Читать книгу Życie i ewolucja biosfery - January Weiner - Страница 29

Ziemia jest bryłą podobną do nieco spłaszczonej kuli, o promieniu równikowym około 6378 km i promieniu biegunowym 6357 km. W skali kosmicznej jest to niewielkie ciało niebieskie, wystawione na przeróżne oddziaływania fizyczne, takie jak grawitacja i promieniowanie, pochodzące od innych ciał niebieskich. Ziemia, wraz z całym wszechświatem, ma swoją historię — nie jest bytem statycznym, trwającym niezmiennie w jednakowej postaci. W myśl współczesnych poglądów wszechświat, jaki dziś znamy, powstał około 14 mld lat temu. Właśnie wtedy nastąpiła tzw. pierwsza osobliwość, tajemniczy Wielki Wybuch (Big Bang) — który trwa do tej pory, bo wszechświat nadal się rozszerza. Ekstrapolując jego ekspansję do punktu początkowego, domyślamy się, kiedy wybuch nastąpił. Prawa fizyki zaczęły obowiązywać już w pierwszych ułamkach sekund istnienia świata. Tego, co „było przedtem”, nie da się rozważać w kategoriach nauki. Tempo ewolucji wszechświata jest teraz znacznie wolniejsze niż w pierwszych minutach, zaraz po Wielkim Wybuchu. Jednak stale powstają i giną gwiazdy, coraz równomierniejszemu rozproszeniu ulega energia. Czy jest to sekwencja zmian kierunkowych, czy też jedna z faz oscylacji — nie jest to problem dla ekologów. Historia Ziemi jako jednej z planet Układu Słonecznego sięga 4,54 mld lat. Jest to mniej więcej połowa czasu, przez jaki trwać będzie nasze Słońce, zanim wyczerpie się zapas paliwa termojądrowego i Słońce przekształci się w „czerwonego olbrzyma”, niszcząc przy tym swój układ planetarny. Ale 10 mld lat, przez które dane jest trwać naszemu Układowi Słonecznemu, to okres stosunkowo bardzo długi. Gwiazdy o masach większych niż Słońce żyją krócej. Gwiazdy mniejsze są co prawda długowieczne, ale wypromieniowują znacznie mniej energii. Wielkość i długowieczność Słońca miały decydujące znaczenie dla rozwoju życia na jednej z jego planet.

Co najmniej od 3,8 mld lat na Ziemi trwa życie organiczne, którego podstawowe zasady fizykochemiczne, jak się wydaje, przez cały ten czas nie różniły się zasadniczo od obowiązujących obecnie. Niektórzy sądzą, iż życie na Ziemi mogło powstać już wkrótce potem, jak glob nasz ostygł wystarczająco, by skropliła para wodna — mogło to więc być nawet 4 mld lat temu. Dopiero od około 600 mln lat mamy dobrą dokumentację paleontologiczną rozwiniętych form życia, zasadniczo podobnych do dzisiejszych. Co najmniej więc połowa historii Ziemi i co najmniej ⅕ (a może nawet ⅓) czasu trwania naszego wszechświata — to historia życia organicznego na Ziemi.

Dotychczas nie wiadomo, w jakim stopniu warunki panujące na naszej planecie są unikatowe w skali kosmicznej. Współczesne teorie kosmologiczne przewidują, iż wszechświat zawiera miliardy Słońc podobnych do naszego i, zapewne, miliony podobnych do naszego układów planetarnych. Tylko w naszej galaktyce ma być 200 mld gwiazd, z których być może aż połowa ma układy planetarne. O istnieniu takich układów sądzi się poprzez wnioskowanie pośrednie, analizując zakłócenia ruchu gwiazd albo obserwując zmiany rejestrowanego promieniowania gwiazdy, spowodowane zasłonięciem przez okrążającą planetę (ramka 2.1). Ponieważ jednak ani jeden układ planetarny podobny do naszego nie został dotąd bliżej poznany, nie znaleziono również ani jednego ciała kosmicznego, na którym panowałyby warunki zbliżone do warunków ziemskich — wszelkie oszacowania prawdopodobieństw co do istnienia, a nawet liczby innych zamieszkałych planet, ba, nawet innych rozwiniętych cywilizacji — wynikają z całkowicie dowolnych założeń i w gruncie rzeczy nie powinny być (na razie?) przedmiotem rozważań naukowych.

Ramka 2.1. Odkrycie planet poza Układem Słonecznym

Do stycznia 1992 roku nasz układ planetarny był jedynym, o jakim wiedzieli astronomowie. Mimo poszukiwań, które koncentrowały się na gwiazdach podobnych do naszego Słońca, nigdzie nie udało się wykryć istnienia planet. Wszystkie gwiazdy są zbyt daleko od Ziemi, aby można było zobaczyć krążące wokół nich planety. Pierwszy pozasolarny układ trzech planet znaleziono wokół pulsara PSR 1257+12, gwiazdy znajdującej się w gwiazdozbiorze Panny, w odległości około 1500 lat świetlnych od nas. Odkrycia dokonał polski astronom, pracujący stale w USA, Aleksander Wolszczan. Pulsary to osobliwego typu gwiazdy — niewielkie, supergęste ciała niebieskie wirujące z ogromną prędkością i wypromieniowujące energię w postaci wąskich wiązek promieniowania elektromagnetycznego o wysokiej energii. Fale radiowe „pulsujące” w regularnych odstępach są jedynym wykrywalnym z Ziemi śladem istnienia pulsarów, ale niesiona przez nie informacja jest bogata. Pulsowanie PSR 1257+12 okazało się niezupełnie regularne. Matematyczna analiza nieregularności sygnałów doprowadziła do wniosku, że wokół pulsara krążą planety; można było nawet wyznaczyć ich masy (2–3 razy większe od masy Ziemi) i orbity (o wielkości dość podobnej do orbit Merkurego i Ziemi). Można sobie wyobrazić warunki, jakie mogą panować na tych planetach: regularne naświetlanie wiązką silnego promieniowania, które z całą pewnością uniemożliwia powstanie życia. Później odkryto układy planetarne wokół innych pulsarów.

W następnych latach rozwinięto szereg metod pozwalających na wykrywanie planet krążących wokół innych gwiazd, również z wykorzystaniem teleskopów optycznych. Tym razem chodzi jednak o słońca i planety bardzo podobne do naszych. Rozpoczęło się prawdziwe polowanie na planety pozasolarne (egzoplanety) — liczba odkrytych rośnie wykładniczo, w maju 2019 roku było ich już ponad 4000. Najwięcej odkryć przynoszą dwie metody obserwacji: na podstawie efektu Dopplera i tranzytu planety przed tarczą gwiazdy:

(1) Gwiazda i planeta krążą wokół wspólnego punktu ciężkości. Każdemu okrążeniu gwiazdy przez planetę towarzyszy niewielkie przesunięcie gwiazdy, co obserwator z Ziemi może zauważyć dzięki efektowi Dopplera, przejawiającemu się przesunięciem widma odbieranego promieniowania emitowanego przez gwiazdę przemieszczającą się w przód i w tył względem obserwatora.

(2) Metoda tranzytu polega na wykryciu zmniejszenia natężenia promieniowania światła dochodzącego od badanej gwiazdy do obserwatora, wskutek przesłonięcia jej tarczy przez planetę. Co więcej, tranzyt planety może spowodować zmianę widma, ponieważ część światła gwiazdy przechodzi przez atmosferę planety, a to umożliwia wnioskowanie o składzie tej atmosfery.

Sukces w wykrywaniu egzoplanet zapewniło między innymi zastosowanie wielkich teleskopów umieszczonych na orbicie Ziemi (amerykański teleskop Kepler) i rozwój metod obliczeniowych. W metodzie tranzytu bardzo pomocne okazało się wykorzystanie tzw. soczewkowania grawitacyjnego (efektu zakrzywienia promieni świetlnych, pochodzących np. z odległej gwiazdy, w polu grawitacyjnym innego masywnego obiektu, np. gwiazdy i jej planet); współczesne metody pozwalają wykryć ten efekt nawet w przypadku obiektów o stosunkowo niewielkiej masie (jak nasze Słońce — mówimy wtedy o mikrosoczewkowaniu grawitacyjnym), dzięki temu można było zastosować tę metodę do poszukiwania planet odległych gwiazd; wielkie zasługi ma tu polski projekt OGLE (The Optical Gravitational Lensing Experiment), korzystający z polskiego teleskopu obserwatorium astronomicznego w Chile. Dotychczasowe wyniki skłaniają ku hipotezie, że prawie wszystkie gwiazdy naszej galaktyki mogą mieć jedną lub więcej planet.

Czy to znaczy, że może na nich występować życie? Aby tak było, planety muszą krążyć w odpowiedniej odległości od swojej gwiazdy (nie za blisko i nie za daleko, aby temperatura planety pozwalała na utrzymanie wody w stanie ciekłym), a także powinny mieć odpowiednią masę (aby utrzymać atmosferę). Pośród ponad 4000 odkrytych egzoplanet udało się znaleźć tylko ok. 50 spełniających te warunki. Ale oczywiście dla utrzymania życia podobnego do ziemskiego muszą być spełnione kolejne warunki (np. odpowiedni skład chemiczny oceanów i atmosfery) — takich danych jeszcze w ogóle nie mamy.