieniac mysli i wrazenia z wlasna lodowka.

HansKlos said...

@Benjamin
I tak z pomocą matematyki można udowodnić nawet to co z założenia jest ponad matematyką i logiką.

Dla przykładu prawdopodobieństwo, że porządnie wyszlifowana kula zatrzyma się na jakimkolwiek punkcie na jej gładkiej powierzchni wynosi zero;-)

tplewa said...

Moja wiedza na poruszone tematy jest bardzo ograniczona. Pana argumenty wydają mi się rzeczowe i przemyślane. Jednak przemycił Pan tutaj ciche założenie, o ile mnie moja naukowa intuicja nie myli, ponieważ jak zaznaczyłem na mojej wiedzy w tym temacie nie polegam. Mianowicie chodzi mi o założenie, że prawdopodobieństwo znalezienia kołowej orbity planety w opisanej przez Pana objętości jest takie samo we wszystkich jej fragmentach. O ile wiem nie ma zgody na temat tego jak tworzą się i ewoluują systemy planetarne. Być może szansa występowania planet relatywnie blisko gwiazd (kilka-kilkanaście-kilkadziesiąt j.a.) jest o wiele rzędów wielkości większa niż dalej od tych gwiazd? A być może planety w zależności od ogromnej liczby czynników (masa gwiazdy, dysku, z którego się uformowały, masa planety, charakterystyka sąsiedztwa) tworzą z gwiazdami macierzystymi pewne podobne układy? Dla przykładu, układy ze skalistymi planetami wewnętrznymi (jak nasz), układy z "gorącymi Jowiszami", itp. Któraś z tych kategorii, często występująca, może się charakteryzować obecnością skalistych planet w biosferze danej gwiazdy. Mam wrażenie, że podane przez Pana liczby mogą wtedy ulec drastycznym zmianom. A przecież przy obecnym stanie naszej wiedzy w ogóle nie można tego wykluczyć. Ba! Jestem przekonany, że Pański model, w którym szansa znalezienia planety skalistej jest równa w każdej części pewnej objętości wokół gwiazdy macierzystej jest wyjątkowo nieprawdopodobny!

Ale jak już mówiłem, to tylko niepoparte rzetelną wiedzą wątpliwości. Były na tyle silne, że musiałem je wyrazić :)

pozdrawiam serdecznie.

Bobola said...

@tplewa
Ja operuje tutaj prawdopodobienstwem a'posteriori czyli obliczonym na podstawie danych zaszlosci i przy zalozeniu, ze nasz uklad planetarny jest niewyrozniony w Kosmosie jesli chodzi o systemy z gwiazda w ciagu glownym. Ze wzgledu na to, ze nie mamy danych o innych systemach planetarnych w naszej czy w innych galaktykach nie ma mowy o jakiejs statystyce doswiadczalnej. Natomiast jakikolwiek jest mechanizm powstawania planet to umiejscowienie srodka masy materialu planety jest w sensie geometrycznym losowe. Nie ma jakis znanych fizycznych powodow, dla ktorych centrum Ziemi nie mogloby byc umieszczone zamiast w odleglosci 2.6 srednich promieni orbity Merkurego powiedzmy w lokacji 3.6 srednich promieni orbity. Uklad planetrany jest stanem zwiazanym obiektow oddzialywujacych silami grawitacyjnymi ale jak dotad nie istnieje teoria, ktora by definiowala dopuszczalne stacjonarne orbity w takim ukladzie (w analogii do ukladow atomowych).