Czy ludzkość przegapiła swoją szansę? Czy SETI, równanie Drake’a i paradoks Fermiego to tylko artefakty naszej ignorancji na temat zaawansowanego życia we wszechświecie? A jeśli się mylimy, to skąd mamy to wiedzieć?
Nowe badanie skupiające się na czarnych dziurach i ich potężnym wpływie na formowanie się gwiazd sugeruje, że jako zaawansowane życie możemy być reliktami z minionej epoki we wszechświecie. SETI, równanie Drake’a i paradoks Fermiego — wszystkie trzy oznaczają różne sposoby, w jakie ludzkość zmaga się ze swoją sytuacją. Wszystkie są związane z Wielkim Pytaniem: Czy jesteśmy sami? Zadajemy te pytania tak, jakby ludzkość obudziła się na tej planecie, rozejrzała po okolicy i zastanawiała się, gdzie są wszyscy inni.
Żyjemy w epoce odkrywania egzoplanet, a astronomowie są zajęci poszukiwaniem planet, które mogą nadawać się do zamieszkania, czyli takich które mają ciekłą wodę powierzchniową. To prosta definicja zamieszkiwalności, ale jest przydatna do sortowania tysięcy egzoplanet, które odkryliśmy, i niezliczonych milionów innych, które czekają na odkrycie. Ponieważ rozumowanie a priori mówi nam, że poszczególne planety są kluczem do znalezienia życia.
Ale co z szerszym spojrzeniem na możliwość zamieszkania, a zwłaszcza na inne zaawansowane formy życia? Czy przeczesywanie poszczególnych planet jest sposobem na znalezienie innego życia? A może niektóre galaktyki są bardziej podatne na rozwój zaawansowanego życia, którego ewolucja może zająć miliardy lat? Czy czarne dziury w galaktykach wpływają na prawdopodobieństwo zaawansowanego życia?
David Garofalo jest profesorem nadzwyczajnym fizyki na Kennesaw State University w Georgii. Garofalo bada fizykę czarnych dziur i w nowym artykule wyjaśnia, w jaki sposób czarne dziury mogą wpływać na istnienie zaawansowanego życia.
Artykuł nosi tytuł „Zaawansowane życie osiągnęło szczyt miliardy lat temu – w oparciu o badanie czarnych dziur” (oryg. Advanced life peaked billions of years ago according to black holes). Jest dostępny na serwerze preprint arXiv i wkrótce zostanie opublikowany w czasopiśmie Galaxies. Garofalo jest jedynym autorem, a praca nie została jeszcze zrecenzowana.
Garofalo wyjaśnia, w jaki sposób sprzężenie zwrotne czarnej dziury może napędzać lub hamować powstawanie gwiazd. To, czy tak jest, zależy od środowiska i tego, czy SMBH znajduje się w środowisku ubogim w gaz, czy bogatym w gaz.
Związek między czarnymi dziurami a powstawaniem gwiazd pozwala nam na nakreślenie związku między czarnymi dziurami a miejscami i czasami, kiedy pozaziemskie inteligencje (ETI, z ang. extraterrestrial intelligences) miały większe szanse na pojawienie się.
– pisze Garofalo
Równanie Drake’a próbuje nadać formę naszym rozważaniom na temat innych inteligentnych cywilizacji. Jest to równanie probabilistyczne, które próbuje obliczyć liczbę inteligentnych i komunikacyjnych cywilizacji w Drodze Mlecznej. Badanie Garofalo rozciąga się poza Drogę Mleczną do wszechświata. Ale wszechświat jest rozległy i starożytny. Gdzie zacząć?
Równanie Drake’a określa wzór:
gdzie:
Garofalo zaczyna od czarnych dziur, sprzężenia zwrotnego i formowania się gwiazd
„Nasze zrozumienie procesów, które określają, gdzie i kiedy formowanie się gwiazd we Wszechświecie osiąga szczyty, znacznie się rozwinęło, do punktu, w którym możemy zacząć szerzej badać kwestię inteligencji w czasie i przestrzeni” – pisze Garofalo. Sprzężenie zwrotne czarnej dziury wpływa na powstawanie gwiazd w galaktykach, ale efekt jest różny.
Garofalo intensywnie badał czarne dziury, a nowy artykuł opiera się w dużej mierze na jego badaniach i pracach innych osób w tej samej dziedzinie. Garofalo twierdzi, że zaawansowane życie osiągnęło szczyt miliardy lat temu, a wszystko to z powodu bezpośredniego związku między fuzjami, czarnymi dziurami, powstawaniem gwiazd i planetami, które tworzą się wokół tych gwiazd. Zaczyna się od połączenia czarnych dziur, które prawdopodobnie doprowadzi do powstania aktywnych jąder galaktycznych (AGN, z ang. active galactic nuclei), co jest terminem określającym supermasywną czarną dziurę (SMBH, z ang. supermassive black hole) w centrum galaktyki, która akreuje wystarczającą ilość materii, aby jasno świecić. Niektóre AGN emitują dżety i są zależne od natury materii gromadzącej się w otworze. Materią jest gaz galaktyki, a różne galaktyki mają różne środowiska gazowe.
Informacje zwrotne od czarnych dziur odgrywają główną rolę w pracy Garofalo. Różne czarne dziury napędzają różne rodzaje sprzężeń zwrotnych, a niektóre sprzężenia zwrotne napędzają szybsze tempo powstawania gwiazd. Dżety to główny sposób, w jaki czarne dziury oddziałują z otaczającym ośrodkiem, pompując materię z powrotem z dysków akrecyjnych do otoczenia.
Czasami wszystkie te informacje zwrotne napędzają powstawanie gwiazd. Ale czasami wstrzykuje zbyt dużo energii do swojej galaktyki lub gromady galaktyk, co hamuje powstawanie gwiazd. Zbyt mocno nagrzewa gaz, a aby zapadał się i tworzył gwiazdy, gaz musi być zimny. Podstawową częścią rozważań Garofalo jest identyfikacja, kiedy sprzężenie zwrotne od czarnej dziury napędza powstawanie gwiazd, a kiedy je hamuje.
Czasami dysk akrecyjny czarnej dziury obraca się w przeciwną stronę względem samej czarnej dziury w wyniku połączenia, co wpływa na sprzężenie zwrotne i dżety. „Przeciwrotacja jest związana z różnymi ogólnymi efektami relatywistycznymi, które maksymalizują moc i kolimację dżetu” – pisze Garofalo. „Ten typ dżetu jest kierowany przez zimny gaz i popycha go w stany o większej gęstości, wyzwalając w ten sposób formowanie się gwiazd”.
Ale ten przeciwbieżny dysk akrecyjny może spowolnić, a następnie zatrzymać wirowanie czarnej dziury. W końcu odwraca się i przyspiesza ponownie. Kiedy czarna dziura ma zerowy obrót, przestaje wytwarzać dżety, a jej sprzężenie zwrotne do galaktyki lub gromady galaktyk zostaje zablokowane. Stan wirowania zerowego również przechyla dysk akrecyjny. W tym momencie „przychodzący gaz tworzy dysk, który utrzymuje moment pędu zbiornika gazu większej galaktyki” – wyjaśnia Garofalo. Stan zerowego wirowania trwa przez różne okresy, w zależności od tego, czy galaktyka jest uboga w gaz, czy bogata w gaz. Trwa około 8 milionów lat w środowisku ubogim w gaz.
Ale sytuacja zmienia się w gęstszym, bogatszym w gaz środowisku. „W gęstszych środowiskach masa czarnej dziury jest zwykle większa, dżet mocniejszy, a efekt sprzężenia zwrotnego większy” – wyjaśnia Garofalo. Dzieje się tak, ponieważ zmienia się sposób gromadzenia się gazu na dysku. Przyjmuje inny typ przepływu niż w rzadkim środowisku.
Inny przepływ oznacza, że czarna dziura w gęstym środowisku potrzebuje więcej czasu na spowolnienie o dwa rzędy wielkości. Wynik? „W rezultacie, średnio, najbogatsze środowiska wytwarzają potężne, skolimowane dżety, które intensyfikują powstawanie gwiazd w skali czasowej, która jest o około dwa rzędy wielkości dłuższa niż w bardziej odizolowanych środowiskach” – pisze Garofalo. W końcu wirowanie osiąga zero, a dżety ustają. Co najważniejsze, dżety pojawiają się ponownie tylko w gęstszym środowisku.
To dużo informacji dla tych z nas, którzy nie są astrofizykami, ale Garofalo wyjaśnia dla nas kluczową część, która sprowadza się do rzadkich lub gęstych środowisk. „Kluczową różnicą jest obecność tylko pozytywnego sprzężenia zwrotnego AGN w izolowanych środowiskach, podczas gdy zarówno dodatnie, jak i ujemne sprzężenie zwrotne w bogatszych”. Dżety pojawiają się ponownie tylko w bogatszych lub gęstszych środowiskach, ale są przechylone. Oznacza to, że są skierowane bardziej bezpośrednio na gaz galaktyki i mogą go podgrzać i stłumić formowanie się gwiazd.
W takim przypadku wynikiem jest mniej gwiazdek. Mniej gwiazd oznacza mniej planet, co oznacza mniej możliwości na powstanie zaawansowanego życia. Ale efekt wykracza poza tempo formowania się gwiazd i planet. Ponieważ gaz galaktyki jest podgrzewany, może wydzielać halo promieni rentgenowskich, które przenikają galaktykę i wpływają na skład chemiczny planet, co może utrudniać ich zamieszkanie.
To zła wiadomość dla zaawansowanego życia w bardziej gęstych gazowo galaktykach i gromadach galaktyk. Chociaż jest więcej gazu, materiału, z którego powstają gwiazdy, jest on przegrzany, co hamuje powstawanie gwiazd.
Ale co z rzadkimi w gaz galaktykami i gromadami?
„Z kolei w bardziej odizolowanych środowiskach gwiazdy ewoluują do ciągu głównego, niezakłóconego sprzężeniem zwrotnym AGN” – podsumowuje Garofalo. Jest to również krytyczne, ponieważ mówimy nie tylko o pojawieniu się życia, które mogło pojawić się na Ziemi w ciągu zaledwie kilkuset milionów lat. Mówimy o zaawansowanym życiu takim jak my, które pojawiło się na Ziemi po czasie 4,5 miliarda lat. Gwiazdy ciągu głównego są najdłużej żyjącymi, najbardziej stabilnymi gwiazdami i jest znacznie bardziej prawdopodobne, że zaawansowane życie może powstać wokół gwiazd ciągu głównego niż innych gwiazd.
Biorąc to wszystko pod uwagę, Garofalo przeformułowuje równanie Drake’a, aby uwzględnić sprzężenie zwrotne czarnej dziury. „Mówi nam, gdzie we wszechświecie szansa na wykrycie zaawansowanego życia jest największa. Odpowiedź leży w odizolowanych środowiskach polowych” – wyjaśnia.
Ale tam, gdzie może powstać zaawansowane życie, jest tylko częścią. Garofalo chciał się dowiedzieć, kiedy jest to najbardziej prawdopodobne. Wszystko to sięga wstecz do początkowych fuzji czarnych dziur, które tworzą przeciwbieżne, akrecyjne czarne dziury. „Akreujące czarne dziury w przeciwnych kierunkach są produktem fuzji, a funkcja fuzji osiąga swój szczyt przy przesunięciu ku czerwieni równym 2” – pisze. Przesunięcie ku czerwieni o 2 miało miejsce około 11 miliardów lat temu, kiedy Wszechświat miał 2,8 miliarda lat.
Jest to zatem przesunięcie ku czerwieni odpowiadające momentowi, w którym największa liczba izolowanych galaktyk pola doświadczyła połączenia, które doprowadziło do wpłynięcia zimnego gazu do jądra nowo utworzonej galaktyki i osadzenia się w przeciwnych kierunkach wokół nowo utworzonej czarnej dziury.
– podsumowuje Garofalo
W tym czasie pojawia się AGN i ich dżety. Wyzwoliły powstawanie gwiazd i formowanie się planet. Ziemia powstała 4,5 miliarda lat temu — a my, zaawansowane życie zdolne do komunikacji międzygwiezdnej, dopiero się pojawiliśmy. Używając nas jako punktu odniesienia, około 4,5 miliarda lat po właściwych czarnych dziurach we właściwych galaktykach może pojawić się zaawansowane życie. Garofalo zaokrągla to do 5 miliardów lat. „Tak więc przyjmujemy wartość referencyjną 5 miliardów lat, co daje nam 7,8 miliarda lat po Wielkim Wybuchu, czyli 6 miliardów lat temu”.
W tym momencie uważny czytelnik może zastanawiać się nad metalicznością. 6 miliardów lat temu istniała niższa metaliczność, więc czy nie wpłynęłoby to na typy planet, które się formują i czy mogłoby na nich powstać zaawansowane życie?
Niekoniecznie.
Garofalo zwraca uwagę, że galaktyki, w których najprawdopodobniej występują krytyczne AGN, to izolowane galaktyki eliptyczne. Ale to nie są stare czerwone i martwe galaktyki eliptyczne. Te, o których mówi Garofalo, są inne. Zamiast tego „nie oczekuje się, aby te izolowane galaktyki eliptyczne zawierały niskie metaliczności, ponieważ są one wyzwalane przez AGN przez fuzje z obfitym zimnym gazem, prawdopodobnie z galaktyki podobnej do dysku” – wyjaśnia. Wiadomo również, że stare czerwone i martwe galaktyki eliptyczne są zaludnione starszymi gwiazdami i zdominowane przez karły M lub czerwone karły, których strefy nadające się do zamieszkania znajdują się „bliżej gwiazdy i podlegają gwiezdnym rozbłyskom i rotacji pływowej, które działają przeciwko rozwojowi życia” „, pisze Garofalo. Ale podzbiór galaktyk eliptycznych, o którym mówi, nie jest zdominowany przez czerwone karły.
Więc mamy to. Jeśli Garofalo ma rację, musimy przemyśleć SETI. „Biorąc pod uwagę czasy i miejsca zidentyfikowane dla ETI w tej pracy, spodziewamy się, że poszukiwania SETI będą wymagały sygnałów pochodzących z cywilizacji Kardaszowa typu III” – pisze w podsumowaniu. Cywilizacja Kardaszowa typu III to taka, która ma dostęp do całej energii emitowanej przez jej galaktykę.
Według pracy Garofalo ludzkość rzeczywiście spóźnia się na imprezę. „W zakresie, w jakim pewnego dnia będziemy mogli mówić o szczytowej epoce pojawienia się zaawansowanego technologicznie życia we wszechświecie, nasze uproszczone badanie powstawania życia w kontekście sprzężenia zwrotnego AGN wskazuje, że taki czas należy już do przeszłości” – powiedział.
Konkluduje: „My na planecie Ziemia jesteśmy zatem spóźnialskimi”.
Możemy się spóźnić, ale niekoniecznie jesteśmy sami. Inni imprezowicze mogą właśnie przybywać. Jesteśmy tutaj, więc możliwe, że inni też gdzieś już są.
Jeśli chodzi o komunikację z inną zaawansowaną cywilizacją, jest to pytanie otwarte. Ale spójrz na nas. Zaawansowane formy życia wciąż się pojawiają. Może kiedyś dwie cywilizacje się ze sobą skontaktują?
Aby tak się stało, musimy wiedzieć, gdzie skierować nasze wysiłki w tym rozległym Wszechświecie. Jeśli nowe badania zostana podtrzymane, może to pomóc przyspieszyć poszukiwania pozaziemskich inteligencji, pokazując nam, gdzie szukać, a gdzie nie.
Więcej informacji:
David Garofalo, Advanced life peaked billions of years ago according to black holes, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2305.04033
Chandra B. Singh i in., The Black Hole-star Formation Connection Over Cosmic Time, Publications of the Astronomical Society of the Pacific (2021). DOI: 10.1088/1538-3873/ac2ec2
➔ Obserwuj nas w Google News, aby być na bieżąco!
źródło: Phys.org | prof. David Garofalo
Od 2005 roku zajmuję się komunikacją internetową i e-marketingiem, jestem pasjonatem urządzeń mobilnych oraz nowych technologii – i nie waham się ich używać.