Vintergatan med sina hundra(tals) miljarder stjärnor och planeter spridda över tiotusentals ljusår är en ganska stor och rik scen för livets drama att utspela sig på. Men finns det bara en skådespelare? Är vi de enda “intelligenta” varelserna som utvecklats under Universums miljardåriga historia? Detta har argumenterats om under en väldigt lång tid (1) utan något bevis för eller mot existensen av liv på andra världar. Utan något positivt bevis kan vi inte på vetenskaplig grund påstå att det existerar liv på andra världar. Det finns inget bevis för att det faktiskt existerar bortom vår lilla blåa värld eller att vi blivit “besökta” av turister från andra världar som UFO-entusiaster ofta påstår. Däremot finns det vetenskapligt grundade argument som i många forskares öron är övertygande nog att indikera att vi antingen förväntansfulla och vetenskapligt ska leta efter liv på andra världar, eller att sökandet inte har någon poäng överhuvudtaget. Dessa argument täcker allt från astrofysik och biologi till sociologi. Eftersom jag själv är en astro-nörd tänkte jag börja med ett inlägg relaterat till beboeliga världar runt andra stjärnor.
Utan världar som tillåter utvecklingen av liv kan vi inte förvänta oss dess existens bortom vår egna värld. Det är ett första steg som gör spekulation om liv bortom Jorden lite mer realistisk. Bara genom att titta runt så förstår vi att Jorden är en ganska trevlig plats för liv att utvecklas på. Det är inte så varmt att allt vatten – som allt liv vi har en erfarenhet av behöver – förångas, eller så kallt att hela Jorden blir istäckt. Vi kan föreställa oss att ifall Jorden hade bildats lite för nära Solen så hade vår planet sett mindre trevlig ut med temperaturer på flera hundra grader, likt Venus. Och om Jorden bildats lite för långt bort från Solen kanske det vore för kallt för liv att utvecklas, som det möjligen är på Mars. Zonen där temperaturen är sådan att rinnande vatten är en möjlighet att existera kallas den beboeliga zonen. Storleken på denna zon avgör hur sannolikt det är att planeter lika Jorden kan bildas. Är denna zon relativt stor är chansen ganska stor att en värld ganska lik vår egen bildas. I så fall skulle vi kunna hitta kusiner till Jorden i våra hemtrakter i Vintergatan, och möjligen i en snar framtid analysera dess atmosfär för tecken av liv. Detta vore något extremt spännande, och som student just nu är det någon man lätt drömmer sig bort om.
Så hur stor är egentligen den beboeliga zonen? Hur exakt måste vi placera en planet runt sin stjärna för att inte allt ska gå åt helvete? I slutet av 70-talet presenterades ett argument för att den beboeliga zonen är extremt smal, och att ifall Jorden bildats lite närmare eller lite längre bort från Solen så skulle inte vi vara här just nu. Michael Hart, då en astrofysiker vid NASA Goddard Space Flight Center, hade programmerat en ganska ambitiös klimatmodell som skulle simulera utvecklingen av Jordens klimat från tiden nära då Jorden bildades, 4.5 miljarder år sedan, upp till nutid (och lite in i framtiden) (2). Hans dataprogram tog hänsyn till Jordens växthuseffekt (som beror på hur mycket växthusgaser, som exempelvis vattenånga, koldioxid och metan, det finns i atmosfären), variationer i Jordens is och molntäcke, produktionen av syre och ozon (som skyddar liv på ytan från farligt UV-ljus) av liv, utvecklingen i Solens ljusstyrka (Solen sken svagare i det förflutna) med mera.
Hart fann att ifall han bara placerade Jorden ungefär 5 % närmare Solen så skulle så mycket vatten förångas att växthuseffekten ökade markant, vilket ökar temperaturen som i sin tur leder till att mer vatten förångas och ökar temperaturen ytterligare. Detta fortsätter tills temperaturen är så hög att världshavet kokar bort och Jorden blir lämnad extremt varm och torr, och något tidigare existerande liv dör ut. När Hart placerade Jorden bara 1 % längre bort från Solen blev resultatet också väldigt extremt, dock det motsatta. Jorden blev mer istäckt vilket leder till att mer Solljus reflekteras bort och kyler ner klimatet, vilket i sin tur bildar mer is och kyler ner klimatet ytterligare. Denna feedback fortsätter tills hela Jorden är istäckt och allt liv dör ut. Jorden utveckling, enligt modellen av Hart har vart en balansgång mellan två effekter som tenderar att destabilisera klimatet och göra Jorden till en helt obeboelig värld.
Man bör komma ihåg att även planeter som inte är särskilt Jordlika, t.ex. världar med en tunn atmosfär och med is som täcker allt vatten, möjligen kan hysa liv (under ytan i det här fallet). Europa, som inte är en Jordlik värld, ses exempelvis som en av de största kandidatplatserna för liv i vårt Solsystem.
I en artikel det kommande året (3) simulerade Hart utvecklingen av klimatet runt andra stjärnor som utvecklas något annorlunda och kom till samma slutsats. Runt andra stjärnor är den beboeliga zonen enligt Hart smal och sannolikheten att Jordlika planeter bildas liten. I sin slutsats skriver han:
“It appears, therefore, that there are probably fewer planets in our
galaxy suitable for the evolution of advanced civilizations than has
previously been thought.“
I en senare bok uppskattar han (4) från sina simuleringar att bara omkring var hundrade stjärna har en planet lik Jorden runt sig. Han argumenterar också att vi troligen är ensamma i det observerbara Universum för att vi inte blivit besökta av en annan civilisation (vilket vi borde enligt han, ifall de existerade) samt att livets uppkomst enligt han är osannolikt. Fermis paradox, också ibland kallad Fermi-Hart paradoxen, har sin början dels hos Hart. Det finns dock bra anledningar till att misstänka att den beboeliga zonen runt stjärnor är bra mycket större än uppskattningen av Hart, och att Vintergatan därför kanske kryllar av världar lika Jorden där liv kanske uppstått.
Det största felet med Harts program är att det inte korrekt tar hänsyn till koldioxidcykeln över geologiska tidsskalor. Vulkaner spottar ut stora mängder koldioxid som gör det svårare för värme att lämna Jorden, vilket värmer upp klimatet (växthuseffekten). Koldioxiden lämnar atmosfären genom kemiska reaktioner med bl.a. silikatmineraler som finns exponerade på kontinenterna. Balansen mellan koldioxiden som förs in i atmosfären från vulkaner och koldioxiden som förs bort i kemiska reaktioner bestämmer hur andelen koldioxid i atmosfären över geologiska tidsskalor och därför också växthuseffekten. Kemiska reaktioner sker snabbare vid högre temperaturer och detta är extremt viktigt i stabiliseringen av Jordlika världars klimat, och något som Hart inte tagit hänsyn till.
Föreställ dig att vi placerade Jorden längre bort från Solen. Vad skulle hända då? Förutsatt att vi inte gör några andra ändringar skulle temperaturen sjunka. Men i så fall skulle kemiska reaktioner som för bort koldioxid från atmosfären ske långsammare, vilket betyder att koldioxid skulle bygga upp i atmosfären från vulkaner. Det ökar temperaturen igen och stabiliserar klimatet. Phew! Och om vi placerade Jorden lite närmare Solen skulle temperaturen först öka, vilket gör att kemiska reaktioner sker snabbare, och därför förs koldioxid bort från atmosfären och koldioxidhalten minskar vilket i sin tur leder till en mindre temperaturökning. Stabiliseringen av klimatet via detta temperaturberoende kan vara en del i förklaringen till varför Jorden inte var helt istäckt i det förflutna när Solen sken svagare (“The Faint Young Sun Paradox”) (5), och denna stabilisering kan också förväntas existera på andra geologiskt aktiva ‘steniga’ världar (6).
I en simulering med en modern och väldigt komplex klimatmodell så står Jorden inför Venus öde om vi flyttar Jorden ~ 5 % närmare Solen (7), likt den tidiga studien av Hart. Den yttre gränsen är troligen mycket längre ut än uppskattningen av Hart dock. I den första studien, från 1993 av James Kasting och hans kollegor (8), av den beboeliga zonen där man tar hänsyn till koldioxidcykelns temperaturberoende uppskattade man konservativt att Jorden skulle kunna vara beboelig över 4.6 miljarder år även om den bildats 15 % längre bort från Solen. En ganska dramatisk uppdatering från Harts futtiga 1 %! En uppdatering 10 år senare av Kasting och andra forskare ger liknande större uppskattningar (9). I simuleringar av utvecklingen av atmosfären på så kallade Superjordar – exoplaneter med en större massa än Jorden, men mindre än gasjättarna – där man också tar hänsyn till utvecklingen av planetens inre så får man samma ganska optimistiska resultat (10).
Sammanfattat tyder nutida studier på att den beboeliga zonen är relativt stor och därför antalet Jordlika världar relativt många. Omkring storleksordningen en tiondel eller mer av alla stjärnor du ser på natthimlen kanske hyser en planet som är Jordlik nog att tillåta uppkomsten och utvecklingen av liv. Ett av grundargumenten för att Vintergatan inte skulle vara befolkad av andra livsformer – att det finns för få Jordlika planeter – verkar alltså inte vara ett särskilt vetenskapligt grundat argument. Det betyder inte att det finns intelligent liv ute på andra platser i Vintergatan, men däremot att scenen där livets drama kan utspela sig på är stor nog att åtminstone rymma fler än en skådespelare.
Referenser:
(1) Crowe, M. J. (2011) The Extraterrestrial Life Debate, 1750 – 1900, Dover Publications.
(2) Hart, M. H. (1978) The Evolution of the Atmosphere of the Earth, Icarus, 33, s. 23 – 39.
(3) Hart, M. H. (1979) Habitable Zones about Main Sequence Stars, Icarus, 37, s. 351 – 357.
(4) Hart, M. H. (1995) Atmospheric Evolution, the Drake Equation and DNA: Sparse Life in an Infinite Universe
i Extraterrestrials: Where are they?, Cambridge University Press.
(5) Walker, J. C. G. et al. (1981) A negative feedback mechanism for the long-term stabilization of Earth’s surface temperature,
Journal of Geophysical Research: Oceans, 86, s. 9776 – 9782.
(6) Abott, D. S. et al. (2012) Indication of Insensitivity of Planetary Weathering Behavior and Habitable Zone to Surface Land Fraction,
The Astrophysical Journal, 756, 2, 178.
(7) Leconte, J. et al. (2013) Increased insolation threshold for runaway greenhouse processes on Earth-like planets,
Nature, 504, 7479, s. 268 – 271.
(8) Kasting, J. F. et al. (1993) Habitable Zones around Main Sequence Stars, Icarus, 101, s. 108 – 138.
(9) Kopparapu, R. K. et al. (2013) Habitable Zones around Main-Sequence Stars: New estimates, The Astrophysical Journal, 765, 2, 131.
(10) von Bloh, W. et al (2009) Habitability of Super-Earth planets around other Suns: Models including Red Giant Branch evolution,
Astrobiology, 9, 6, s. 593 – 602.