Гіпотеза виняткової Землі

Гіпотеза виняткової Землі — низка наукових припущень і доказів, які обґрунтовують ідею про рідкісність високорозвиненого життя у Всесвіті. При цьому науковці, які підтримують гіпотезу, вважають що життя у вигляді мікроорганізмів не є рідкісним. У планетарній астрономії та астробіології гіпотеза «Рідкісної Землі» стверджує, що виникнення життя й еволюція біологічної складності — наприклад, статеве розмноження, багатоклітинні організми, а згодом і людський інтелект — вимагали малоймовірного поєднання астрофізичних та геологічних подій і умов. Згідно з цією гіпотезою, складне позаземне життя є малоймовірним явищем і, найімовірніше, рідкісним у Всесвіті загалом. Гіпотеза виняткової Землі була вперше детально викладена в книзі «Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe» («Виняткова Земля: Чому високорозвинене життя не є поширеним явищем у Всесвіті»), написаній палеонтологом Пітером Вардом (англ. Peter Ward) та астрономом Дональдом Броунлі (англ. Donald Brownlee). Вард та Броунлі скористались розширеним рівнянням Дрейка на доказ того, що існування планети із земними характеристиками у Всесвіті слід вважати рідкісним явищем.

Земля, можливо, не має аналогів у Всесвіті

Гіпотеза виняткової Землі пропонує відповідь на парадокс Фермі, пояснюючи чому появу такої планети як Земля слід вважати дуже малоймовірною. У поєднанні із припущенням, що необхідною передумовою появи високорозвинених форм життя є планета земного типу, це пояснювало б відсутність ознак існування позаземних цивілізацій.

У 1970–1980-х роках Карл Саган і Френк Дрейк, а також інші дослідники, стверджували, що Земля є типовою кам’янистою планетою в типовій планетній системі, розташованій у нетиповій ділянці звичайної галактики, яка нині відома як спіральна з баром. Виходячи з принципу посередності (розширеного з Принципу Коперника), вони робили висновок, що еволюція життя на Землі, включно з появою людини, також є типовим явищем, а отже, Всесвіт має бути насичений складними формами життя. На противагу цьому, Ворд і Браунлі стверджують, що планети, які відповідають усім вимогам для існування складного життя, зовсім не є типовими, а навпаки, надзвичайно рідкісними.

Парадокс Фермі

Докладніше: Парадокс Фермі

Немає надійних чи відтворюваних доказів того, що позаземні організми будь-якого типу відвідували Землю^[1][2]. Так само не було зафіксовано жодних сигналів чи інших свідчень існування розумного життя де-небудь у Всесвіті, окрім Землі. Це суперечить знанню про те, що Всесвіт насичений величезною кількістю планет, деякі з яких, ймовірно, мають умови, придатні для життя. Зазвичай життя розширюється доти, доки не заповнить усі наявні екологічні ніші^[3]. Це протиріччя лежить в основі парадоксу Фермі, одним із можливих пояснень якого є гіпотеза «Рідкісної Землі».

Умови

Розташування у певному місці певного типу галактик

Для щільних центрів галактик таких як NGC 7331 (схожа на нашу Галактику^[4]) характерний високий рівень випромінення, яке шкідливе для складного життя

Згідно з гіпотезою виняткової Землі, кулясті скупчення навряд чи спроможні забезпечити існування життя.

Утворення планети земного типу та її розвиток до того стану, щоб підтримувати життя, вимагає поєднання низки факторів. По-перше, вона має утворитись навколо досить багатої важкими елементами зорі. Навколо бідних на метали зір можуть утворюватися лише газові гіганти — на утворення планет земного типу в газовій туманності не вистачить твердих речовин. Таким чином виключаються зорі зовнішньої частини Галактики. З іншого боку, якщо зоря містить занадто багато металів, планети земного типу навколо них накопичуватимуть газові оболонки, утримуючи їх своєю великою силою тяжіння, та знову ж таки ставатимуть газовими гігантами. Зоря має обертатись по коловій орбіті навколо центру галактики: надто витягнута орбіта означатиме, що зоря наближатиметься до ядра галактики, де піддаватиметься надмірному жорсткому радіаційному опроміненню.

Гіпотеза «Рідкісної Землі» припускає, що значна частина відомого Всесвіту, включно з великими районами галактики Чумацький Шлях, є «мертвими зонами», неспроможними підтримувати складне життя. Ті частини галактики, де складне життя можливе, формують галактичну зону придатності для життя, яка головним чином визначається відстанню від Галактичного центру.

1. Зі збільшенням цієї відстані металевість зірок знижується. Метали (в астрономії під цим терміном розуміють усі елементи, крім водню та гелію) необхідні для формування планет земної групи.
2. Рентгенівське та гамма-випромінювання від чорної діри в Галактичному Центрі та від сусідніх нейтронних зір стає менш інтенсивним із віддаленням. Тому ранній Всесвіт, а також сучасні галактичні регіони з високою щільністю зірок і частими надновими, будуть «мертвими зонами»^[5].
3. Гравітаційні збурення планет і планетезималей з боку сусідніх зірок стають менш ймовірними зі зменшенням щільності зірок. Відповідно, чим далі планета розташована від Галактичного Центру або від спірального рукава, тим менша ймовірність удару великого боліду, який міг би знищити все складне життя на планеті.

Пункт №1 виключає зовнішні області галактики; пункти №2 та №3 виключають внутрішні регіони галактики. Таким чином, галактична зона придатності для життя може бути відносно вузьким кільцем сприятливих умов, розташованим між непридатним центром і зовнішніми районами галактики.

Крім того, придатна планетна система повинна зберігати своє сприятливе розташування протягом достатнього часу для еволюції складного життя. Зоря з ексцентричною (еліптичною або гіперболічною) галактичною орбітою буде проходити через спіральні рукави, тобто несприятливі області з високою щільністю зірок; отже, зоря, здатна підтримувати життя, повинна мати майже кругову галактичну орбіту із близькою синхронізацією швидкості обертання зорі та спіральних рукавів. Це додатково обмежує галактичну зону придатності для життя до досить вузького діапазону відстаней від Галактичного Центру. За розрахунками Лайнвейвера та співавт., ця зона становить кільце радіусом 7–9 кілопарсеків, включаючи не більше 10% зірок Чумацького Шляху^[6], тобто близько 20–40 мільярдів зір. Дослідники^[7] пропонують скоротити ці оцінки наполовину, вважаючи, що не більше 5% зірок Чумацького Шляху потрапляють у галактичну зону придатності для життя.

Приблизно 77% спостережуваних галактик є спіральними^[8], дві третини всіх спіральних галактик мають перемичку, а більше половини, як-от Чумацький Шлях, мають кілька спіральних рукавів^[9]. Згідно з гіпотезою «Рідкісної Землі», наша власна галактика є відносно тихою і тьмяною (див. нижче), представляючи лише 7% від свого типу^[10]. Навіть за цих умов це означає понад 200 мільярдів галактик у відомому Всесвіті.

Обертання планети на певній відстані від зорі

Земля перебуває на унікальній орбіті (темно-зелена зона), що забезпечує умови для виникнення й підтримання життя

Земний приклад свідчить про те, що складне життя потребує води у рідкому стані, підтримання якої вимагає відстані від центральної зорі, що не є занадто малою або занадто великою. Ще одного рівня зони, придатної для життя, або принципу «золотої середини»^[11]. Розмір цієї зони змінюється залежно від типу та віку зорі.

Для існування складного життя зоря також повинна бути дуже стабільною, що характерно для зорь середнього віку, близько 4,6 мільярда років. Сприятливі металічність та розмір зорі також важливі для стабільності. Сонце має низьку варіацію світності (0,1%). До сьогодні не знайдено жодної зорі-близнюка Сонця з точно такою ж варіацією світності, хоча деякі зорі наближаються до цього показника. Зоря також не повинна мати зоряних компаньйонів, як у подвійних зір, оскільки це порушувало б орбіти планет. За оцінками, 50% або більше всіх зоряних систем є бінарними^{[12][13][14][15]}. Зорі поступово стають яскравішими з часом, і для еволюції тваринного життя потрібні сотні мільйонів або мільярди років. Вимога, щоб планета залишалася в зоні придатності для життя навіть при поступовому зміщенні її меж назовні, обмежує розмір того, що Ворд і Браунлі називають «безперервною зоною придатності для життя» для тварин. Вони наводять розрахунок, що ця зона дуже вузька, від 0,95 до 1,15 астрономічних одиниць (1 а.о. = відстань між Землею та Сонцем). Також вони зазначають, що навіть цей діапазон може бути надто великим, оскільки він ґрунтується на всій зоні, в межах якої може існувати рідка вода, а вода поблизу точки кипіння може бути занадто гарячою для тваринного життя^[16].

Гаряча зоря, наприклад Сіріус або Вега, матиме широку придатну до життя зону, але обтяжену двома проблемами: по-перше, ця зона є занадто віддаленою від зорі, а планети з твердим ядром імовірно формуватимуться поблизу зорі (поза межами зони, придатної для життя). Втім, це не виключає можливості зародження життя на супутниках газових гігантів: гарячі зорі випромінюють достатньо ультрафіолетового випромінювання, яке може достатньо іонізувати атмосферу будь-якої планети. Друга проблема із гарячими зорями полягає в тому, що вони існують досить короткий час, якого не вистачить для еволюції високорозвиненого життя.

У холодної зорі придатна для життя зона буде вузькою та буде розташована близько до зорі, суттєво зменшуючи шанси утворення планети в потрібному місці. Поблизу холодної зорі, сонячні спалахи іонізуватимуть атмосферу планети. Жорстке рентгенівське випромінювання також буде інтенсивнішим.

Таким чином, відповідний тип зір обмежується проміжком від F7 до K1 (див. класифікація зір). Зорі цих класів є рідкістю: зорі спектрального класу G (такі як Сонце) складають всього лише 5 % зір у нашій Галактиці.

Виведення енергії зорі, що змінюється протягом її життя, ймовірно, унеможливлює існування життя (наприклад, у випадку зір-пульсарів типу Цефеїд). Раптове зниження світності, навіть короткочасне, може заморозити воду на орбітальних планетах, а значне збільшення — випарити її та викликати парниковий ефект, що завадить повторному формуванню океанів.

Усе відоме життя потребує складної хімії металічних елементів. Абсорбційний спектр зорі вказує на присутність у ній металів, і дослідження спектрів зір показують, що багато, можливо більшість, зір бідні на метали. Оскільки важкі метали утворюються в результаті вибухів наднових, металевість Всесвіту з часом зростає. Низька металевість характеризує ранній Всесвіт: зоряні скупчення типу глобулярних та інші зорі, що формувалися на ранніх етапах існування Всесвіту, зорі в більшості галактик, окрім великих спіральних, та зорі в зовнішніх областях усіх галактик. Зорі, багаті на метали, здатні підтримувати складне життя, вважаються найпоширенішими в менш щільних районах великих спіральних галактик, де випромінювання також є слабким^[17].

Взаємодія із іншими небесними тілами

Імовірно, життя неможливе на планетах, які не зазнали катаклізмів, як зіткнення Землі з Теєю

Імовірно, після того як землеподібна планета формується в межах жилої зони, небесне тіло розмірами приблизно як Марс має зіткнутись із нею (за гіпотезою велетенського зіткнення). Без такого зіткнення на планеті не утворяться тектонічні плити оскільки земна кора вкриватиме всю планету й не залишить місця для океанічної кори. Зіткнення також може мати наслідком появу великого супутника, що стабілізує вісь обертання планети, та злиття ядер планети й небесного тіла, яке сформує надмасивне планетне ядро, що генеруватиме потужний планетний електромагнітний щит від сонячної радіації. Недавні дослідження Едварда Бельбруно та Річарда Ґотта дозволяють зробити висновок, що таке небесне тіло потрібного розміру може формуватись у троянських точках планети (L₄ чи L₅), можливо роблячи цю подію менш малоймовірною.

Супутник відносно значних розмірів також збільшує шанси виживання високоорганізованих організмів, відхиляючи астероїди. Шанси зіткнення астероїда з масивнішим об'єктом подвійної системи на кшталт Землі з Місяцем є доволі незначними^[18]. Більшість астероїдів будуть або цілком відкинуті або вразять менш масивний об'єкт: щоб поцілити в масивніше тіло потрібна визначена комбінація швидкості та кута падіння. Таким чином, планета з великим супутником буде краще захищена від зіткнень (хоча випадкові зіткнення можуть бути необхідними, оскільки еволюційна теорія припускає, що масові вимирання здатні прискорити розвиток складніших організмів). Також необхідною умовою є наявність у планетній системі великого газового гіганта, такого як Юпітер, завдяки якому «сміття», яке залишиться на орбітах після формування планет, викидатиметься у формації на кшталт поясу Койпера та хмари Оорта.

Розташування планет

Гіпотеза виняткової Землі стверджує, що без такої структури, зокрема наявності масивного газового гіганта Юпітера (п'ята планета від Сонця), комплексне життя на Землі не мало можливості з'явитися.

Прихильники виняткової Землі стверджують, що планетарна система, здатна підтримувати складне життя, повинна бути більш-менш структурованою як Сонячна система, з малими і кам'янистими внутрішніми планетами та зовнішніми газовими гігантами^[19]. Без захисту газових гігантів з сильним тяжінням, планета буде піддаватися катастрофічним зіткненням з астероїдами.

Спостереження екзопланет показали, що розташування планет, подібне до нашої Сонячної системи, зустрічається рідко. У більшості планетарних систем є суперпланети, в кілька разів більші, ніж Земля, близькі до своєї зорі, тоді як наша Сонячна система має лише кілька невеликих скелястих планет, і немає планет ближче за Меркурій до зорі. Лише 10 % зірок мають гігантські планети, подібні до Юпітера та Сатурна, і серед них мало таких, що мають стабільні майже кругові орбіти, віддалені від своєї зорі. Костянтин Батигін та його колеги стверджують, що ці особливості можна пояснити, якщо на початку формування Сонячної системи Юпітер і Сатурн зміщалися до Сонця, водночас притягуючи планетезималі, частина з них рухалася до Сонця, і потрапляла в земну область Сонячної системи. Таким чином кам'янисті планети отримали важливі для розвитку життя елементи. Згодом обидві гігантські планети знову відійшли назад до своєї нинішньої позиції. Проте, на думку Батигіна та його колег: «Об'єднання випадкових подій, необхідних для цієї делікатної хореографії, показує, що малі, кам'яні планети, подібні до Землі — і, можливо, саме життя — можуть бути рідкісними в усьому всесвіті»^[20].

Частота зіткнень та еволюція

Життя потребує певного часу на те, щоб зародитися та досягнути високого рівня організації. Часті зіткнення з великими астероїдами ймовірно перешкодять появі високоорганізованих організмів. Саме життя навряд чи зникне, але складніші організми із вищих щаблів еволюції є значно вразливішими та легко вимирають внаслідок планетарних катастроф. Еволюційна теорія переривчастої рівноваги стверджує^{[джерело?]} що:

1. Як тільки екосистема планети досягає стану рівноваги (із заповненими всіх екологічних ніш), швидкість еволюційних змін різко зменшується;
2. Період, протягом якого досягається стан рівноваги, є відносно коротким порівняно з геологічними процесами.

Вважається, що викопні рештки демонструють як екологічна рівновага досягалась на Землі кілька разів, вперше після Кембрійського вибуху. Кілька катастроф, які призводять до масового вимирання організмів, можливо, необхідні, щоб у процесі еволюції випробовувались радикально нові шляхи розвитку, та щоб життя уникло ситуації, коли його розвиток завмер би на півшляху до розумного життя. Масове вимирання динозаврів, наприклад, дозволило ссавцям зайняти їх екологічні ніші та спрямувати еволюцію новим шляхом.

Таким чином, очевидно що потрібні правильні значення сотень параметрів планети та зоряної системи, щоб високоорганізоване життя стало можливим. Всесвіт є неймовірно величезним, він значно перевищує можливості людської уяви чи розуміння, тому залишається шанс, що десь у Всесвіті існує планета земного типу з високоорганізованим життям. Однак, можливість, що така планета існує досить близько від Сонця та що ми можемо колись її досягнути чи вступити в контакт із її мешканцями, вкрай малоймовірна.

Атмосфера

Атмосфера Землі

Суходільна планета має мати належні розміри, подібні до Землі та Венери, щоб утримувати атмосферу. На Землі, після того як гігантське зіткнення з Теєю істотно зменшило її атмосферу, були необхідні інші події, аби зробити її придатною для життя. Пізнє важке бомбардування повторно наситило Землю водою, втраченою після зіткнення з Теєю^[21]. Формування озонового шару створило захисний бар’єр від ультрафіолетового випромінювання Сонця^[22][23]. Азот і вуглекислий газ потрібні у правильному співвідношенні для виникнення життя^[24]. Для фіксації азоту необхідні блискавки^[25]. Газоподібний вуглекислий газ, необхідний для життя, надходить із таких джерел, як вулкани та гейзери. Вуглекислий газ має бути присутнім на відносно низькому рівні (нині близько 400 ppm на Землі), адже у високих концентраціях він є отруйним^[26][27]. Опади необхідні для підтримання стабільного водного циклу^[28]. Належна атмосфера повинна зменшувати добові коливання температури^[29][30].

Рівняння виняткової Землі

Наведене нижче обговорення є адаптованим із праці Крамера^[31]. Рівняння виняткової Землі є відповіддю Ворда та Браунлі на рівняння Дрейка. Воно обчислює ${\displaystyle N}$ — кількість подібних до Землі планет у Чумацькому Шляху, що мають складні форми життя, як:

${\displaystyle N=N^{*}\cdot n_{e}\cdot f_{g}\cdot f_{p}\cdot f_{pm}\cdot f_{i}\cdot f_{c}\cdot f_{l}\cdot f_{m}\cdot f_{j}\cdot f_{me}}$^[32]

де:

• N* — кількість зір у Чумацькому Шляху. Це число не має точної оцінки, оскільки маса Чумацького Шляху визначена з великою похибкою, а відомостей про кількість малих зір небагато. N* становить щонайменше 100 мільярдів і може досягати 500 мільярдів, якщо існує значна кількість зір із низькою видимістю.
• ${\displaystyle n_{e}}$— середня кількість планет у зоні населеності зорі. Ця зона є доволі вузькою, оскільки обмежується вимогою, щоб середня температура на планеті залишалася такою, яка дозволяє воді перебувати в рідкому стані протягом усього часу, необхідного для розвитку складних форм життя. Таким чином, ${\displaystyle n_{e}}$= 1 є ймовірною верхньою межею.

Ми припускаємо, що ${\displaystyle N^{*}\cdot n_{e}=5\cdot 10^{11}}$. Гіпотезу виняткової Землі тоді можна розглядати як твердження, що добуток інших дев’яти множників рівняння виняткової Землі не перевищує 10⁻¹⁰ і може правдоподібно бути навіть настільки малим, як 10⁻¹². У такому випадку ${\displaystyle N}$ може дорівнювати лише 0 або 1. Вард і Браунлі фактично не обчислюють значення ${\displaystyle N}$, оскільки числові значення для значної частини наведених нижче множників можуть бути лише припущеннями. Вони не піддаються надійній оцінці з тієї простої причини, що ми маємо лише одну вихідну точку — Землю, скелясту планету, яка обертається навколо зорі типу G2 у відносно спокійному районі великої спіральної галактики з баром, і є домом єдиного відомого нам розумного виду — тобто нас самих.

Ламмер, Шерф та інші визначають землеподібні середовища проживання як скелясті екзопланети в межах зони населеності для складного життя , на яких можуть існувати атмосфери, подібні до земних, з домінуванням N₂-O₂ та незначним вмістом CO₂. Вони оцінюють максимальну кількість таких землеподібних середовищ у Чумацькому Шляху як ${\displaystyle {2.54}_{-2.48}^{+71.64}\cdot 10^{5}}$, при цьому реальна кількість середовищ може бути значно меншою^[33][34]. Це зводить рівняння виняткової Землі до такого вигляду:

${\displaystyle N_{\max }={2.54}_{-2.48}^{+71.64}\cdot 10^{5}\cdot f_{i}\cdot f_{c}\cdot f_{l}\cdot f_{m}\cdot f_{j}\cdot f_{me}}$

Рівняння виняткової Землі, на відміну від рівняння Дрейка, не враховує ймовірність того, що складне життя еволюціонує в розумне життя, здатне відкрити технології. Барроу та Тіплер розглядають консенсус серед біологів щодо того, що еволюційний шлях від примітивних кембрійських хордових, наприклад Пікая, до Homo sapiens був надзвичайно малоймовірною подією. Наприклад, великі мізки людини мають виражені адаптивні недоліки, оскільки вимагають енергозатратного метаболізму, тривалого періоду гестації та дитинства, що триває понад 25% середньої тривалості життя^[35].

Критика

Найбільшій критиці піддається припущення, що поява високорганізованого життя можлива тільки на планетах земного типу. Дехто з біологів, наприклад Джек Коен, вважає що таке припущення є занадто обмежуючим і свідчить про відсутність уяви (див. Вуглецевий шовінізм). Детальна критика наведена у книзі Джека Коена та математика Яна Стюарта «Еволюція іншопланетянина: Наука Позаземного Життя» (Evolving the Alien: The Science of Extraterrestrial Life).

Інші припущення теорії виняткової Землі теж піддаються критиці:

• Деякі припущення, незважаючи на свою теоретичну достовірність, не є загальноприйнятими в науковому середовищі, наприклад гіпотеза велетенського зіткнення.
• Стверджується, що докази покладаються на малоймовірність тієї чи іншої події, в той час як вони, можливо, лише виглядають неможливими. Беручи до уваги розміри Всесвіту, тривалість астрономічних процесів та можливість альтернативних шляхів появи схожих обставин, можливо існує значно більша кількість планет земного типу, ніж та що передбачається теорією виняткової Землі.
• Теорія ігнорує здатність розумного життя адаптувати оточення до своїх потреб. Розумна раса може бути в змозі колонізувати багато непридатних для життя планет за достатньо довгий період часу (хоча, можливо, потребує планети земного типу для своєї появи).

Див. також

• «Принцип пересічності» є антитезою гіпотезі винятковості Землі.