Bentornato nel nostro Paradosso di Fermi serie , dove diamo uno sguardo alle possibili soluzioni alla famosa domanda di Enrico Fermi, 'Dove sono tutti?' Oggi esaminiamo la possibilità che la ragione del Grande Silenzio sia che molti pianeti là fuori sono troppo acquosi!
Nel 1950, fisico italo-americano Enrico Fermi si è seduto a pranzo con alcuni dei suoi colleghi al Laboratorio Nazionale di Los Alamos , dove aveva lavorato cinque anni prima come parte del Progetto Manhattan. Secondo vari resoconti, la conversazione si è rivolta agli alieni e alla recente ondata di UFO. In questo Fermi ha rilasciato una dichiarazione che entrerà negli annali della storia: “Dove sono tutti?'
Questa è diventata la base del Paradosso di Fermi , che si riferisce alla disparità tra le stime ad alta probabilità per l'esistenza dell'intelligenza extraterrestre (ETI) e l'apparente mancanza di prove. Dai tempi di Fermi, sono state proposte diverse risoluzioni alla sua domanda, che include la possibilità che molti esopianeti sonomondi acquatici, dove l'acqua è così abbondante che la vita avrà meno probabilità di emergere e prosperare.
Il termine Waterworld è usato per descrivere i pianeti terrestri (rocciosi) che hanno notevoli quantità di acqua sulla loro superficie, al punto che l'acqua costituisce una parte significativa della loro massa e composizione complessive. Al centro dell'ipotesi Waterworlds c'è un presupposto chiave riguardo alle condizioni in cui può esistere la vita nel nostro Universo, per non parlare delle recenti scoperte nel campo dello studio degli esopianeti.
Il concetto artistico di Kepler-22b, un possibile 'mondo acquatico'. Credito: NASA/Ames/JPL-Caltech
Usando la Terra e tutte le specie che si sono evolute qui nel tempo come punto di riferimento, gli scienziati sono costretti a presumere che l'acqua sia un ingrediente chiave per la vita come la conosciamo. Di tutti i solventi conosciuti, l'acqua è l'unico in cui la vita può sopravvivere e tutti gli organismi conosciuti sulla Terra dipendono da essa per la loro sopravvivenza.
Ciò solleva un punto fondamentale (e un fattore limitante) sulla ricerca della vita extraterrestre, sia di base che complessa. Considerando che l'acqua è trattata come una 'biofirma' nella caccia alla vita extraterrestre, si teorizza che la presenza di troppa acqua interferirebbe con processi chiave che sono anche considerati essenziali per la vita. Ma prima, una breve nota sulla terminologia.
Biofirme
Per definizione, il termine 'biofirme' si riferisce a qualsiasi composto, isotopo o processo che è visto come prova di vita passata o presente. Più specificamente, sono indicativi di processi complessi che consumano energia gratuita e portano alla produzione di rifiuti organici (biomassa). Questo include il gas idrogeno (H2), ossigeno gassoso (O2), anidride carbonica (CO2), metano (CH4), acqua (H2O), e alcuni composti solforici e fosforici.
L'acqua è una delle biofirme più ricercate poiché è l'unico solvente conosciuto in cui può esistere la vita ed è essenziale per tutte le forme di vita conosciute sulla Terra. Ma mentre l'acqua copre il 71% della superficie terrestre, rappresenta solo lo 0,02% della massa totale del nostro pianeta. Se questa frazione di massa dovesse essere maggiore, significherebbe che un pianeta è completamente ricoperto da oceani di grande profondità, il che potrebbe avere conseguenze sull'abitabilità.
Questo non è diverso dai 'pianeti abitabili transitoriamente', in cui sono stati osservati pianeti rocciosi che sembrano avere abbondanti ossigeno gassoso di origine abiotica (non il risultato di attività biologica). Invece, si ritiene che il gas ossigeno sia il risultato della dissociazione chimica, in cui la radiazione ultravioletta provoca la decomposizione del vapore acqueo atmosferico, creando idrogeno e ossigeno.
Mentre il gas idrogeno (essendo molto più leggero) viene perso nello spazio, il gas ossigeno verrà trattenuto dalla gravità del pianeta. Ma poiché il gas ossigeno è tossico per molte forme di vita di base, come gli organismi fotosintetici come i cianobatteri, la presenza di ossigeno abiotico potrebbe effettivamente impedire l'emergere della vita. Forse lo stesso vale quando si tratta di una sovrabbondanza di acqua.
Origine
Sebbene l'ipotesi di Waterworlds sia in gran parte il prodotto di recenti scoperte di esopianeti, le sue fondamenta risalgono a diversi decenni. Ad esempio, David Brin ha riassunto il pensiero alla base di questa ipotesi nel suo studio fondamentale del 1983, Il grande silenzio: la controversia sulla vita intelligente extraterrestre :
“L'acqua copre oltre il 70% della superficie terrestre. Eppure forse la Terra è verso l'estremità secca della classe abitabile dei mondi. Un'area di terra molto più piccola, o la mancanza di terra asciutta, offrirebbe poche opportunità per l'evoluzione delle specie che usano attrezzi. Le specie più intelligenti dell'Universo potrebbero possedere l'aspetto delle balene, e non concepire mai la radio, né viaggiare verso le stelle.
Una disposizione di 3 esopianeti per esplorare come le atmosfere possono apparire diverse in base alla chimica presente e al flusso in arrivo. Crediti e ©: Jack H. Madden, utilizzati con il permesso
Argomentazioni simili sono state avanzate da Manasvi Lingam e Abraham Loeb, due ricercatori del Centro Smithsonian di astrofisica di Harvard (CfA) e il Istituto di Teoria e Calcolo (ITC) presso l'Università di Harvard. In un studio 2018 , i due ricercatori hanno esaminato il ruolo svolto da oceani e continenti nell'emergere della vita.
Alla fine, arrivarono a due probabili possibilità. Da un lato, i loro calcoli hanno indicato che un attento equilibrio tra oceani e terre emerse è cruciale per l'emergere di biosfere complesse. Dall'altro, hanno determinato che pianeti come la Terra, con un rapporto tra massa continentale e oceani di 30:70, sono probabilmente piuttosto rari nel nostro Universo.
Negli ultimi anni, gli astronomi hanno anche osservato indicazioni che l'acqua potrebbe costituire una percentuale maggiore della massa e della composizione di un pianeta di quanto si pensasse in precedenza. Da un lato, i sondaggi moderni hanno scoperto molti esopianeti che orbitano all'interno delle zone abitabili (HZ) delle loro stelle che sembravano essere interamente ricoperti d'acqua.
C'è anche il gran numero di pianeti rocciosi che fanno parte del sistema stellare di tipo M (nana rossa) nell'ultimo decennio. Ciò include Proxima b, l'esopianeta più vicino al Sistema Solare (4,24 anni luce) e che orbita all'interno dell'HZ della sua stella. In un studio 2016 , Bastien Brugger e il Punto rosso pallido Il team ha creato una serie di modelli di struttura interna che hanno mostrato come questi pianeti potrebbero essere in gran parte composti da acqua.
Rappresentazione artistica di un pianeta 'a bulbo oculare', un mondo acquatico in cui il lato rivolto verso il sole è in grado di mantenere un oceano di acqua liquida. Credito e Copyright: eburacum45/ DeviantArt
Basandosi sul presupposto che Proxima b sia un pianeta roccioso e non abbia un'atmosfera massiccia, Brugger e i suoi colleghi hanno concluso che è probabile che questo pianeta abbia un raggio massimo di 1,4 volte quello della Terra e 1,46 volte più massa. Tuttavia, questi parametri includono anche una frazione di massa fino al 50% di acqua, il che significa che è probabilmente un 'pianeta oceanico' con un guscio ghiacciato.
Questo è stato seguito da a studio simile dai ricercatori dell'Università di Berna che hanno esaminato la formazione di pianeti attorno a stelle di massa molto bassa (dette nane rosse). I loro risultati hanno mostrato che questi pianeti andrebbero da 0,5 a 1,5 volte il raggio della Terra (con 1 raggio terrestre come media) e che nel 90% dei casi, l'acqua rappresenterebbe più del 10% della massa dei pianeti.
Nel 2017, gli astronomi hanno confermato l'esistenza di sette pianeti rocciosi intorno TRAPPISTA-1 , con tre orbitanti all'interno dell'HZ della stella. Da allora, studi multipli hanno dimostrato che il sistema può essere ricco in termini di acqua . Tuttavia, uno studio del 2018 condotto da Arizona State's Scuola di esplorazione della Terra e dello spazio (SESE) ha calcolato il contenuto di acqua dei pianeti TRAPPIST-1 e ha ottenuto risultati simili.
Sulla base dei loro modelli di composizione del raggio di massa, hanno scoperto che i pianeti più interni (BeC) erano più “secchi” – con il 15% di acqua in massa – mentre i pianeti più esterni (FeG) erano più del 50% di acqua in massa. Nel 2018, un gruppo internazionale di scienziati guidato dal ricercatore di Harvard Li Zeng ha esaminato i dati del Telescopio spaziale Keplero e Gaia missione per determinare quanto siano realmente comuni i 'mondi acquatici'.
L'impressione di questo artista mostra il pianeta Proxima b in orbita attorno alla stella nana rossa Proxima Centauri, la stella più vicina al Sistema Solare. Credito: ESO/M. Kornmesser
Da questo, Zeng e i suoi colleghi sono stati in grado di creare un modello che mostrasse la relazione tra massa e raggio. Quello che hanno scoperto è che i pianeti che hanno un raggio 2,5 volte quello della Terra (e una massa circa 10 volte quella della Terra) sono probabilmente Waterworlds, dove l'acqua rappresenta circa il 50% della loro massa. In breve, hanno scoperto che circa il 35% di tutti gli esopianeti conosciuti più grandi della Terra dovrebbe essere ricco di acqua.
Implicazioni
La possibilità che moltissimi esopianeti siano Waterworlds potrebbe essere molto negativa quando si tratta di cercare la vita come la conosciamo. I pianeti con una massa di acqua fino al 50%, ad esempio, avrebbero oceani profondi diversi chilometri. In queste condizioni, questi pianeti sarebbero costituiti da oceani liquidi sopra strati di ghiaccio ad alta pressione che circondano un nucleo roccioso.
La presenza di ghiaccio tra un nucleo roccioso e un oceano di superficie impedirebbe lo scambio di energia attraverso l'attività geotermica. Sulla Terra, si ritiene che la presenza di bocche geotermiche al confine tra nucleo e mantello sia stata essenziale per l'emergere della vita. Su mondi oceanici come Europa e altre lune ghiacciate, si ritiene che questa stessa attività sia essenziale per l'esistenza di qualsiasi vita nei loro oceani.
Data la loro comunanza, è possibile quindi che la vita sia rara nel nostro Universo a causa di quanto siano comuni i Waterworld? Potrebbe essere che la vita come la conosciamo sia rara non per l'assenza di una biofirma chiave, ma per la sua sovrabbondanza? Ciò rappresenterebbe un'inversione totale di ciò che molti astronomi si aspettavano di trovare, ma presenta una possibile soluzione al paradosso di Fermi.
critiche
Sebbene questa ipotesi sia attraente per quanto riguarda il paradosso di Fermi, esclude la possibilità di vita su Waterworlds. Ad esempio, in uno studio del 2018 del geofisico Edwin Kite e dell'astrofisico Eric Ford - intitolato ' Abitabilità di Exoplanet Waterworlds ” – i due hanno sostenuto che Waterworlds potrebbe mantenere un ciclo del carbonio senza attività geologica o masse continentali e quindi abitabile.
Sulla Terra, le temperature sono rimaste stabili nel corso degli eoni a causa di livelli relativamente consistenti di CO2nella nostra atmosfera. Ciò è dovuto al ciclo del carbonio, in cui i gas serra vengono assorbiti dai minerali (reso possibile dalla convezione nel mantello) e periodicamente rilasciati nell'atmosfera attraverso l'attività vulcanica. In questo scenario, l'attività geologica è essenziale per mantenere l'abitabilità.
Un tale processo non sarebbe possibile su Waterworlds, dove l'intera superficie del pianeta è costituita da acqua e l'attività geotermica non è in grado di trasferire materiale o energia all'atmosfera. Ma secondo le simulazioni fatte da Kite e Ford, Waterworlds sarebbe in grado di far circolare abbastanza carbonio tra l'atmosfera e gli oceani per mantenere un clima stabile per diversi miliardi di anni.
Inoltre, a studio 2018 dai geofisici Bradford Foley e Andrew Smye della Pennsylvania State University hanno dimostrato che la tettonica a placche non è necessaria per mantenere condizioni abitabili su un pianeta. Anche qui, il team di ricerca ha dimostrato che un ciclo del carbonio può essere mantenuto senza la necessità di convezione nella crosta di attività vulcanica di un pianeta (a condizione che ci fosse una quantità sufficiente di elementi radioattivi nel mantello).
Copernicano vs. Antropico
Un'altra considerazione importante è il modo in cui questa ipotesi solleva interrogativi sulla Terra e sulla natura della vita terrestre. In particolare, si riaccende il dibattito se la Terra sia un tipico esempio di pianeti abitabili o un caso raro (o addirittura unico). La prima possibilità è un esempio del Principio Copernicano (noto anche come Principio di Mediocrità), che afferma che la Terra e l'umanità non sono in una posizione privilegiata per osservare l'Universo.
Al contrario, il Principio Antropico afferma che le osservazioni scientifiche sono possibili solo perché le leggi dell'Universo sono compatibili con lo sviluppo della vita senziente. In termini di cosmologia, il Principio Cosmologico Antropico sostiene che l'umanità e la Terra sono effettivamente in una posizione privilegiata e non sono un esempio della norma.
A questo proposito, l'esistenza di Waterworlds potrebbe essere un'indicazione che i pianeti come la Terra sono in realtà piuttosto rari nell'Universo. A seconda che siano o meno abitabili, potrebbe anche significare che specie come l'umanità (terrestre, che usano strumenti, ecc.) È la minoranza o semplicemente unica. Ad ogni modo, potrebbe spiegare perché non abbiamo notizie da nessuno!
Sebbene gli scienziati non possano dire con certezza se i Waterworlds siano incapaci di supportare la vita, o che Waterworlds costituiscano una percentuale statisticamente significativa di pianeti oltre il Sistema Solare, questa ipotesi riflette come la nostra conoscenza degli esopianeti sia cresciuta considerevolmente negli ultimi anni. Ci ricorda anche che il dibattito tra il principio copernicano e quello antropico è tutt'altro che concluso.
L'impressione di questo artista mostra molti dei pianeti in orbita attorno alla stella nana rossa ultra-fredda TRAPPIST-1. Credito: ESO
Tuttavia, come vanno le possibilità, è piuttosto intrigante. Forse David Brin l'ha detto meglio:
“Si scopre che la nostra Terra pattina sul bordo più interno della zona continuamente abitabile – o “Riccioli d'oro” – del nostro sole. E la Terra potrebbe essere anomala. Può essere che, poiché siamo così vicini al nostro sole, abbiamo un'atmosfera anormalmente ricca di ossigeno e abbiamo un oceano anomalo piccolo per un mondo acquatico...
“In tal caso, l'evoluzione di creature come noi, con mani e fuoco e tutto quel genere di cose, potrebbe essere rara nella galassia. In tal caso, quando costruiremo astronavi e andremo là fuori, forse troveremo tantissimi mondi di vita, ma sono tutti come la Polinesia. Troveremo tantissime forme di vita intelligenti là fuori, ma sono tutti delfini, balene, calamari, che non potrebbero mai costruire le proprie navi stellari”.
Abbiamo scritto molti articoli interessanti sul paradosso di Fermi, l'equazione di Drake e la ricerca di intelligenza extraterrestre (SETI) qui su Universe Today.
ecco Dove sono gli alieni? In che modo il 'grande filtro' potrebbe influenzare i progressi tecnologici nello spazio , Perché trovare la vita aliena sarebbe un male Il Grande Filtro , Come potremmo trovare gli alieni? La ricerca dell'intelligenza extraterrestre (SETI) , e Fraser e John Michael Godier discutono del paradosso di Fermi .
Vuoi calcolare il numero di specie extraterrestri nella nostra galassia? Dirigiti verso il Calcolatrice civiltà aliena !
E assicurati di dare un'occhiata al resto della nostra serie di Beyond Fermi's Paradox:
- Oltre il “paradosso di Fermi” I: A Lunchtime Conversation- Enrico Fermi e l'intelligenza extraterrestre
- Oltre il 'paradosso di Fermi' II: mettere in discussione la congettura di Hart-Tipler
- Oltre il “paradosso di Fermi” III: cos'è il grande filtro??
- Oltre il 'paradosso di Fermi' IV: qual è l'ipotesi delle terre rare?
- Oltre il “paradosso di Fermi” V: Qual è l'ipotesi dell'estivazione?
- Oltre il “paradosso di Fermi” VI: Cos'è l'ipotesi Berserker?
- Oltre il “paradosso di Fermi” VII: Qual è l'ipotesi del planetario?
- Oltre il “paradosso di Fermi” VIII: qual è l'ipotesi dello zoo?
- Oltre il “paradosso di Fermi” IX: Qual è l'ipotesi della breve finestra?
- Oltre il “paradosso di Fermi” X: qual è l'ipotesi primogenita?
- Oltre il “paradosso di Fermi” XI: Qual è l'ipotesi della trascendenza?
- Oltre il “paradosso di Fermi” XIII: qual è l'ipotesi dei “mondi oceanici”?
Astronomy Cast ha alcuni episodi interessanti sull'argomento. ecco Episodio 24: Il paradosso di Fermi: dove sono tutti gli alieni? , Episodio 110: La ricerca dell'intelligenza extraterrestre , Episodio 168: Enrico Fermi , Episodio 273: Soluzioni al paradosso di Fermi .
Fonti:
- Brin, G.D.” Il grande silenzio: la controversia sulla vita intelligente extraterrestre .” Rivista trimestrale della Royal Astronomical Society, vol. 24, n. 3 (1983)
- Brugger, B. (et al.)” Possibili Strutture Interne e Composizioni di Proxima Centauri b .” Le lettere del diario di astrofisica (2016)
- Alibert, Y. & Benz, W.' Formazione e composizione dei pianeti attorno a stelle di massa molto bassa .” Astronomia e astrofisica, vol. 598 (2017)
- Unterborn, C.T. (e altri)” Migrazione verso l'interno dei pianeti TRAPPIST-1 come dedotto dalle loro composizioni ricche di acqua .” Astronomia della natura, vol. 2 (2018)
- Foley, B. & Smye, A. “ Ciclo del carbonio e abitabilità dei pianeti con coperchio stagnante di dimensioni terrestri . ' Astrobiologia Vol. 18, n. 7 (2018)
- Kite, E. & Ford, E. ' Abitabilità di Exoplanet Waterworlds .” La Società Astronomica Americana, Vol. 864, n. 1 (2018)
- Zeng, L. (et al.)” Interpretazione del modello di crescita della distribuzione delle dimensioni del pianeta .” Atti della Royal Astronomical Society, vol. 116,N. 20 (2019)
- Nisr, C. (et al.)” Grande H2O solubilità in silice densa e sue implicazioni per gli interni di pianeti ricchi di acqua .” Atti della Royal Astronomical Society (2020)