Intelligentes Leben auf anderen Sternen

Intelligentes Leben auf anderen Sternen ?
P. Ulmschneider
1. Astronomische Grunde fur extraterrestrisches Leben
a. Habitable Zone
Im Kosmos uberall die gleichen 106 chemischen Elemente.
10 Million Kohlensto Verbindungen (organisch),
200 000 sonstige Verbindungen (anorganisch).
Lebensprozesse kompliziert, deshalb: organische Verbindungen.
Organische Verbindungen nur bei bestimmten Temperaturen (-200 C bis 400 C)
und bestimmten Bedingungen (wassriger Losung) funktionsfahig.
Auf der Erde:
90% aller Menschen (wie auch Panzen, Tiere) in Gebieten, in denen die
mittlere Jahrestemperatur zwischen 50 C und 250C liegt.
100% zwischen 00C und 300C.
Fig. 2a Klimazonen der Erde
Fig. 2b Erde in verschiedenen Entfernungen zur Sonne
Fig. 1 Weltbevolkerung in Gebieten mit angegebener mittleren
Jahrestemperatur
Mittlere Jahresisothermen von 00 bei etwa 600 Breite (Fig. 2a), dort fallt nur
1 (= cos 600 ) der Sonnenenergie ein. Mittlere Jahrestemperatur von 300 am
2
A quator.
Habitable Zone: Energieu andertpsich um einen Faktor 2. Eine solche A nderung bedeutet einen Faktor 1:4 = 2 in der Entfernung zur Sonne (Fig. 2b).
Man hat
1AE = 0:7AE Venusbahn; 1AE 1:4 = 1:4AE Marsbahn
1:4
1
Habitable Zone: 0:7AE < r < 1:4AE
Was wurde passieren, wenn man die Entfernung der Erde zur Sonne verandert?
Erde bei 0.7AE: Sahara bis zu 600 nordl. Breite
Erde bei 1.4AE: Arktische Zone bis zum A quator
b. Kontinuierlich Habitable Zone
Diese U berlegungen sind zu optimistisch, da sie nicht die moglichen Instabilitaten der Atmosphare wahrend der Entwicklungsgeschichte des Planeten
berucksichtigen: Irreversibler Treibhauseekt, irreversible Vereisung.
Die Atmosphare baute sich nach der Entstehung der Planeten im wesentlichen
durch Ausgasung des oberen Mantels, d.h. durch aus Vulkanen austretende
Gase, auf: N2 , CO2 , CH4 , H2O. Sonnenlicht (der Wellenlange 500 nm) fallt auf
die Planetenoberache und heizt diese auf. Die Oberache strahlt im Infrarot
(IR). Dieses infrarote Licht wird von den Molekulen der Planetenatmosphare
2
nicht durchgelassen, da die Molekule in IR stark absorbieren (Schwingungsbande). Man nennt dies den Treibhauseekt.
Venus: Hohe Temperatur (4800C ), dadurch alles H2O, CO2 gasformig. Durch
Fehlen von Wasser kann CO2 sich nicht in Form von CaCO3 niederschlagen und
aus der Atmosphare genommen werden. Es bleiben der hohe Treibhauseekt
und die hohe Temperatur, d.h. irreversibler Treibhauseekt.
Erde: Die Atmosphare ist wegen der groeren Entfernung von der Sonne kuhler,
H2 O ist ussig. CO2 lost sich im Wasser und bildet Carbonate CaCO3 , diese
fallen aus. H2O; CO2 werden aus der Atmosphare herausgezogen, geringer
Treibhauseekt.
Trit zu wenig Sonnenlicht auf die Planetenoberache, etwa dadurch, da der
grote Teil in den Weltraum zuruckgestrahlt wird (Albedo), besteht die Gefahr
der irreversiblen Vereisung:
Meer, Land, Wolken und Eis haben ein Albedo von jeweils 4, 15, 52, 70%. Wenn
die Oberache kalt ist, erhalt man Eisniederschlag, damit ein hoheres Albedo,
es sind dadurch weniger Photonen zur Aufwarmung des Bodens vorhanden, was
zu geringerer Temperatur fuhrt und erst recht zu Eisniederschlag etc.
Mars: irreversible Vereisung
Bei den Atmospharenrechnungen mu man zusatzlich berucksichtigen, da die
Sonne in den letzten 5 109 Jahren 30% heller geworden ist. Rechnungen von
M. Hart (1977) und Kasting et al. (1993) zeigen, da die Erde innerhalb eines
Sonnenabstandes der
Kontinuierlich Habitablen Zone: 0:98AE < r < 1:04AE
bleiben mute, damit im Laufe ihrer Entwicklung nicht irreversible Vereisung
oder irreversibler Treibhauseekt eintraten. Hier sind die engeren Grenzen von
Hart verwandt, weil bei Kasting et al. (0.95-1.15AE) die Veranderung der Neigung der Rotationsachse (Erdachse) der Planeten durch die Gezeitenkrafte der
anderen Planeten nicht berucksichtigt wurde. Eine solche Achsenveranderung
wurde die Moglichkeit einer irreversiblen Klimaveranderung erhohen. Bei der
Erde wird diese Neigung durch den Mond stabilisiert.
spectral
Typ
Stellare
Stellare Habitable KorotationsTeff Lebenszeit Haugkeit
Zone
grenze
(K)
(y)
%
(AU)
(AU)
6
?
5
O 35000
10
4 10
400-800
1.9
B 14000
8107
0:1
18-36
1.1
A
8100
8108
0:7
3.2-6.4
0.8
F
6500
4109
4
1.1-2.2
0.7
G
5400
11010
9
0.7-1.4
0.6
K
4000
31010
14
0.3-0.5
0.5
M
2600
21011
72
0.06-0.1
0.4
Tab. 1 Verschiedene Sterntypen.
Die langlebigsten Sterne sind im Kosmos am haugsten vorhanden.
Fig. 3 Gezeiteneekte als Funktion der Entfernung
Die biologische Evolution von den ersten einzelligen Protobionten bis zu uns ist
ein langsamer, komplizierter Proze. Auf anderen Planeten durfte dies sicher
genauso langsam abgelaufen sein d.h. 5 109 Jahre.
Die Lebenszeit eines Sterns variiert sehr stark mit dem Sterntyp, d.h. mit der
Oberachentemperatur Teff des Sterns.
Eine Bedrohung des Lebens auf Planeten sind die Gezeitenkrafte (Fig. 3). Je
naher ein Planet um seinen Zentralstern kreist, desto divergenter das Schwerefeld und desto ungleichmaiger die Anziehungskrafte. Innerhalb der Rochegrenze wird ein Planet zerrissen. Weiter auen, innerhalb der Korotationsgrenze,
bremsen die Gezeiten die Rotation des Planeten so stark ab, da er immer eine
Seite dem Zentralgestirn zuwendet (Beispiel: Mond gegen Erde, Venus (Tag:
2800 Std.) gegen Sonne). Hier hat man extrem ungunstige Verhaltnisse fur das
Leben.
Man mu O, B, A, F Sterne ausschlieen, da die Lebenszeit dieser Sterne kleiner
als 5 109J ist.
Man mu K, M Sterne ausschlieen, da deren Habitable Zonen innerhalb der
Korotationsgrenze liegen.
Nur G-Sterne und neuerdings nach Kasting et al. auch noch einige K-Sterne
kommen als Sterne in Frage, bei denen Leben moglich ist. Da ca. 70 % aller
3
4
c. Lebenszeit des Systems, Korotationsgrenze
Sterne Mitglieder von (fur das Leben ungunstigen) Doppel- und Mehrfachsternsystemen sind, ist Leben nur bei 10 % aller Sterne moglich.
d. Masse der Planeten
Der innere Aufbau von Planeten und ihre chemische Zusammensetzung hangt
von der Temperatur in der Akkretionsscheibe ab, d.h. vom Abstand von der
Protosonne. Gravitative Instabilitaten in der Staubschicht in der Akkretionsscheibe fuhren zu Ringen (Fig. 4). Die Masse innerhalb eines Ringes vereinigt
sich zunachst zu Planetesimals und dann zu Planeten.
Fig. 4 Die Akkretionsscheibe aus der sich Sonne und Planeten bilden
Die Planetenmasse ist ein weiterer wichtiger Parameter fur das Leben, wie man
am Beispiel unseres Mondes sieht, der ja in der Habitablen Zone kreist.
Zu kleiner Planet: Die Schwerkraft reicht nicht aus, Lufthulle und Ozeane verdampfen bzw. bilden sich nicht, kein Leben. Beispiele: Mond, Merkur, Mars.
Zu groer Planet: Bei seiner Entstehung sammelt der Planet Wassersto (H)
auf. Organische Verbindungen werden zugunsten von H-Verbindungen zuruckgedrangt. Beispiele: Jupiter, Saturn.
Bei der Bildung der Planeten kommt es wegen der hohen Temperatur im sonnennahen Teil der Akkretionsscheibe zur Bildung von erdahnlichen, in groerer Entfernung, hinter der Eisbildungsgrenze, zu jupiterahnlichen Planeten, die durch
Aufsammlung von H sehr massenreich werden (Fig. 5).
e. Haugkeit von Planeten
Fig. 5 Planetensysteme um verschiedene Typen von Sternen
(1992) (Fig. 5) zeigen, da fur die uns interessierenden Sterntypen erdahnliche
Planeten haug sind.
Fur Computersimulationen von Planeten aus Planetesimals siehe
Wetherill (1981).
Ergebnis: Das Auftreten von erdahnlichen Planeten in der Habitablen Zone ist
sehr wahrscheinlich.
f. Gesamte Abschatzung fur die Existenz eines erdahnlichen Planeten
in der Habitable Zone eines G- oder fruhen K-Sterns
Als gesamte Abschatzung ergibt sich die Drake-Gleichung:
Nimmt man an (sehr pessimistisch!), da wir innerhalb von 10 AE nur einen
inneren Planeten haben und zusatzlich (sehr pessimistisch!), da nur jeder hundertste innere Planet die richtige Masse hat, so ergibt sich
1
1
2 1011 = 5 106
1:04 ?5 0:98 10
50
|{z}
|
|{z}
{z
}
Da sich alle Sterne aus einer Akkretionsscheibe bilden, durfte das Auftreten von
Planeten haug sein. Nachweis: Unter den 100 nachsten Sternen < 10 pc hat
man 51 Sterne die zu Zwei- oder Mehrfachsystemen gehoren. Davon sind bei 8
Einzel- und einem Doppelstern massenarme Begleiter nachgewiesen.
Diese Beobachtungen sind noch unsicher, sie erfolgten astrometrisch. Die \Plan1 M . Andere Nachweismoglicheten" haben bis zu 70 MJupiter . MJupiter = 1000
keiten gibt es bisher noch nicht.
Das Sonnensystem zeigt: man hat viele Planeten, Jupiter und Saturn haben
viele Satelliten. Neuere U berlegungen zur Planetenentstehung von Hughes
Gegeben sei ein Planet wie unsere Erde. Wie wahrscheinlich ist das Auftreten
von Leben? Antwort durch Studium der Fossilien. Sofort nachdem sich die Erde
5
6
10%Sterne=G?Sterne
Pl in HZ
Masse erdahnlich
D.h., die Milchstrae mit 200 Mia Sternen besitzt wahrscheinlich 5 Millionen
Planeten wie die Erde.
2. Biologisch-geologische Grunde fur extraterrestrisches Leben
soweit abgekuhlt hatte, da H2O zu Wasser kondensierte, haben sich organische
Stoe gebildet. Vorgange wie UV-Licht von Gewittern, heie Vulkanlava, Unterwasserschlote, eintrocknende Seen etc. (Fig. 6) wegen der dunnen Erdkruste
viel hauger als heute. Zudem erheblicher Einfall organischer Materie durch
Meteorite. Diese organischen Stoe reicherten sich im Urmeer stark an.
Fig. 7 Genetische Evolution des Lebens auf der Erde, modiziert
nach Kaplan (1978)
Fazit: Gegeben sei ein erdahnlicher Planet, so zeigt der fossile, geologische Befund und was wir heute vom Bau von Lebewesen wissen, da das Leben mit
groer Wahrscheinlichkeit entsteht.
3. Existenz von und Kontakt mit extraterrestrischem Leben
a. Existenz von intelligentem auerirdischem Leben
Fig. 6 Prozesse in der Atmosphare und dem Ozean der fruhen Erde
Die Konzentration organischer Stoe wurde schlielich so hoch, da man von
\Ursuppe" spricht. Durch anwachsende Konzentation wurde es immer wahrscheinlicher, da sich spontan an einem Ort (sicher an mehreren Orten!) die
Grundbausteine des Lebens (Proteine und Nukleinsauren, wahrscheinlich zuerst
RNS) zusammenfanden und so erste Protobionten (Fig. 7), sehr primitive Einzeller, entstanden (Kaplan 1978, Horgan 1991, McKay 1991). Diese Protobionten waren auerst einfach gebaut. Die Nahrung kam aus der Ursuppe. Beginn
des Lebenskampfes, Mutation und Selektion. Vor 3.8 Mia Jahren (nur 800
Mio J nach Bildung der Erde vor 4.6 Mia J) hat man bereits Photosynthese
nachgewiesen (Schidlowski 1988), d.h. dort waren die Protobionten schon so
hoch entwickelt und der Lebenskampf schon so stark, da sie auf diese neue
Nahrungsquelle ausweichen muten.
Der weitere Entwicklungsweg ist durch Fossilien gut belegt. Man hat versteinerte Einzeller gefunden.
7
Das astronomische Argument:
5 Millionen erdahnliche Planeten in unserer Milchstrae. Bei 100 Mia Galaxien im Universum hat man damit 5 1017 d.h. 500 000 000 000 000 000
erdahnliche Planeten.
Das biologisch-geologische Argument:
Aus dem biologisch-geologischen Befund, da das Leben praktisch sofort nach
der genugend starken Abkuhlung der Erdoberache entstanden ist scheint es,
da das Leben fast notwendig auf einem erdahnlichen Planeten entsteht.
Auch wenn man betrachtliche Unsicherheit zubilligt mu man aus der Zusammenschau beider Argumente schlieen, da es mit Sicherheit extraterrestrisches
Leben gibt.
Da das Weltall zwischen 14 Milliarden Jahre alt ist, durfte es also in unserem
Milchstraensystem Leben geben, das in der Groenordnung von Milliarden
Jahren alter ist, als das Leben auf der Erde. Die Stufe zum intelligenten Leben
wurde anderswo demnach schon vor Milliarden Jahren erreicht. Es gibt also mit
Sicherheit auerirdisches intelligentes Leben.
8
b. Warum haben wir keinen Kontakt?
Hier viele, sehr hypothetische Antworten:
galaktische Entfernungen zu gro
Untergang durch Krieg oder Wahnsinnstat
Untergang durch Vernichtung der Lebensgrundlage
Untergang durch Unfall oder eine unbeherrschbare Erndung
Alle diese Antworten sind meines Erachtens nicht wirklich uberzeugend: Die
erste ist unwahrscheinlich, da wir mindestens ihre Radiowellen empfangen muten, die anderen Antworten, weil dies bedeuten wurde, es gibt ein Naturgesetz
fur Zivilisationen: Alle intelligenten Zivilisationen sterben aus. Die richtige
Antwort liegt meines Erachtens in anderer Richtung:
Was bedeuten 1 Mia J Entwicklungsvorsprung? Unvorstellbar! Extrapolation
in der Fig. 7: Der Unterschied zwischen den extraterrestrischen Zivilisationen
und uns ist vergleichbar dem Unterschied zwischen uns und den Einzellern im
Meer vor 1 Milliarde Jahren!!
Meine Vorstellung solcher Wesen:
fast allwissend, fast allmachtig,
unsterblich bis auf Unfalltod.
Solche Wesen sind potentiell sehr gefahrlich gegen ihre eigene Gesellschaft
Nur eine sehr stabile Gesellschaft uberlebt,
mit groem sozialen Verantwortungsbewutsein,
mit vollig neuen, extremen Sicherheitsvorkehrungen
Vielleicht nur geringe Populationsdichte (solitar?, geistig verbunden?)
Begegnung mit diesen Wesen wurde einen um Groenordnungen schlimmeren
Schock mit Zerstorung unserer Kultur bewirken als die Begegnung von Kolumbus mit Amerika. Sie wissen sicher wo wir sind, wollen aber aus ihrer Verantwortung heraus keinen Kontakt mit uns. Man spricht hier von Zoohypothese
(Ball 1973, Sagan 1973).
Literatur
Es existiert eine sehr umfangreiche Literatur. Als Einfuhrung sind gut:
Breuer, R.: 1978, Kontakt mit den Sternen, Umschau Verlag, Frankfurt (etwas
pessimistisch)
Kaplan, R.W.: 1978, Der Ursprung des Lebens, Thieme Verlag, Stuttgart (vergrien)
Neuere U berblicksartikel:
Horgan, J.: 1991, Spektrum der Wissenschaften, April, p.78
Hughes, D.: 1992, New Scientist, Dec. 12, p.29
Wetherill, G.W.: 1981, Scientic American, June 1981, p. 131
Originalarbeiten:
Ball, J.A.: 1973, Icarus 19, 347
Hart, M.: 1977, Icarus 33, 23
Hart, M.: 1977, Icarus 37, 351
Kasting, J.F. et al.: 1993, Icarus 101, 108
McKay, C.P.: 1991, Icarus 91, 93
Sagan, C.: 1973, Icarus 19, 350
Sagan, C.: 1976, Icarus 28, 42
Schidlowski, M.: 1988, Nature 333, 313
(Notiz hinzugefugt 2003: Eine grundlich revidierte, erweiterte und auf den
neuesten Wissensstand gebrachte Monographie uber das Thema ist als Buch
erschienen: "Intelligent Life in the Universe: from Common Origins to the
Future of Humanity", (Advances in astrobiology and biogeophysics) by Peter
Ulmschneider, ISBN 3540439889 Springer Verlag 2003)
Gibt es wenigstens Wesen auf einem uns vergleichbaren Entwicklungsstand?
Den mittleren zeitlichen Abstand zwischen Zivilisationen erhalt man, wenn man
das Alter der Milchstrae durch die Anzahl der belebten Planeten teilt:
14 Mia: J
5Millionen 3000 J
D.h. die ahnlichsten Zivilisationen sind uns 3000 Jahre voraus oder hinken uns
3000 Jahre hinterher. Dazu kommt, da der mittlere raumliche Abstand einer
solchen Zivilisation wahrscheinlich etwa der halbe Durchmesser der Milchstrae,
50 000 LJ ist. Ein Rundgesprach wurde 100 000 J dauern. Deshalb zweie
ich ob wir je Kontakt haben werden. Jedoch werden wir eines Tages sicherlich Radiosendungen von uns vergleichbaren auerirdischen Zivilisationen aus
anderen Galaxien entdecken, die vor vielen Jahrmillionen abgesandt wurden.
9
10
SETI Projekte 1993
SETI= search for extraterrestrial intelligence. Alte Projekte: z.B. OZMA 1960
F. Drake (-Eri, -Ceti). Zum 500 Jahrestag der Entdeckung von Amerika
durch Kolumbus am 12. Okt. 1992 wurden viele Radioteleskope mit SETI
Programmen angeschaltet:
MOP Microwave Observing Project von NASA-Ames
sonnenartige Sterne auf der sudlichen Hemisphare
mehrere 100 Sterne mit Entfernungen kleiner als 50 Lj, $ 100 M
SENTINEL von der Planetary Society in Mass.
66000 Kanale
META von der Planetary Society in Mass. und Argentinien
28.4 Millionen Kanale
1994: 160 Millionen Kanale
SERENDIP von der Univ. Berkeley in Arecibo auf Puerto Rico
4 Millionen Kanale
1994: 106 Millionen Kanale
Ohio State Univ. Groes Radio Teleskop
10 Millionen Kanale
Diese Empfanger wurden einen 3 kW Sender (kleine Radiostation) bis zu einer
Entfernung von 100 Lj entdecken, der eine Sendung mit einer Richtantenne
zur Erde hin abstrahlt. Zwei Strategien: Absuchen des gesammten Himmels,
Untersuchung spezieller Objekte.
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