8/13/2011

Nastanjivi Mlečni put?



Povodom sve češćih izliva senzacionalističkih informacija u štampi kako su tu i tamo nađeni KLJUČNI  dokazi za ŽIVOT van Zemlje, odlučio sam da ispišem ovde ono što su nas učili na fakultetu (a i šire), a vezano je za koncept traganja za tzv. zonama života. Ljubazno molim one koji još bolje poznaju  oblast da slobodno ovde napišu svoja saznanja, pa da sabrano znanje formulišemo u jedan slogan i napravimo neki bilbord koji ćemo smestiti u centar Beograda ili Novog Sada, i na kojem će pisati : 
E, OVO JE ŽIVOT!
(Naravno, moraćemo da izuzmemo iz razmatranja fotografije studenata sa Primatijada, Elektrijada... i drugih IJADA, mada bi sve one mogle da odgovaraju naslovu :-)  ).

Dakle, kada govorimo o našoj galaksiji, Mlečnom putu, moramo u startu da obratimo pažnju na DVE STVARI:

 
  • Traganje za nastanjivim zonama
  • Zaštita postojeće nastanjive zone


Koliko je vremena potrebno za svaku etapu u razvoju civilizacije?

Da bi govorili o razvoju i pojavi usložnjavanja bilo kakvih formi, mi prvo moramo pomenuti primitivne organizme. Pod primitivnim životom podrazumevamo najjednostavnije oblike koji su sposobni za reprodukciju i prirodnu selekciju. Prema ovoj definiciji, virus bi bio jedan tip primitivnog oblika na Zemlji, a interesantno je pomenuti kako su se virusi pojavili posle prvih ćelija. Najstarije poznate sedimentne stene sadrže fosile koji pokazuju da je život bujao u blizini južnoafričke obale pre skoro četiri milijarde godina. Iznenađujuće kratak period vremena bio je potreban za pojavu primitivnih oblika života – svega nekoliko stotina miliona godina. To je, dakle, veoma mali procenat  starosti Zemlje.
Primer inteligentne forme na Zemlji

Da su sve zvezde bile teže od tri solarne mase, mogle bi da žive samo pola milijarde godina i veoma je teško napraviti bilo kakve uslove za razvoj života dalje od primitivnog jednoćelijskog organizma u takvim uslovima. Veoma je mala verovatnoća da bi galaksija puna zvezda od tri solarne mase dostigla drugi veliki stepenik na putu prema tehnološkoj civilizaciji, a to je upravo razvoj eukariotskih ćelija. Za postizanje tog nivoa, stvari su morale postati složenije. Trebalo je više od tri milijarde godina da bi se se na Zemlji razvio izvanredno složen molekularni mehanizam koji deluje u sadašnjim eukariotskim ćelijama, uključujući i ćelije ljudskog tela. Tokom najvećeg dela geološkog vremena, živa bića su ostala u osnovi na jednoćelijskom stupnju , ali su se postepeno usložnjavala na molekularnom nivou.
Ciklus stvaranja složenih molekula u Svemiru

Kada bi najmanje zvezde u galaksiji bile 25% teže od Sunca, maksimalni životni vek takvih zvezda bio bi oko tri milijarde godina i u tom slučaju bi na veoma malom broju planeta mogao da se razvije život na nivou složenog, višećelijskog stepena. Hipotetički govoreći, ako bi neka obližnja zvezda, recimo Procion koja ima 1,4 mase Sunca, imala Zemljinu bliznakinju život bi se možda razvio u dalekim okeanima ove planete samo ako bi uspeo da opstane i u fazi crvenog džina kroz koju je prošao i Procionov saputnik – beli patuljak! 

Zamislimo da se na toj planeti razvija molekularni mehanizam sličan onom na Zemlji. Ovaj “čudesni” evolutivni razvoj će morati da se zaustavi prilično rano, jer Procion previše brzo sagoreva vodonik, i za samo nekoliko stotina miliona godina će postati crveni džin. Takvi ogromni objekti sterilišu bilo kakvu nastanjivu planetu koja se nađe u njegovoj blizini.

Treća velika prekretnica koja je vodila ka razvoju inteligentnog života na Zemlji je svakako pojava višećelijskih organizama. Velika živa bića međusobno usklađenih specijalizovanih ćelija prvi put su se javila pre 800 miliona godina. Zemlja je tad bila stara 3,8 milijardi godina.

Kao što znamo, evolucija se od pojave Kambrijske eksplozije do danas odvijala prilično brzo. Adekvatnih teorija koje objašnjavaju zašto se to dogodilo još uvek nema! Svakako, presudan će biti odgovor na pitanje da li je ovo dostignuće posledica slučajnosti, ili je nastanak inteligencije bio posledica nastanka višećelijskog života. Odgovor na ovo ključno pitanje poslužiće i za procenu koliko inteligentnih vrsta ima u Univerzumu.

·          Da bismo procenili broj zvezda koje su pogodne za život u našoj Galaksiji, možemo (i moramo) poći od primera Zemlje, pretpostavljajući da zvezde žive najmanje 4,5 milijardi godina pre nego što se razviju inteligentna stvorenja. Sa druge strane, pošto zvezde moraju da žive relativno dugo, one moraju biti relativno male (jednostavno se zaključuje na osnovu evolucionog dijagrama za zvezde različite mase, i sa HR dijagrama). Zbog ovog strogog ograničenja, najveća zvezda koja može da bude dovoljno dugovečna ima masu od 1,15 masa Sunca.
·          Drugo, zvezda ne sme imati svoje dvojne pratioce koji bi mogli da ometaju nastanjive orbite. Međutim, treba reći i da ovi zahtevi nisu toliko restriktivni.
·          Zatim se mora odrediti koliki je broj zvezda sa planetarnim sistemima. Dinamika otkrivanja ovakvih sistema tokom poslednjih nekoliko godina nalaže da je pojava planetarnih sistema prirodan i uobičajen rezultat procesa formiranja zvezda.
·         Naravno, samo neke od pogodnih zvezda u svojim planetarnim sistemima imaju člana sličnog Zemlji, i to u orbiti u kojoj je moguće održati život.

Za sada, najbolja teorija koja objašnjava pojavu višećelijskih organizama jeste korišćenjem stvorenja po imenu Ediacaransi, čiji fosili mogu da posluže za potvrdu nekih teorija koje tvrde da Ediacaransi svedoče o katastrofičkom poremećaju životne sredine koji se desio u vremenu oko Kambrijske eksplozije. Neki naučnici smatraju da je pre pojave Ediacaransa nastupio period ledenog doba. Dakle, imamo jednu katastrofičnu pojavu koja je uslovila nastanak naprednijih vrsta!

Naša galaksija sadrži 200 - 400 milijardi zvezda. Najozbiljnija pretnja sa kojom se suočavaju obične galaksije poput naše nije evolutivni kraj zvezda koje ga sačinjavaju, već sudar sa drugom galaksijom. Međutim, katastrofički poremećaji koji mogu usloviti neverovatno velike perturbacije u skladnosti sistema galaksije jesu tzv. visokoenergetski mehanizmi regulacije, poput eksplozija supernovih ili gama-bljeskova.
Umetnički prikaz gama bljeska

Visokoenergetski regulacioni mehanizmi i uticaj na nastanjive planete


U principu, visokoenergetsko zračenje koje može imati uticaja na život na nastanjivoj planeti (razumljivo, uzećemo primer Zemlje) pojavljuje se u dva osnovna oblika:

1.)    Elektromagnetno zračenje visoke energije (UV, X i  γ-zračenje )
2.)    Kosmičko zračenje

Izvori ovih zračenja isto tako mogu da se svrstaju u dve osnovne grupe:

a)      Jedna vrsta izvora su Sunce, galaktička pozadina, kao i pozadinska zračenja izvan Mlečnog puta.
b)      Druga vrsta izvora su: supernove, sudari neutronskih zvezda i druge kosmičke eksplozije.


Tabela1. Vrste mehanizama globalne regulacije

Mehanizmi globalne regulacije
Vrsta mehanizma
Oblast dejstva
1. Bljeskovi gama zračenja
Unutar 10 kiloparseka (kpc)
2. Hipernove
Unutar 100 parseka (pc)
3. Supernove
Unutar 10 parseka (pc)

·        Supernove

Kod zvezda malih masa, nakon prestanka trošenja vodonika dolazi do kolapsiranja zvezde. U tako gustoj sredini Paulijev princip deluje dovodeći gas do degenerisanog stanja. Uprkos velikoj unutrašnjoj energiji, zbog nepostojanja upražnjenih energeskih nivoa, zvezda veoma malo zrači. Zvezde velikih masa jednim delom prelaze sličan evolucioni put, ali je završno sintetiziranje vodonika u helijum praćeno eksplozijom supernove. Međuzvezdana sredina se na taj način obogaćuje i teškim elementima), koji bi bez supernovih ostali zarobljeni u unutrašnjosti ugašenih zvezda. Supernove se u galaksijama pojavljuju prosečno jednom u 20 – 400 godina zavisno od tipa galaksije. Amplituda promene sjaja takve zvezde implicira povećanje sjaja od oko deset miliona puta.

·        Hipernove
Primer eksplozije Eta Carinae

Najbliži kandidat za hipernovu je zvezda južnog neba Eta Carinae, na 2,5 kpc od Zemlje. Ona je pravi gigant među zvezdama, sa skoro 120 masa Sunca ima luminoznost koja je veća od Sunčeve skoro pet miliona puta. Pošto je ova zvezda stvorena pre 2,6 miliona godina njen život se bliži kraju. Sve astrofizičke teorije ukazuju na vrlo snažnu eksploziju koja će se desiti pri kraju njenog evolutivnog puta. Energija izbačena u takvoj eksploziji je veća za dva do tri reda veličine nego energija oslobođena pri eksploziji supernove. To znači da će u relativno bliskoj budućnosti (sa kosmološkog aspekta) ova zvezda imati jednu od najvažnijih regulacionih uloga. U vezi sa tim pojavljuju se i neki problemi – ne može se tačno predvideti trenutak te eksplozije, jer je Eta Carinae i do sada imala značajne varijacije u svom sjaju, a naročito upečatljiva pojava je bila naglo povećanje njenog sjaja sredinom XIX veka. Najnovija astronomska istraživanja su dovela do vrlo bitnog otkrića – 2005. godine otkriven je dvojni pratilac ove zvezde sa nešto višom temperaturom.

·        Bljeskovi gama zračenja

Predstavljaju kosmički fenomen koji je tek nedavno objašnjen. To su iznenadni skokovi u intenzitetu gama zračenja koji se javljaju u različitim vremenskim trenucima. Bljeskovi gama zračenja imaju ogromne energije i na osnovu merenja njihovog intenziteta ne možemo odrediti tačno trajanje bljeska, kao ni to koliko je izvor udaljen a samim tim ni zračenje samog izvora. Gama bljeskovi dolaze iz svih pravaca, dominiraju na nebu prilično kratko (od 30 s do najviše 1000 s). Ranije se smatralo da su izvori gama bljeskova smešteni u unutrašnjosti naše galaksije. Takvim rasuđivanjem bi se mogli objasniti visoki intenzitet zračenja koje dolazi do nas. Međutim, kada bi ovo bilo tačno, trebalo bi očekivati da se izvori zračenja nalaze isključivo u galaktičkoj ravni. Kako su bljeskovi registrovani po celom nebu (a ne samo u ravni galaksije) postalo je jasno da se bljeskovi dešavaju svuda po Univerzumu. Prvi veliki kvalitativni skok u ovim istraživanjima dogodio se 1997. godine kada su astronomi koristili optičke teleskope za posmatranje oblasti u kojoj je zapažena pojava gama bljeska. Tada je uočena svetlosna mrlja za koju je utvrđeno da predstavlja udaljenu galaksiju u kojoj se odigravaju ključni evolutivni procesi. Činjenica da je do bljeska došlo na rubu, a ne u ravni galaksije, uticalo je da se odbace pretpostavke po kojima su crne rupe u središtima galaksija izvori pomenutih bljeskova. Umesto toga, izvor bi mogao da bude sudar neutronskih zvezda ili zvezda na nekom drugom evolutivnom stepenu.

Astrobiološki aspekt

Svakako, najznačajniji zadatak sa astrobiološkog stanovišta bio bi detaljno modelovanje posledica koje na život na Zemlji imaju ove visokoenergetske eksplozije. Ukoliko se napravi model koji obuhvata praćenje brojnosti, na primer, gama-bljeskova, njihove jačine i udaljenosti od mesta posmatranja, dolazi se do uslova da je domen uticaja potencijalno opasnih eksplozija ograničen na oblast od nekoliko kpc (procene su da se radi o granici od 10 kpc). Da bismo razumeli kako da istražujemo karakter uticaja visokoenegetskih eksplozija (naročito na efekat masovnog smanjenja broja vrsta), moramo istaći nekoliko činjenica:

- Prečnik naše galaksije je oko 30 kpc a položaj našeg Sunčevog sistema u njoj je krajnje periferan, čak 10 kpc od galaktičkog centra.
- Gama-bljeskovi imaju izuzetan uticaj na objekte čak i pri udaljenostima većim od 5kpc. Na primer, ukoliko je bljesak gama zračenja udaljen od Zemlje 1 kpc, on će imati jačinu nuklearne eksplozije od 100 000 megatona. Naravno, za bljeskove koji bi bili još bliži, došlo bi do ubrzanog pregrevanja usled izbacivanja atmosfere i formiranja jakih plimskih sila.
- Izvori gama-bljeskova su vangalaktičkog porekla, a u našoj galaksiji nije detektovana još nijedna takva erupcija gama zračenja.

Kao što je istaknuto, bljeskovi gama zraka uzrokuju poremećaje i fluks zračenja koji je detektabilan po čitavoj galaksiji. Ova pojava može uzrokovati jasna oštećenja po Zemljinu biosferu. Vrednosti koje su merene ukazuju na broj ponavljanja ovih događaja – taj broj ponavljanja je od dva do pet puta u milijardu godina! Smatra se da je najmanje pet puta u istoriji čovečanstva Zemlja iskusila masovno izumiranje na račun dejstva gama-bljeskova.

Tabela 2. Najvažnije skokovite promene u geološkoj istoriji Zemlje

Geološki periodi - eoni
Značajni događaji

Kasni proterozoik (800-600 miliona godina)
Ozonski sloj dobija značajniju debljinu i time uspešnije štiti Zemljinu površinu od kosmičkih UV- zraka, čime se stvaraju i povoljniji uslovi za razvoj organskog sveta
Kraj proterozoika (pre 700 miliona godina)
Klima se četiri puta prebacivala i vraćala iz ledenog doba. Moguće doba još jedne biološke revolucije – stavovi još uvek oprečni
Fanerozoik (otpočeo pre 570 miliona godina)
Kambrijska eksplozija – pre oko 540 miliona godina. U kambrijskim stenama se fosili pojavljuju u ogromnom broju. Javlja se najveći deo osnovnih tipova životinja kao i prvi organizmi sa skeletom.
Sredina paleozoika - Ordovicijum (otpočeo pre 500 miliona godina)
Pojava nektonskih graptolita i cefalopoda - širenje života sa vode na kopnenu sredinu, pojavljuju se i prve kopnene biljke
Kraj paleozoika
Najveće masovno izumiranje u istoriji Zemlje. Nivo svetskog mora je opao za 150 m, brojne vulkanske erupcije pokrenute i dovele do efekta staklene bašte. Izumrlo je 95% svih vrsta morskih organizama, uključujući sve trilobite i većinu tadašnjih korala i glavonožaca. Sa kopna je nestalo 75% kopnenih kičmenjaka i gotovo sve listolike biljke.


Fluks koji potiče od gama-bljeksova, na prvi pogled ne deluje toliko neuobičajeno. On je oko sedam puta veći od intenziteta kojim svoje zračenje na Zemlje izračuje Sunce. Međutim, postoji velika razlika između ovih efekata. Energije fotona su najčešće nekoliko stotina keV u regionu x i gama-zraka. Srednji slobodni put svakog od fotona u atmosferi je prilično kratak i najveći deo energije je zbijen u stratosferi, gde je koncentracija ozona najveća. Zbog toga taj deo atmosfere i služi kao najbolji štit od sterilišućeg uticaja visokoenergetskih kosmičkih zraka.

Koncept zaštite uslova za razvoj kompleksnog života u galaksiji

Znameniti rad astronoma Čarlsa Lajnvivera (Charles Lineweaver , The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way) predstavlja doprinos novom konceptu koji omogućava da se na osnovu četiri parametra vrši procena koji deo galaksije je najpogodniji za eventualni razvoj različitih životnih oblika (dakle, radi se o proceni i distribuciji uslova za stvaranje galaktičke zone habitacije).

·        Prisustvo zvezde domaćina, koja je regulator uslova koji vladaju u okolini

·        Dovoljno teških elemenata da bi se formirale planete Zemljinog tipa

·        Potrebno vreme za biološku evoluciju

·        Zaštićenost od uticaja katastrofičnih eksplozija kao što su eksplozije supernovih ili gama-bljeskovi
Nastanjiva zona u našoj Galaksiji

U tom radu se podstiče ideja da je moguće identifikovati zonu habitacije u Galaksiji u regionu od 7 do 9 Kpc od galaktičkog centra i taj parametar se menja tokom vremena. Zvezde od kojih je načinjena ta zona stare su između 4 i 8 milijardi godina. U istraživanju je potvrđeno da je oko 75% zvezda u GHZ-u starije od Sunca.

Dakle, da bi se modelirala oblast koja ima kosmološko-biološke uslove za nastanak i razvoj složenog života, potrebno je kombinovati model evolucije zvezde sa modelom metaličnosti na osnovu podataka dobijenih spektoskopskim posmatranjima. Naime, metaličnost je termin koji u astronomiji označava brojnost svih elemenata koji su teži od vodonika i helijuma u odnosu na njih, i zapravo predstavljaju sve elemente od kojih su sačinjene planete Zemljinog tipa. Trenutna metaličnost naše galaksije može se direktno meriti. Neophodna je zbog identifikovanja raspodele potrebnih elemenata širom galaksije.


Zaključak: PO TRENUTNIM POSMATRAČKIM PODACIMA, ZONA U KOJOJ SE NALAZI NAŠ SUNČEV SISTEM DOBRO JE ZAŠTIĆENA OD VEĆINE POTENCIJALNO OPASNIH FAKTORA! 

Nastavak sledi... ne morate da se vežete, ionako smo već poleteli!

No comments:

Post a Comment