50 let Drakeovy rovnice aneb kdy už se s nimi setkáme?

 50 let Drakeovy rovnice aneb kdy už se s nimi setkáme? Studijní text astronomického semináře „Astrobiologie“ 19. květen 2011 Tomáš Gráf Hvězdárna a planetárium Johanna Palisy VŠB – Technická univerzita Ostrava IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz © 2011 Hvězdárna a planetárium Johanna Palisy VŠB‐Technická univerzita Ostrava IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz motto: "Buď jsme ve vesmíru sami, anebo nejsme. V každém případě je to ohromující." Lee Du Bridge, prezident Caltechu (1979) Úvod Úvahy o existenci života mimo Zemi zřejmě nejsou tak častým námětem rozhovorů mezi lidmi jako je například počasí, zdraví nebo dobré jídlo. Přesto asi každý o tomto tématu přemýšlel a dokonce bych se vsadil, že už na toto téma vedl se svými přáteli vášnivou debatu. A tak tomu bylo patrně i v dávné minulosti už od okamžiku, kdy byl člověk schopen přemýšlet o světě kolem sebe i o sobě samotném … Využijme padesáté výročí sestavení legendární Drakeovy rovnice k tomu, abychom si shrnuli některé základní teze poměrně mladé mezioborové vědy, která se jmenuje astrobiologie. IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Jak Frank Drake k rovnici přišel … Mladý americký astrofyzik Dr. Frank Drake, který se rozhodl zabývat radioastronomií, začal v roce 1960 pracovat u radioteleskopu Green Bank. Tam jej napadlo, že by mohl zkusit přijímat rádiový signál na vlnové délce 21 cm (záření atomárního vodíku) z okolí blízkých hvězd podobných Slunci. Vedla jej k tomu úvaha, že pokud by nějaká jiná civilizace chtěla o sobě dát vědět, je tohle velmi pravděpodobná frekvence, protože vodík je nejhojnější prvek ve vesmíru a jeho vlastnosti každá technická civilizace jistě prozkoumá jako první. Zamířil tedy radioteleskop směrem ke hvězdě „tau Ceti“ v souhvězdí Velryby a pak také k „epsilon Eridani“ v souhvězdí Eridanus. A tak se projekt pojmenovaný Ozma, stal pilotním projektem snažení SETI (Search for Extraterrestrial Inteligence) a jeho výsledkem bylo zjištění, tak signifikantní pro projekty SETI až do dnešních dnů: NIC. Žádný umělý signál se nepodařilo zachytit. Prakticky to však znamenalo, že projekt Ozma podal určitou formu důkazu, že ne u každé hvězdy se nachází planeta s technickou civilizací. Plaketa s Drakeovou rovnicí umístěná na observatoři
Green Bank, kovový štítek s jejím popisem
je ohmataný doteky návštěvníků.
O rok později, když o problému diskutoval také s Carlem Saganem a Melvinem Calvinem (nositel Nobelovy ceny), vystoupil na konferenci v Green Banku a formuloval svou rovnici, která měla umožnit vyčíslit, kolik technických civilizací se nachází v naší Galaxii. S odstupem půl století je možné její hlavní přínos spatřovat v brilantním rozkladu složitého problému na řadu otázek méně složitých. Postup, který je vlastní analytickému uvažování. Z jiného úhlu pohledu se nám tahle rovnice může stále jevit jako „přesná rovnice, do které jsme schopni dosazovat jen zoufale nepřesná čísla“. Tak si vyberte ☺! Jisté je, že patrně tímto počinem se začala formovat seriózní vědecká disciplína, kterou dnes nazýváme ASTROBIOLOGIE. IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Kdo koho hledá? Jestliže celý si otázku života mimo Zemi zjednodušíme pouze na hledání inteligentní civilizace, budeme mít dvě možnosti. První znamená, že vzdálené civilizace budeme aktivně hledat. Druhá vyznívá „lenivěji“, ale může být také velmi účinná. Znamená „nechat se najít“, ovšem upozornit na sebe a vyslat co nejdále nějakou „rafinovanou“ zprávu o naší civilizaci. Jenže pokud nás bude zajímat i existence takového života, který podle našich předpokladů není schopen aktivní komunikace na dálku, nezbývá nám než trpělivě „hledat“. Co lze považovat za život? Jaká je definice života? Pokud pomineme citát Jana Wericha: „ … život vždycky stál, stojí a bude stát za to, aby se dožil (ono se s ním beztak nic jiného dělat nedá) …“, je i těch exaktních definic celá řada. Záleží na tom, který z projevů a vlastností živých organismů budete považovat za nejpodstatnější. Jedna z definic říká, že život je proces, při kterém se výchozí surovina přemění (metabolizuje) a zbytek vyloučí. Ovšem takovou obecnou podmínku splňuje i automobil nebo plamen svíčky! Jiná definice praví, že život je systém, který se vzdaluje od termodynamické rovnováhy. I zde naleznete příklady, jež naznačují, že takovou definici nemůžeme v obecné podobě přijmout. Vždyť tuto podmínku splňuje i blesk nebo ozónová vrstva! Poněkud lépe vyznívá definice, že za život lze považovat systém, jež je schopný se reprodukovat, měnit se a reprodukovat tyto své změny s drobnými chybami. Právě ony „drobné chyby“ jsou věci považovány za velmi důležité, protože umožňují evoluční vývoj. IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Ale i třetí uvedená definice je poměrně „akademická“. Postihuje sice podstatné vlastnosti živých organismů, ale pro praktické zkoumání přítomnosti života na nějaké jiné planetě se příliš nehodí. Pro takový výzkum je nutné se soustředit na vnější projevy života. A to takové, které by byly ve Sluneční soustavě měřitelné přístroji umístěnými na palubách kosmických sond a mimo Sluneční soustavu pak zjistitelné například spektrální analýzou. Dokázali bychom najít sami sebe? Možná je tato otázka přímo absurdní, ale v devadesátých letech minulého století se stala inspirací pro jeden z experimentů sondy Galileo, určené především k výzkumu Jupiteru a jeho okolí. Než se však dostala k cíli své meziplanetární pouti, prolétala kolem Země a provedla zmíněná měření. Nebyla vybavena žádnými speciálními přístroji než těmi, kterými pak několik let měřila fyzikální poměry Jupiteru a jeho přirozených satelitů. A jak experiment dopadl? Přístroje našly hned čtyři důkazy, že na povrchu planety Země je život! Ze spektrální analýzy vyplývá přítomnost značného množství molekulárního kyslíku a je zřejmé, že produkce kyslíku je projevem některých forem života. Navíc byly v infračervené oblasti spektra nalezeny pásy, které potvrzují přítomnost chlorofylu na povrchu Země. Dalším důkazem bylo také stopové množství metanu v atmosféře, které bylo sondou zjištěno. Ukazuje totiž na přítomnost procesů, které metan produkují. Ve stabilní atmosféře by se bez přítomnosti života už dávno veškerý metan rozložil na jednodušší molekuly. Detektory sondy také registrovaly elektromagnetické vlnění v rádiovém oboru spektra a zcela zřetelně byla prokázána přítomnost amplitudově modulovaných signálů. Takové záření nemůže mít přirozený původ, ale je dílem technické civilizace. Takovým způsobem však lze prozkoumat pouze nejbližší okolí Země, maximálně prostor Sluneční soustavy. Jaká je pravděpodobnost? Vznik a vývoj života je zřejmě vázán na planetární soustavy, zejména na planety zemského typu. Značný vliv mají také vlastnosti centrální hvězdy takové planetární soustavy. Jaké vlastnosti musí mít hvězda, která bude „vhodným“ kandidátem na vznik stabilní planetární soustavy? IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Hvězdy rozdělujeme podle vzhledu jejich spektra do spektrálních tříd, jež jsou označovány velkými písmeny (O, B, A, F, G, K a M) a každá z těchto tříd se dále dělí na deset podtříd označovaných číslem (0 až 9). Hvězdy v jednotlivých třídách se liší hmotností, povrchovou teplotou, zářivým výkonem a vzhledem spektra. Čím je hvězda hmotnější, tím rychleji probíhají termonukleární reakce v nitru hvězdy a tím kratší je její život. Kritériím pro vytvoření vhodných energetických podmínek pro vznik a vývoj života zcela nevyhovují hvězdy typu M, jež do okolního prostoru vyzařují velmi málo energie. Naopak, hvězdy typů O, B a A vysílají většinu energie v podobě příliš energetického záření, které není vhodné pro vývoj života. Zbývají tak tři vhodné spektrální typy: F2 až 5, G0 až 9 a K0 až 5. Takových hvězd je jenom v naší Galaxii asi 30 % (to znamená asi 100 miliard !). Pravděpodobnost výskytu planet, na kterých se rozvinul život, popisuje upravená Drakeova rovnice: NOP = NH × PP × Pi × PD × PM × Pe × Pd × PR × PS × Pž , kde • NH je počet hvězd, které mají hmotnost mezi 1,3 a 0,4 hmotnosti Slunce, • PP je pravděpodobnost existence planet okolo hvězdy, • Pi je pravděpodobnost správného sklonu rovníku k dráze planety, za přijatelné se považují hodnoty od 0,65 do 1,25 sklonu zemského rovníku, • PD je pravděpodobnost, že v planetárním systému existuje alespoň jedna planeta v exosféře, což je oblast s dostatečnými energetickými podmínkami pro vznik a vývoj života, • PM je pravděpodobnost správné hmotnosti planety (mezi 0,4 až 2,35 hmotností Země), příliš lehká planeta si není schopna udržet svou atmosféru, podobně jako IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz •
•
•
•
•
třeba Mars a na druhou stranu příliš těžké planety s pevným povrchem by zase nestačily dostatečně vychladnout, protože zatímco hmotnost (a tedy i objem) narůstá se třetí mocninou poloměru, povrch planety narůstá pouze s druhou mocninou poloměru, Pe je pravděpodobnost malé výstřednosti dráhy (maximálně 0,2), Pd je pravděpodobnost, že obíhá‐li planeta kolem vícenásobného hvězdného systému, dostává od všech složek soustavy rovnoměrné příděly energie, PR je pravděpodobnost přiměřeně rychlé rotace planety, příliš pomalá rotace způsobuje velké rozdíly mezi dnem a nocí, příliš rychlá rotace působí díky velkému rozdílu tíhy na pólech a na rovníku velmi nepříznivě na proudění v atmosféře, PS je pravděpodobnost vhodného stáří planety, Pž je pravděpodobnost, že při splnění všech počátečních podmínek pro vznik života na planetě život skutečně vznikl O této rovnici, jež je určitou variantou původní Drakeovy rovnice (byla formulována jako počet vyspělých civilizací v naší Galaxii N = R × fp × ne × fl × fi × fc × L, kde R je počet vhodných centrálních hvězd, fp je podíl hvězd s vyvinutými planetárními systémy, ne je průměrný počet planet v takovém planetárním systému, fl je podíl planet, na kterých je život, fi podíl planet, na kterých se vyvinul inteligentní život, fc je podíl planet s vyvinutou technickou civilizací ovládající „mezihvězdnou komunikaci“ a konečně L je doba existence takové civilizace). Navíc s rostoucími znalostmi o světě kolem nás přicházíme stále na větší a větší počet důležitých parametrů a podmínek, jež jsou ke vzniku a rozvoji života potřebné. V poslední době je to například role Měsíce, který působí jako stabilizátor orientace zemské rotační osy. Právě dlouhodobá stabilita orientace zemské rotační osy byla pro vznik života na Zemi velmi důležitá. A tak se nám Drakeova rovnice rozrůstá o další parametr, podíl planet s vhodným přirozeným satelitem. Po dosazení hodnot dostaneme v Galaxii asi miliardu planet s podmínkami vhodnými pro vznik života. Nejbližší z nich by pak měla být ve vzdálenosti zhruba 30 světelných let. Ovšem takové výpočty je nutné brát s rozvahou, chyba určení hned několika koeficientů je velmi vysoká. IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Astrobiologie Historické ohlédnutí Řecký filozof Anaxagorás (500–428 př.n.l.) uvažuje ve svých spisech o Měsíci jako o tělese podobném Zemi i s životem a filozofové Empedoklés (493–433 př.n.l.) a Démokritos (460–370 př.n.l.) píší o obecném evolučním atomistickém vývoji v přírodě. Italský filozof Giordano Bruno rozvíjí nepodložené úvahy o mnohosti obydlených světů. Stejně tak Johannes Kepler (1571–1630) popisuje ve svém díle cestu na Měsíc a setkání s jeho obyvateli. Newton a Herschel dokonce zabydlují celou Sluneční soustavu živými bytostmi (včetně Slunce) a filozof Imanuel Kant (1724–1804) spekuluje o povaze těchto bytostí. V roce 1828 německý chemik Fridrich Wöhler demonstruje vznik močoviny z anorganických látek a o téměř půlstoletí později Charles Darwin uvažuje o vzniku života „v teplém rybníčku“ ve svém dopisu J. Hookerovi (1871). Camill Flammarion (1842–1925) spekuluje o životě na Marsu a Venuši. Dvacáté století V roce 1949 zakládají G. A. Tikhov a V. Fessenkov v Kazachstánu Astrobotanický ústav a v roce 1953 používá Tikhov poprvé pojem „astrobiologie“ v titulu své knihy. Na sklonku padesátých let se Melvin Calvin stává poradcem NASA pro mimozemský život a je publikován článek „Pátrání po mezihvězdném spojení“ (Coconino & Morisson). V roce 1960 zavádí Joshua Lederbeg pojem „exobiologie“. Kromě teoretických úvah jednotlivců přicházejí ke slovu i konkrétní projekty. V roce 1976 pátraly sondy Viking po životě na Marsu (výsledkem bylo negativní zjištění) a v roce 1984 byl založen SETI Institute, jehož ředitelem se tehdy stal Carl Sagan. Markantní rozvoj astrobiologie však nastal až v posledních 20 letech, zejména po založení NASA Astrobiology Institute v roce 1998. Tehdy to byl jediný takto specializovaný ústav na světě, dnes existují podobné instituce i v dalších zemích. V roce 2009 získal Nobelovu cenu J. W. Szostak, který se zabývá také astrobiologií. Co je to astrobiologie a jak je vymezena vzhledem k jiným vědám? Astrobiologie je věda o vzniku, vývoji, rozšíření a budoucnosti života ve vesmíru. Jedná se o multidisciplinární vědní obor užívající řadu vyspělých technologií. Někdy se můžeme setkat také s pojmem „exobiologie“, což byl původní název méně široce pojatého vědního oboru. Základní cíle astrobiologie byly formulovány v publikaci „NASA Astrobiology Roadmap“ (viz http://astrobiology.arc.nasa.gov). Spojuje v sobě disciplíny z věd o Zemi, biologických věd a kosmického výzkumu. Zahrnuje obory od mikrobiologie, ekologie, molekulární biologie, paleontologie, astronomie, planetologie, chemie, fyziky atd. Zabývá se také otázkou ochrany životního prostředí na Zemi i jiných planetách, především z hlediska možné kontaminace a zkoumá dlouhodobou obyvatelnost jednotlivých těles. Má dopady také na některé společenské vědy, náboženství, filozofii, etiku nebo kvalitu života a vzdělávání. IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Fundamentální otázky astrobiologie aneb na co se umí zeptat každé dítě … Obecné otázky • Jak vznikl a vyvíjel se život na naší planetě? • Co je vlastně život? • Jsme ve vesmíru sami nebo existuje někde jinde ve vesmíru život? • Je náš vesmír opravdu biofilní? • Jaká je budoucnost života na Zemi a mimo ní? • Staneme se kosmickou supercivilizací? Otázky související se vznikem života na Zemi • Kdy a kde konkrétně život na Zemi vznikl? • Jaký druh energie pohání vznik života? • Jaké stavební kameny jsou potřebné ke vzniku živých soustav? • Umíme napodobit podmínky prebiotické evoluce? • Jsme schopni stvořit umělý život in vitro? • Existuje reálná možnost přenosu biologického materiálu mezi planetami? • Nepřišel na Zemi život z Marsu? Principy organizace hmoty v živých soustavách • Existují obecné fyzikálně‐chemické principy jimiž se život řídí? • Musí být život založen pouze na uhlíkatých sloučeninách a vodním prostředí? IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz •
•
Jaká je potřebná úroveň komplexity systému aby se stal živým? Umíme definovat co je vlastně život? Procesy evoluce živých soustav • Rozumíme dokonale procesu evoluce? • Je evoluce v počátcích vzniku života horizontální či vertikální proces? • Jak ovlivňuje vznik ekosystémů evoluci? • Jak ovlivňují ekosystémy jednotlivé druhy? • Co je hnacím motorem evoluce? • Lze evoluci prediktivně modelovat? • Směřuje evoluce nevyhnutelně ke komplexnějším a inteligentnějším organismům? Evoluce ekosystémů • Je oboustranný vztah mezi živými organismy a planetárním prostředím nevyhnutelný? • Jak funguje koevoluce života a planety? • Co víme o této koevoluci z fosilních záznamů? • Je koevoluce „stabilní“ anebo spíše katastrofický proces? • Jaká úroveň komplexity je nutná, aby byl systém „evolučně stabilní“? Limity života ve vesmíru • Jak fungují extremofilní organismy? • Mají extremofilní organismy nějaký bližší vztah ke vzniku života? • Existují na Zemi typy prostředí, které život nekolonizoval? • Existují biochemické limity života? • Existují na Zemi typy ekologických nik podobných těm na jiných tělesech sluneční soustavy? Obyvatelnost planet ve vesmíru • Jak dochází k formování planet? • Jak vznikají planetární systémy? • Jsou stabilní planetární soustavy ve vesmíru časté? • Kde máme v Galaxii hledat obyvatelné planty? • Jaký druh planet má dostatečné zásoby vody? • Kde se musí planeta nacházet v planetárním systému aby byla obyvatelná? • Jsou obyvatelné planety raritou? IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Rozpoznání znaků života • Rozpoznáme strukturní rysy života ve fosilním záznamu? • Poznáme chemickou analýzou dávnou přítomnost života? • Umíme spektroskopicky detekovat znaky života ze zastoupení plynů v atmosféře? • Jak poznáme že je něco živé? • Jsme schopni rozpoznat projevy vyspělé kosmické civilizace? Hledání života ve Sluneční soustavě • Kde jinde než na Zemi se může vyskytovat život? • Jak jej hledat na Jupiterovu měsíci Europa? • Existují exotické prebiotické formy na Titanu, Tritonu či kometách? • Existoval či existuje život na Venuši? • Byl někdy v minulosti na Marsu život? • Je na Marsu život a kde jej hledat? • Umíme zabránit kontaminaci při přenosu vzorků či přistání sond? Změny ekosystémů vlivem životního prostředí • Jak lidstvo ovlivňuje životní prostředí? • Jaký je dopad atmosférických či geologických změn na biosféru? • Ovlivňuje dlouhodobě sluneční aktivita ekosystémy? • Má okolní kosmický prostor vliv na pozemskou biosféru? • Jaký je vliv globálních katastrof? • Existuje „trvale udržitelný rozvoj“ technické civilizace? Expanze pozemského života do vesmíru • Co se stane s životem když opustí ochranu zemské atmosféry, magnetosféry a gravitačního pole? • Mohou se organismy a ekosystémy adaptovat na zcela nové prostředí? • Existují praktické cesty jak cíleně modifikovat organismy pro kosmické prostředí? • Jsou lidé technicky schopni mezihvězdných letů? • Je civilizace schopna globální kolonizace vesmíru? IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Je astrobiologie uznávaná jako věda? Již v roce 1982 založila Mezinárodní astronomická unie pracovní komisi 51, která se věnuje „bioastronomii“. Mezi hlavní cíle komise patří: hledání planet kolem cizích hvězd, úmyslné i neúmyslné pátrání po rádiovém vysílání mimozemského původu, hledání biomolekul v kosmickém prostoru a studium procesů vedoucích k jejich vzniku a vyvíjení spektroskopické detekční techniky sloužící k odhalení biologických procesů ve vesmíru. Tato komise má za úkol také koordinaci výzkumu na mezinárodní úrovni http://www.iau.org Informační zdroje: český e‐časopis Gliese http://www.exoplanety.cz/gliese/
NASA Astrobiology Institute http://nai.arc.nasa.gov/ Astrobiology @ Ames Research Center http://astrobiology.arc.nasa.gov/ Astrobiology Magazine http://www.astrobio.net/ Origins http://www.exploratorium.edu/origins/ SETI Institute http://www.seti.org Astrochem.org http://www.astrochem.org/ NASA Center for Computational Astrobiology http://cca.arc.nasa.gov/ Astrobiology.com http://www.astrobiology.com/ od roku 2001 vychází vědecký časopis Astrobiology, vydává Maty Ann Libert a od roku 2002 vychází International Journal of Astrobiology, vydávaný Cambridge University Press Další použité prameny: sylaby přednášky o astrobiologii Dr. Vladimíra Kopeckého, jr. informační zdroje na internetu IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz Hodnoty jednotlivých členů Drakeovy rovnice člen rovnice počet hvězd v Galaxii procento vhodných hvězd kolik procent vhodných hvězd má planetární soustavu (PS) počet těles v PS vhodných pro život na kolika z nich se život vyvinul na kolika dospěl až k inteligentní formě kolik civilizací vyvinulo radiokomunikaci kolik civilizací má tuto technologii k dispozici nyní konzervativní optimistický váš soukromý odhad odhad odhad 100 mld 600 mld 5% 15‐45% 5% 50‐100% 0,1 4 0,000001% 100% 0,0001 a méně 0,0001 a méně 0,0001 a méně 100% 100% 10% IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz A pro ty, kterým to ještě nestačilo ☺, astrobiologické schéma nakonec. Nebo pro začátek? IPN Podpora technických a přírodovědných oborů Regionální koordinátor pro Moravskoslezský kraj www.generaceY.cz www.msmt.cz