Die Seltene Erde Hypothese - Das Fermi-Paradox: Teil 3 (2018)
Hallo Raumzeit, Ronny hier. Unser blauer Planet ist einzigartig. Das hört man immer wieder.
Ist er so einzigartig, dass es nur hier Leben geben kann?
Oder er die Erde bestenfalls Mittelmaß und möglicherweise soweit hinter dem Rest hinterher, dass
sie bald für eine interstellare Autobahn gesprengt werden muss?
Dass wollen wir heute herausfinden, wenn wir uns unsere erste mögliche Lösung für das
Fermiparadox anschauen – die Rare Earth Hypothesis – oder die „Seltene Erde Hypothese“.
Wir gehen heute ins Detail – Willkommen bei Raumzeit!
Die Erde ist nicht spektakulär, ein Durchschnittsplanet in einem Universum voll von Sonnensystemen
– und Leben wird es auf unzähligen anderen Erden geben.
Wenn man das behauptet, dann legt man zwei Prinzipien zugrunde.
Zum einen das anthropische Prinzip.
Dieses besagt, dass es nur in einem Universum, dass Leben ermöglicht, Wesen geben kann,
welche in der Lage sind, dies zu beobachten und zu hinterfragen.
Das zweite Prinzip ist das so genannte kopernikanische Prinzip.
Kopernikus brach mit dem geozentrischen Weltbild, welches die Erde als das Zentrum des Universums
ansah.
Für ihn hatte die Erde keinen besonderen Status, sie war nicht einzigartig, sondern
ein Planet von vielen.
Dieses Prinzip wurde auf das Sonnensystem übertragen – auch dieses sei nicht einzigartig,
sondern nur eines unter Milliarden ähnlichen Sternensystemen in unserer Galaxie.
Eine Annahme, die zumindest in Teilen von der Kepler-Mission bestätigt wird.
Planetensysteme sind die Regel, nicht die Ausnahme.
Hier tritt das Fermi-Paradox auf den Plan – das Paradox, dass sagt, es sollte zahlreiche Aliens
geben und gegeben haben aber wir konnten sie bisher nicht finden.
Eine Möglichkeit, das Fermi-Paradox aufzulösen, besteht nämlich darin, das kopernikanische
Prinzip anzuzweifeln.
Im Jahr 2000 veröffentlichten der Geologe und Paläontologe Peter Ward und der Astronom
und Astrobiologe Donald E.
Brownlee ein Buch mit dem Titel Seltene Erde: Warum komplexes Leben ungewöhnlich im Universum
ist.
Ihr Buch wurde namensgebend für die Rare Earth Theory, die Annahme, dass wir keine
Außerirdischen beobachten können, weil die Bedingungen für die Existenz von Leben unglaublich
selten sind und die Erde eine spektakuläre Ausnahme darstellt.
Ward und Brownlee gehen davon aus, dass das Leben nur auf einem erdähnlichen Planeten möglich sei.
Sie behaupten weiter, die Entstehung der Lebensbedingungen auf der Erde sei das Ergebnis einer ganzen
Reihe von Bedingungen, welche teils so unwahrscheinlich seien, dass komplexes Leben extrem selten
oder gar einzigartig im Universum ist.
Wir werden heute diese Bedingungen prüfen und sie auf Basis der aktuellsten Erkenntnisse
neu bewerten.
Wir werden dann zu jeder einzelnen Bedingung einen %Wert angeben und uns so eine Neufassung
der Drakegleichung schaffen.
Am Ende der heutigen Folge wird ein einziger Wert stehen – nämlich unsere Aussage darüber,
auf wievielen erdähnlichen Planeten in der Milchstraße Leben existieren sollte.
Na dann mal los.
Bedingung 1.
Wir brauchen einen Stern in der habitablen Zone der Galaxie.
Das klingt erstmal merkwürdig, ist aber nachvollziehbar, wenn wir einen Blick auf die Milchstraße
werfen.
Hier im Zentrum explodiert ziemlich viel, es gibt eine sehr hohe Sternendichte und damit
Instabilitäten von Orbits und dann ist da noch Sagittarius A* – ein Monster von
einem schwarzen Loch im Zentrum unserer Galaxie mit einer Million Sonnenmassen.
Dieses sorgt mit extrem harter Strahlung für weitere Probleme.
Was passiert in den äußeren Zonen der Galaxie?
Hier ist es angenehm ruhig, allerdings ist die Metallizität in dieser Region so gering,
dass nicht genügend schwere Elemente für die Entstehung von komplexem Leben existieren.
Ein Ring in der Mitte stellt also die habitable Zone der Galaxis dar – wiederrum mit Einschränkungen.
Die Umlaufbahn eines Sonnensystems muss annähernd kreisförmig sein, um dauerhaft in der bewohnbaren
Zone zu bleiben.
Die Spiralarme sind ebenfalls zu aktiv – Super Novae und kontinuierliche Asteroideneinschläge
würden Leben hier zu stark behindern.
Die Rare Earth Befürworter argumentieren sogar, dass ein Stern auf seinem Orbit nicht
einmal einen Spiralarm passieren dürfe.
Zumindest in diesem Punkt widersprechen wir – neuere Ansätze legen überzeugend dar,
dass die Sonne regelmäßig Spiralarme durchquert – und wir sind ja nun mal da und schauen
YouTube-Videos.
Die konservativsten Zahlen, die wir kennen aus dem Jahr 2001 gehen von lediglich 5% Sternen
aus, die in die habitable Zone fallen.
Etwas realistischer – insbesondere wenn man davon ausgeht, dass die Spiralarme nicht
taboo sind, scheint eine Zahl von 10% - und das ist immer noch sehr konservativ.
Halten wir also unsere erste Zahl fest: 10% der Sterne der Milchstraße liegen in ihrer
habitablen Zone.
Schauen wir uns die Sterne dieser habitablen Zone näher an.
Nur wenige Sterne sind tatsächlich geeignet für die Entstehung von Leben.
Zunächst einmal scheidet die Mehrheit der Binären Systeme aus, also Systeme bestehend
aus 2 Sternen, da sie keinen stabilen Orbit für Planeten ermöglichen.
Diese Doppelsternsysteme machen ungefähr 50% der Sterne der Galaxie aus.
Im Gegensatz zu den Befürwortern der Rare Earth Hypothese allerdings muss man binäre
Sternsysteme nicht von vornherein ausschließen: Sind die Sterne nämlich extrem eng beieinander
oder wieder extrem weit voneinander entfernt, dann ist durchaus ein stabiler Planetenumlauf
in einer habitablen Zone denkbar.
Nehmen wir also 50% an für die Einzelsternsysteme und weitere 10% um 20% der binären Systeme
mit einzuschließen.
Unser nächster Wert ist daher: 60%.
Von den verbleibenden Sternen sind die meisten (ca. 80%) rote Zwerge, wie z.B.
Proxima Centauri.
Diese roten Zwerge gelten gemeinhin auch als lebensfeindlich, weil sie a) wesentlich variabler
in ihrem Energieausstoß sind als etwa die Sonne.
Und b) zwingen sie Planeten zu einem sehr kleinen Orbit, um in der habitablen Zone zu
sein.
Dies führt dazu, dass diese Planeten (ähnlich unserem Mond) eine gebundene Rotation aufweisen
und somit eine permanente Tagseite und Nachtseite aufweisen.
Auf der Tagseite ist es kochend heiß, die Nachtseite liegt in ewiger Kälte.
Unter bestimmten Bedingungen, so neuere Forschungen, ist aber in der Nähe mancher roter Zwerge
Leben möglich – etwa im Äquatorbereich eines Planeten.
Wir nehmen daher insgesamt 17% an: 9% für die sonnenähnlichen Sterne der F-K Klasse
und 8% für ein Zehntel der roten Zwerge.
Unser dritter Wert ist also 17%.
Natürlich brauchen wir einen Planeten.
Dieser muss terrestrisch sein – es ist überaus schwierig, auf einem Gasriesen zu stehen.
Er muss auch die richtige Größe aufweisen.
Ist er zu leicht, wird der Planet keine Atmosphäre halten können.
Ist er zu schwer, wird er möglicherweise eine zu dichte Atmosphäre haben ähnlich
der der Venus.
Unkontrollierte Treibhauseffekte und zu hoher Druck könnten die Folge sein.
Wenn wir von unserem Sonnensystem ausgehen und weiter die Daten Keplers einbeziehen,
dann gehen wir von einer recht hohen Chance aus, entsprechende Planeten zu finden.
Dieser Planet muss schließlich noch einen wenig exzentrischen – also möglichst kreisrunden
Orbit – in der habitablen Zone seines Sterns aufweisen.
Im Jahr 2013 wurde eine Studie der Academy of Sciences veröffentlicht, die uns hier
eine Zahl liefert.
Der Studie zufolge haben 20% der in Frage kommenden Sterne einen terrestrischen Planeten
der richtigen Größe auf einem stabilen Orbit innerhalb der habitablen Zone. 20% ist also
unser nächster Wert.
Was ist mit einem Magnetfeld?
Ein Magnetfeld schützt vor gefährlicher, lebensfeindlicher Strahlung des Sterns.
Venus und Mars haben kein Magnetfeld, die Erde scheint hier also eine besondere Stellung
zu haben.
Aber auch die Bedeutung des Magnetfelds wurde hinterfragt – die Erde zum Beispiel erfuhr
in unregelmäßigen Abständen Polarisationswechsel (Nord- und Südpol tauschten quasi die Plätze),
was immer von einer erheblichen Abschwächung der Feldstärke begleitet war.
Gerade jetzt scheinen wir eine weitere Repolarisierung zu erleben.
Dennoch schien das Leben nicht darunter zu leiden.
Wir gehen hier von moderaten 50% aus.
Als nächstes besprechen wir Atmosphäre und Wasser.
Leben benötigt definitiv eine Atmosphäre – eine solche finden wir etwa auf Titan,
der Venus, der Erde und dem Mars.
Was die Uratmosphäre angeht, ist allerdings ein breites Spektrum an Möglichkeiten denkbar.
Stickstoff, Methan, Kohlendioxid – das sind typische Bausteine einer Atmosphäre; die
Anwesenheit von Sauerstoff ist keine Voraussetzung – freier Sauerstoff ist als Entwicklungsschritt
des Lebens zu betrachten.
Wasser scheint wenig problematisch zu sein, da wir es etwa auf dem Merkur und dem Mars
finden können.
Es gibt die subterranen Ozeane von Enceladus und Europa.
Hier, und das scheint uns der entscheidende Aspekt zu sein, geht es um die richtige Menge
– zu wenig Wasser, und es bilden sich keine Meere, zu viel Wasser und der Planet ist in
dutzende Kilometer tiefe Ozeane eingehüllt.
Insgesamt sind wir hier vorsichtig und nehmen eine Chance von lediglich 30% für die Existenz
einer Atmosphäre und einer adäquaten Menge an Wasser an.
Was ist mit dem Mond?
Er ist eine klare Besonderheit der Erde und entstand mehr oder minder durch einen Zufall.
Aber ist er auch notwendige Bedingung für komplexes Leben, wie Rare Earth Befürworter
behaupten?
Sie nehmen an, dass der Mond die Lage der Erdachse stabilisiert, durch die Gezeiten
mit für die Plattentektonik verantwortlich ist und schließlich das Rotationsmoment der
Erde soweit reduziert hat, dass wir über einen lebensfreundlichen 24 Stunden Tag verfügen.
Diese Annahmen sind aber spekulativ und Forscher wie etwa Kasting im Jahr 2001 stellen die
Rolle eines großen Mondes in Frage.
Wir gehen daher von großzügigen 80% aus, da die Rolle des Mondes noch nicht abschließend
geklärt ist.
Die meisten Befürworter von Rare Earth gehen davon aus, dass ein Gasriese wie Jupiter notwendig
ist, um die inneren Planeten vor zu häufigen Einschlägen zu schützen.
Eine Art Weltraumstaubsauger quasi.
Dies ist mittlerweile aber stark umstritten.
Mehrfache Computersimulationen haben gezeigt, dass Jupiter für drei Mal mehr Einschläge
verantwortlich ist als er verhindert.
Wir bewerten damit die Rolle des Jupiter als nicht zentral und geben hier 100%.
Peter Ward brachte als Geologe die Plattentektonik mit ins Spiel.
Ihm zufolge sei sie relevant für die verschiedensten Prozesse (beispielsweise das Magnetfeld, Klimaregulation
und Impulsgeber für die Evolution).
Er argumentierte weiter, dass die anderen terrestrischen Planeten, wie man am Fehlen
von Gebirgsketten sehen könne, keinerlei Plattentektonik aufweisen.
Dies muss aber doppelt relativiert werden.
Zum einen wurde mittlerweile aktive Plattentektonik auf zahlreichen Körpern im Sonnensystem,
so z.B. dem Mars, dem Pluto und dessen Mond Charon, nachgewiesen.
Zum anderen ist die zentrale Rolle der Plattentektonik stark umstritten.
Viele Schritte der Entwicklung des Lebens auf Erde hatten schon stattgefunden bevor
die Tektonik vor etwa 3 Milliarden Jahren einsetzte.
Wir bewerten daher die Rolle der Plattentektonik als gering und gehen von 90% aus.
Und wann entsteht nun einfaches Leben?
Man geht hier davon aus, dass dies keine sonderlich große Hürde darstellt.
Auf der Erde entstand Leben schließlich sehr schnell – schon wenige hundert Millionen
Jahre nach der Formation unseres Planeten.
Selbst Befürworter der Rare Earth Hypothese gehen hier von einem hohen Wert aus.
Wir sind vorsichtig und nehmen für unsere erdähnlichen Planeten eine Chance von 50%
an.
Wir haben jetzt allerdings noch nicht über komplexes Leben gesprochen.
Lediglich über Leben und zwar in seiner einfachsten, mikrobischen Form – Einzeller ohne Zellkern,
so genannte Prokaryonten.
Aber eben Leben.
Und wie oft sollte das in der Milchstraße vorkommen?
Rechnen wir also mal alles zusammen und gehen von 300 Milliarden Sternen in der Galaxie
aus.
Wir erhalten 33 Millionen 48 Tausend.
Das ist sie also – die Zahl der Planeten in der Milchstraße, auf der wir aktuell einfaches
Leben vermuten.
Hierzu sind natürlich einige Bemerkungen nötig – wir haben versucht, alle aktuellen
Erkenntnisse einzubeziehen – dennoch bleiben einige unserer Prozentwerte vage.
Wir glauben dennoch, dass wir mit der Zahl einen recht soliden und realistischen Wert
abgeliefert haben.
Die zweite Bemerkung betrifft natürlich die Zeit.
Die Milchstraße ist 3 Mal so alt wie unser Sonnensystem und unser Wert stellt eine Momentaufnahme
dar – es sollte also bereits eine deutlich größere Zahl von belebten Planeten gegeben
haben.
Dazu besteht die Möglichkeit von Leben auf etwa Monden außerhalb der habitablen Zone
und natürlich Leben auf der Basis alternativer Elemente wie etwa Ammoniak statt Wasser.
Ist die Erde also so einzigartig?
Nicht, offenbar, wenn es um die Entstehung einfachen Lebens geht.
Was die Weiterentwicklung zu komplexem Leben und schließlich Zivilisationen angeht – das
ist eine ganze andere Fragestellung und wird das Thema unserer nächsten Episode zum Fermi-Paradox
sein.
Und wer ihr die sehen wollt, dann abonniert Raumzeit und schaltet die Benachrichtigungen
an – so verpasst ihr kein Video.
Wir übrigens glauben sehr wohl, dass unsere Erde auf ihre Weise einzigartig ist – ihre
Schönheit und Vielfalt wird es nämlich in genau dieser Form in der Galaxie nur einmal
geben – und wir sind mitten drin!
