مرحبًا بك مرة أخرى في سلسلة مفارقة فيرمي ، حيث نلقي نظرة على الحلول الممكنة لسؤال إنريكو فيرمي الشهير ، 'أين الجميع؟' اليوم ، ندرس احتمال أن يكون سبب الصمت العظيم هو أن العديد من الكواكب هناك مائي للغاية!
في عام 1950 ، عالم فيزياء إيطالي أمريكي إنريكو فيرمي جلس لتناول الغداء مع بعض زملائه في مختبر لوس ألاموس الوطني ، حيث عمل قبل خمس سنوات كجزء من مشروع مانهاتن. وفقًا لروايات مختلفة ، تحول الحديث إلى الأجانب والموجة الأخيرة من الأجسام الطائرة المجهولة. في هذا الصدد ، أصدر فيرمي بيانًا من شأنه أن يدون في سجلات التاريخ: 'اين الجميع؟'
أصبح هذا أساس مفارقة فيرمي ، والذي يشير إلى التباين بين تقديرات الاحتمالية العالية لوجود ذكاء خارج كوكب الأرض (ETI) والنقص الواضح في الأدلة. منذ عهد فيرمي ، كانت هناك عدة حلول مقترحة لمسألته ، والتي تتضمن إمكانية ذلك العديد من الكواكب الخارجيةعوالم مائية، حيث تكون المياه وفيرة للغاية بحيث تقل احتمالية ظهور الحياة وازدهارها.
يستخدم مصطلح Waterworld لوصف الكواكب الأرضية (الصخرية) التي تحتوي على كميات كبيرة من الماء على سطحها - لدرجة أن الماء يشكل جزءًا كبيرًا من كتلتها الإجمالية وتكوينها. في قلب فرضية Waterworlds يوجد افتراض رئيسي فيما يتعلق بالظروف التي يمكن أن توجد فيها الحياة في كوننا ، ناهيك عن النتائج الحديثة في مجال دراسة الكواكب الخارجية.
مفهوم الفنان لـ Kepler-22b ، 'عالم مائي' محتمل. حقوق الصورة: NASA / Ames / JPL-Caltech
باستخدام الأرض وجميع الأنواع التي تطورت هنا بمرور الوقت كنقطة مرجعية ، يضطر العلماء إلى افتراض أن الماء عنصر أساسي في الحياة كما نعرفها. من بين جميع المذيبات المعروفة ، الماء هو الوحيد الذي يمكن للحياة أن تعيش فيه ، وجميع الكائنات الحية المعروفة على الأرض تعتمد عليه في بقائها على قيد الحياة.
يثير هذا نقطة أساسية (وعامل مقيد) حول البحث عن حياة خارج كوكب الأرض - أساسية أو معقدة. في حين يتم التعامل مع الماء على أنه 'توقيع حيوي' في البحث عن حياة خارج كوكب الأرض ، يُفترض أن وجود الكثير من الماء سيتداخل مع العمليات الرئيسية التي تعتبر أيضًا ضرورية للحياة. لكن أولاً ، ملاحظة سريعة حول المصطلحات.
التوقيعات الحيوية
حسب التعريف ، يشير مصطلح 'البصمات الحيوية' إلى أي مركب أو نظير أو عملية يُنظر إليها على أنها دليل على الحياة الماضية أو الحالية. وبشكل أكثر تحديدًا ، فهي تشير إلى العمليات المعقدة التي تستهلك طاقة مجانية وتؤدي إلى إنتاج النفايات العضوية (الكتلة الحيوية). يتضمن هذا غاز الهيدروجين (H2) ، غاز الأكسجين (O2) وثاني أكسيد الكربون (CO2) والميثان (CH4) ، ماء (H2س) ، وبعض مركبات الكبريت والفوسفوريك.
يعد الماء أحد أكثر البصمات الحيوية رواجًا لأنه المذيب الوحيد المعروف حيث يمكن أن توجد الحياة وهو ضروري لجميع أشكال الحياة المعروفة على الأرض. ولكن بينما يغطي الماء 71٪ من سطح الأرض ، فإنه يمثل 0.02٪ فقط من الكتلة الإجمالية لكوكبنا. إذا كان هذا الجزء من الكتلة أعلى ، فهذا يعني أن كوكبًا مغطى بالكامل في محيطات ذات عمق كبير ، مما قد يكون له عواقب على قابلية السكن.
هذا لا يختلف عن 'الكواكب الصالحة للسكن عابرًا' ، حيث لوحظت الكواكب الصخرية التي يبدو أنها تحتوي على غاز أكسجين وفير غير حيوي في الأصل (وليس نتيجة نشاط بيولوجي). بدلاً من ذلك ، يُعتقد أن غاز الأكسجين ناتج عن التفكك الكيميائي ، حيث تتسبب الأشعة فوق البنفسجية في تحلل بخار الماء في الغلاف الجوي ، مما ينتج الهيدروجين وغاز الأكسجين.
بينما يُفقد غاز الهيدروجين (وهو أخف بكثير) في الفضاء ، سيتم الاحتفاظ بغاز الأكسجين بواسطة جاذبية الكوكب. ولكن نظرًا لأن غاز الأكسجين سام للعديد من أشكال الحياة الأساسية - مثل الكائنات الحية الضوئية مثل البكتيريا الزرقاء - فإن وجود الأكسجين غير الحيوي يمكن في الواقع منع ظهور الحياة. ربما يكون الأمر نفسه صحيحًا عندما يتعلق الأمر بوفرة المياه.
أصل
في حين أن فرضية Waterworlds هي إلى حد كبير نتاج الاكتشافات الحديثة للكواكب الخارجية ، فإن أسسها تعود إلى عدة عقود. على سبيل المثال ، لخص ديفيد برين التفكير الكامن وراء هذه الفرضية في دراسته الأساسية عام 1983 ، الصمت العظيم - الجدل المتعلق بالحياة الذكية خارج كوكب الأرض :
'يغطي الماء أكثر من 70 في المائة من سطح الأرض. ومع ذلك ، ربما تكون الأرض في اتجاه النهاية الجافة لفئة العوالم الصالحة للسكن. مساحة أصغر بكثير ، أو عدم وجود أي أرض جافة على الإطلاق ، من شأنه أن يوفر فرصة ضئيلة لتطور الأنواع التي تستخدم الأدوات. قد تمتلك معظم الأنواع ذكاءً في الكون ، النظرة العامة للحيتان ، ولا تتخيل أبدًا الراديو ، أو تسافر إلى النجوم '.
ترتيب لثلاثة كواكب خارجية لاستكشاف كيف يمكن أن تبدو الأغلفة الجوية مختلفة بناءً على الكيمياء الحالية والتدفق الوارد. الائتمان و ©: Jack H. Madden ، تم استخدامه بإذن
تم تقديم حجج مماثلة من قبل Manasvi Lingam و Abraham Loeb ، وهما باحثان من مركز هارفارد سميثسونيان للفيزياء الفلكية (CfA) و معهد النظرية والحساب (ITC) في جامعة هارفارد. في دراسة 2018 قام الباحثان بفحص الدور الذي لعبته المحيطات والقارات في نشأة الحياة.
في النهاية ، توصلوا إلى احتمالين محتملين. من ناحية أخرى ، أشارت حساباتهم إلى أن التوازن الدقيق بين المحيطات وكتل اليابسة أمر بالغ الأهمية لظهور المحيطات الحيوية المعقدة. ومن ناحية أخرى ، قرروا أن الكواكب مثل الأرض - التي تبلغ مساحتها 30:70 من مساحة اليابسة إلى المحيطات - ربما تكون نادرة جدًا في كوننا.
في السنوات الأخيرة ، لاحظ علماء الفلك أيضًا مؤشرات على أن الماء قد يشكل نسبة مئوية من كتلة الكوكب وتكوينه أكبر مما كان يُعتقد سابقًا. من ناحية أخرى ، اكتشفت الدراسات الاستقصائية الحديثة العديد من الكواكب الخارجية التي تدور داخل المناطق الصالحة للسكن (HZ) لنجومها والتي بدت وكأنها مغطاة بالكامل بالمياه.
هناك أيضًا عدد هائل من الكواكب الصخرية التي تعد جزءًا من نظام النجوم من النوع M (القزم الأحمر) في العقد الماضي. يتضمن ذلك كوكب Proxima b ، وهو أقرب كوكب خارجي إلى النظام الشمسي (4.24 سنة ضوئية) ، والذي يدور حول نجمه هرتز. في دراسة 2016 ، باستيان بروجر و نقطة حمراء شاحبة أنشأ الفريق سلسلة من نماذج الهياكل الداخلية التي أظهرت كيف يمكن أن تتكون هذه الكواكب إلى حد كبير من الماء.
انطباع الفنان عن كوكب 'مقلة العين' ، عالم مائي حيث يكون الجانب المواجه للشمس قادرًا على الحفاظ على محيط من المياه السائلة. الائتمان وحقوق النشر: eburacum45 / DeviantArt
استنادًا إلى افتراض أن كوكب بروكسيما ب هو كوكب صخري وليس له غلاف جوي كثيف ، خلص بروجر وزملاؤه إلى أن نصف قطر هذا الكوكب من المرجح أن يكون نصف قطره الأقصى 1.4 مرة من الأرض و 1.46 مرة كتلة أكبر. ومع ذلك ، تتضمن هذه المعلمات أيضًا جزءًا من الكتلة يصل إلى 50٪ ماء ، مما يعني أنه من المحتمل أن يكون 'كوكب محيط' به قشرة جليدية متجمدة.
تبع ذلك أ دراسة مماثلة بواسطة باحثين من جامعة برن قاموا بفحص تكوين الكواكب حول النجوم ذات الكتلة المنخفضة جدًا (المعروفة أيضًا باسم القزم الأحمر). وأظهرت نتائجهم أن هذه الكواكب تتراوح من 0.5 إلى 1.5 مرة من نصف قطر الأرض (مع كون نصف قطر الأرض هو المتوسط) وأنه في 90٪ من الحالات ، يمثل الماء أكثر من 10٪ من كتلة الكواكب.
في عام 2017 ، أكد علماء الفلك وجود سبعة كواكب صخرية حولها ترابيست -1 ، مع ثلاثة تدور داخل HZ للنجم. منذ ذلك الحين، دراسات متعددة أظهرت أن النظام قد يكون غنية بالمياه . ومع ذلك ، فإن دراسة 2018 بقيادة ولاية أريزونا مدرسة استكشاف الأرض والفضاء (SESE) حسبت المحتوى المائي لكواكب TRAPPIST-1 وحصلت على نتائج مماثلة.
استنادًا إلى نماذج تكوين نصف قطر الكتلة الخاصة بهم ، وجدوا أن الكواكب الأعمق (بوج) كانت 'أكثر جفافًا' - بنسبة 15٪ من الماء بالكتلة - بينما كانت الكواكب الأبعد (Fوز) كانت أكثر من 50٪ ماء بالكتلة. في عام 2018 ، قامت مجموعة دولية من العلماء بقيادة الباحث في جامعة هارفارد Li Zeng بفحص البيانات من تلسكوب كبلر الفضائي و جايا مهمة لتحديد مدى شيوع 'عوالم المياه' حقًا.
يظهر انطباع هذا الفنان أن كوكب Proxima b يدور حول النجم القزم الأحمر Proxima Centauri ، أقرب نجم إلى النظام الشمسي. الائتمان: ESO / M. كورنميسر
من هذا المنطلق ، تمكنت Zeng وزملاؤها من إنشاء نموذج يوضح العلاقة بين الكتلة ونصف القطر. ما وجدوه هو أن الكواكب التي يبلغ نصف قطرها 2.5 مرة من الأرض (وكتلة حوالي 10 أضعاف كتلة الأرض) هي على الأرجح عوالم مائية - حيث يمثل الماء حوالي 50٪ من كتلتها. باختصار ، وجدوا أن حوالي 35٪ من جميع الكواكب الخارجية المعروفة الأكبر من الأرض يجب أن تكون غنية بالمياه.
آثار
قد يكون احتمال وجود عدد كبير جدًا من الكواكب الخارجية هي Waterworlds أمرًا سيئًا للغاية عندما يتعلق الأمر بالبحث عن الحياة كما نعرفها. الكواكب التي تصل كتلتها إلى 50٪ من المياه ، على سبيل المثال ، سيكون لها محيطات يبلغ عمقها عدة كيلومترات. في ظل هذه الظروف ، ستتألف هذه الكواكب من محيطات سائلة فوق طبقات من الجليد عالي الضغط تحيط بنواة صخرية.
إن وجود الجليد بين اللب الصخري والمحيط السطحي من شأنه أن يمنع تبادل الطاقة من خلال النشاط الحراري الأرضي. على الأرض ، يُعتقد أن وجود فتحات حرارية أرضية عند الحدود الأساسية للوشاح كان ضروريًا لظهور الحياة. في عوالم المحيطات مثل أوروبا والأقمار الجليدية الأخرى ، يُعتقد أن هذا النشاط نفسه ضروري لوجود أي حياة في محيطاتهم.
بالنظر إلى قواسمها المشتركة ، هل من الممكن إذن أن تكون الحياة نادرة في كوننا بسبب مدى شيوع العوالم المائية؟ هل يمكن أن تكون الحياة كما نعرفها نادرة ليس بسبب عدم وجود بصمة حيوية رئيسية ، ولكن بسبب وفرة فيها؟ قد يمثل هذا انعكاسًا تامًا لما توقع العديد من علماء الفلك العثور عليه ، لكنه يقدم حلًا محتملاً لمفارقة فيرمي.
انتقادات
في حين أن هذه الفرضية جذابة فيما يتعلق بمفارقة فيرمي ، إلا أنها تستبعد إمكانية الحياة في عوالم مائية. على سبيل المثال ، في دراسة أجريت عام 2018 بواسطة الجيوفيزيائي إدوين كايت وعالم الفيزياء الفلكية إريك فورد - بعنوان ' صلاحية عوالم المياه الموجودة خارج المجموعة الشمسية '- جادل الاثنان أن Waterworlds يمكن الحفاظ على دورة الكربون بدون نشاط جيولوجي أو كتل أرضية وبالتالي تكون صالحة للسكن.
على الأرض ، ظلت درجات الحرارة مستقرة على مدار الدهور بسبب المستويات المتسقة نسبيًا من ثاني أكسيد الكربون2في غلافنا الجوي. ويرجع ذلك إلى دورة الكربون ، حيث يتم امتصاص الغازات المسببة للاحتباس الحراري بواسطة المعادن (التي أصبحت ممكنة عن طريق الحمل الحراري في الوشاح) ويتم إطلاقها بشكل دوري مرة أخرى في الغلاف الجوي من خلال النشاط البركاني. في هذا السيناريو ، يعتبر النشاط الجيولوجي ضروريًا للحفاظ على قابلية السكن.
لن تكون مثل هذه العملية ممكنة في Waterworlds ، حيث يتكون سطح الكوكب بأكمله من الماء والنشاط الحراري الأرضي غير قادر على نقل المواد أو الطاقة إلى الغلاف الجوي. ولكن وفقًا لعمليات المحاكاة التي أجرتها Kite و Ford ، ستكون Waterworlds قادرة على تدوير كمية كافية من الكربون بين الغلاف الجوي والمحيطات للحفاظ على مناخ مستقر على مدى عدة مليارات من السنين.
علاوة على ذلك ، أ دراسة 2018 من قبل الجيوفيزيائيين برادفورد فولي وأندرو سمي من جامعة ولاية بنسلفانيا أظهروا ذلك الصفائح التكتونية ليست ضرورية للحفاظ على الظروف الصالحة للسكن على كوكب الأرض. هنا أيضًا ، أظهر فريق البحث أنه يمكن الحفاظ على دورة الكربون دون الحاجة إلى الحمل الحراري في قشرة الكوكب من النشاط البركاني (بشرط وجود كمية كافية من العناصر المشعة في الوشاح).
كوبرنيكان مقابل الأنثروبيك
اعتبار آخر مهم هو الطريقة التي تثير بها هذه الفرضية أسئلة حول الأرض وطبيعة الحياة الأرضية. على وجه الخصوص ، فإن الجدل مرة أخرى حول ما إذا كانت الأرض هي مثال نموذجي للكواكب الصالحة للسكن أو حالة نادرة (أو حتى فريدة). الاحتمال الأول هو مثال على مبدأ كوبرنيكوس (المعروف أيضًا باسم مبدأ الرداءة) ، الذي ينص على أن الأرض والإنسانية ليسا في وضع متميز يسمح لهما بمراقبة الكون.
في المقابل ، يؤكد المبدأ الإنساني أن الملاحظات العلمية ممكنة فقط لأن قوانين الكون متوافقة مع تطور الحياة الواعية. فيما يتعلق بعلم الكونيات ، يجادل المبدأ الكوني الأنثروبي بأن البشرية والأرض في الواقع في موقع متميز وليسا مثالًا على القاعدة.
في هذا الصدد ، قد يكون وجود عوالم مائية مؤشرًا على أن كواكب مثل الأرض نادرة جدًا في الكون. اعتمادًا على ما إذا كانت صالحة للسكن أم لا ، قد يعني ذلك أيضًا أن الأنواع مثل البشرية (البرية ، التي تستخدم الأدوات ، وما إلى ذلك) هي الأقلية - أو أنها فريدة من نوعها. في كلتا الحالتين ، قد يفسر ذلك سبب عدم سماعنا من أي شخص!
بينما لا يستطيع العلماء الجزم بما إذا كانت Waterworlds غير قادرة على دعم الحياة ، أو أن Waterworlds تشكل نسبة ذات دلالة إحصائية من الكواكب خارج النظام الشمسي ، فإن هذه الفرضية تعكس كيف نمت معرفتنا بالكواكب الخارجية بشكل كبير في السنوات الأخيرة. كما يذكرنا أن الجدل بين المبدأ الكوبرنيكي والأنثروبي لم ينته بعد.
يُظهر انطباع هذا الفنان العديد من الكواكب التي تدور حول النجم القزم الأحمر شديد البرودة TRAPPIST-1. الائتمان: ESO
ومع ذلك ، مع استمرار الاحتمالات ، فإن الأمر مثير للاهتمام للغاية. ربما قالها ديفيد برين بشكل أفضل:
'اتضح أن أرضنا تتزلج على الحافة الداخلية جدًا لمنطقة الشمس الصالحة للسكن - أو' المعتدل '. وقد تكون الأرض شاذة. قد يكون ذلك بسبب قربنا الشديد من شمسنا ، لدينا جو غني بالأكسجين بشكل غير طبيعي ، ولدينا محيط صغير بشكل غير طبيعي لعالم مائي ...
'في هذه الحالة ، قد يكون تطور مخلوقات مثلنا ، بالأيدي والنار وكل هذا النوع من الأشياء ، نادرًا في المجرة. في هذه الحالة ، عندما نبني سفنًا فضائية ونتجه إلى هناك ، ربما سنجد الكثير والكثير من عوالم الحياة ، لكنها جميعًا مثل بولينيزيا. سنجد الكثير والكثير من أشكال الحياة الذكية هناك ، لكنهم جميعًا دلافين وحيتان وحبار ، لا يمكنهم أبدًا بناء سفنهم الفضائية '.
لقد كتبنا العديد من المقالات الشيقة حول مفارقة فيرمي ومعادلة دريك والبحث عن ذكاء خارج الأرض (SETI) هنا في Universe Today.
هنا اين هم الفضائيين؟ كيف يمكن أن يؤثر 'المرشح العظيم' على التقدم التكنولوجي في الفضاء و لماذا سيكون العثور على حياة غريبة أمرًا سيئًا. المرشح العظيم و كيف يمكن أن نجد كائنات فضائية؟ البحث عن ذكاء خارج الأرض (SETI) ، و فريزر وجون مايكل جوديير يناقشان مفارقة فيرمي .
هل تريد حساب عدد الأنواع خارج كوكب الأرض في مجرتنا؟ توجه إلى حاسبة الحضارة الغريبة !
وتأكد من إطلاعك على بقية سلسلة مفارقة Beyond Fermi:
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' 1: محادثة وقت الغداء - إنريكو فيرمي وذكاء خارج الأرض
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' 2: التشكيك في تخمين هارت تيبلر
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' 3: ما هو التصفية الكبرى؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' الرابعة: ما هي فرضية الأرض النادرة؟
- ما وراء 'Fermi’s Paradox' V: ما هي فرضية Aestivation؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' السادسة: ما هي فرضية بيرسيركر؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' السابع: ما هي فرضية القبة السماوية؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' الثامن: ما هي فرضية حديقة الحيوان؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' التاسع: ما هي فرضية النافذة الموجزة؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' X: ما هي فرضية البكر؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' الحادي عشر: ما هي فرضية التجاوزات؟
- ما وراء 'مفارقة فيرمي' الثالث عشر: ما هي فرضية 'عوالم المحيطات'؟
لدى Astronomy Cast بعض الحلقات الشيقة حول هذا الموضوع. هنا الحلقة 24: مفارقة فيرمي: أين كل الفضائيين؟ و الحلقة 110 و الحلقة 168 و الحلقة 273 .
مصادر:
- برين ، جي دي ' الصمت العظيم - الجدل المتعلق بالحياة الذكية خارج كوكب الأرض . ' المجلة الفصلية للجمعية الفلكية الملكية ، المجلد. 24 ، رقم 3 (1983)
- بروغر ، ب. (وآخرون) ' الهياكل والتركيبات الداخلية المحتملة لـ Proxima Centauri ب . ' رسائل مجلة الفيزياء الفلكية (2016)
- أليبرت ، واي. & بنز ، دبليو. ' تكوين وتكوين الكواكب حول النجوم ذات الكتلة المنخفضة جدًا . ' علم الفلك والفيزياء الفلكية ، المجلد. 598 (2017)
- غير مولود ، س. (وآخرون.) ' الهجرة الداخلية لكواكب TRAPPIST-1 كما يُستدل من تراكيبها الغنية بالمياه . ' علم الفلك الطبيعة ، المجلد. 2 (2018)
- Foley، B. & Smye، A. ' دورة الكربون وإمكانية السكن في الكواكب ذات الغطاء الراكد بحجم الأرض . ' علم الأحياء الفلكي المجلد. 18 ، رقم 7 (2018)
- كايت ، إي وفورد ، إي. ' صلاحية عوالم المياه الموجودة خارج المجموعة الشمسية . ' الجمعية الفلكية الأمريكية ، المجلد. 864 ، رقم 1 (2018)
- Zeng، L. (et al.) ' تفسير نموذج النمو لتوزيع حجم الكوكب . ' وقائع الجمعية الفلكية الملكية ، المجلد. 116ورقم 20 (2019)
- نسر ، ج. (وآخرون) ' H كبير2قابلية الذوبان في السيليكا الكثيفة وآثارها على الأجزاء الداخلية للكواكب الغنية بالمياه . ' وقائع الجمعية الفلكية الملكية (2020)