Jak zbudować życiodajną planetę. Poradnik konstruktora

Stosunkowo łatwo jest zdefiniować podstawowe wymagania – warunki konieczne, ale nie wystarczające:

1) występowanie odpowiednich składników (dużych ilości węgla, wodoru, tlenu, azotu, fosforu, siarki i niewielkich ilości innych pierwiastków, np. molibdenu, kobaltu i selenu);

2) występowanie właściwych warunków środowiska, umożliwiających składnikom reagowanie ze sobą (najlepiej powierzchni minerałów zanurzonych w wodzie);

3) występowanie stabilności środowiska przez dłuższy czas, tak aby nasze życie mogło się rozwijać.

Zastanówmy się, jak zbudować planetę lub satelitę, na której wszystkie te warunki są spełnione.

Właściwy czas i miejsce

Najpierw wybierzmy odpowiedni czas. Nie możemy zaczynać zbyt wcześnie po Wielkim Wybuchu; na początku cały Wszechświat składał się niemal wyłącznie z wodoru i helu. Cięższe pierwiastki, takie jak krzem, tlen czy węgiel, powstały dopiero w wyniku reakcji jądrowych zachodzących we wnętrzach gwiazd i w czasie wybuchów supernowych. Aby mogło powstać życie, wcześniej umrzeć musiało kilka pokoleń gwiazd.

Wytypujmy następnie właściwe miejsce w obrębie galaktyki. Z jednej strony musi się ono znajdować w pobliżu innych gwiazd, tak aby wcześniej wytworzone pierwiastki miały szansę zostać włączone do naszego układu słonecznego. Możemy wykluczyć więc obrzeża galaktyk. Z drugiej jednak strony, jeżeli jesteśmy otoczeni zbyt dużą liczbą gwiazd, w każdej chwili musimy oczekiwać katastrofy, np. w postaci pobliskiego wybuchu supernowej. Najlepiej więc trzymać się mniej więcej środka galaktyki.

W poszukiwaniu dobrej gwiazdy

Zdolne do podtrzymania życia planety nie mogą występować dookoła każdej gwiazdy. I w tym przypadku okazuje się, że najlepszą strategią jest unikanie skrajności. Największe i najgorętsze gwiazdy żyją bardzo krótko: o ile nasze Słońce dożyje zapewne statecznych 10 miliardów lat, o tyle życie gwiazdy zaledwie 10 razy od niego cięższej trwa tylko 30 milionów lat! W tak krótkim (geologicznie) czasie powierzchnia ewentualnych planet skalistych powstałych dookoła takiego słońca nie zdążyłaby nawet dobrze ostygnąć. Z drugiej strony, małe gwiazdy również się nie nadają, bo są dużo bardziej niestabilne – od czasu do czasu emitują dawki promieniowania zdolne nie tylko zdmuchnąć dużą część atmosfery pobliskiej planety, ale również wysterylizować jej powierzchnię. Potrzebujemy więc gwiazdy, która jest mniej więcej wielkości Słońca – albo trochę od niego mniejsza.

Mamy już gwiazdę, zaprojektujmy teraz odpowiedni układ planetarny. Tu pojawia się pojęcie „ekosfery”. Ekosfera to strefa dookoła gwiazdy, w której ma szansę występować woda w stanie ciekłym: nie jest w niej ani na tyle gorąco, żeby znajdująca się na hipotetycznej planecie woda zamieniła się w parę, ale i nie na tyle zimno, żeby zamarzła. Zwróćmy koniecznie uwagę, aby nasza projektowana planeta znajdowała się mniej więcej w środku ekosfery, ponieważ gwiazdy typu Słońca świecą nieco silniej w wieku dojrzałym niż za młodu, tak więc ich ekosfera wciąż przesuwa się coraz dalej „na zewnątrz”. W rezultacie planeta, która z początku byłaby ulokowana w pobliżu „ciepłego końca” ekosfery, po pewnym czasie może znaleźć się poza jej granicami – a wszystkie ewentualne organizmy na jej powierzchni zostaną ugotowane żywcem…

Oczywiście temperatura na powierzchni danej planety zależy nie tylko od jej odległości od gwiazdy, ale także od innych czynników, takich jak choćby skład atmosfery, który decyduje o poziomie efektu cieplarnianego. Dlatego m.in. nasza planetarna „zła bliźniaczka” – Wenus – nie nadaje się do zamieszkania.

A może na księżycu?

Jeżeli jednak nie zależy nam koniecznie, żeby nasze życie rozwijało się na planecie, możemy wybrać trochę inną konfigurację i zdecydować się na spory księżyc, krążący wokół olbrzymiej planety gazowej. Mógłby być z grubsza podobny choćby do Pandory z filmu „Avatar”. Tam, mimo że mamy do czynienia z księżycem, a nie planetą, warunki przypominają te panujące na Ziemi, bo większość energii napędzającej życie pochodzi z gwiazdy. W rzeczywistości życie na powierzchni takiego księżyca nie byłoby jednak sielankowe – wokół gazowych gigantów mogą występować strefy bardzo silnego promieniowania, niezwykle utrudniającego przetrwanie na powierzchni.

Drugą intrygującą opcją jest potencjalna „zamieszkiwalność” księżyców znajdujących się poza ekosferą gwiazdy – jak np. Europy, księżyca Jowisza. Na ciałach tego typu pod wielokilometrową warstwą lodu może znajdować się równie głęboki ocean, dopiero pod którym znajdziemy skalny płaszcz i metaliczne jądro. Krytyczne znaczenie ma znów rozmiar. Jeżeli taki księżyc będzie zbyt mały, to szybko wystygnie. Biedne organizmy żyjące na takim księżycu byłyby skazane najpierw na śmierć z głodu, a później zamarznięcie ich doczesnych resztek. Na szczęście efekt ten może być w niektórych przypadkach zniwelowany przez bardzo duże siły pływowe, regularnie zniekształcające cały księżyc i zapobiegające zastygnięciu takiego ciała – jak to ma miejsce w przypadku innego księżyca Jowisza, Io.

Gdyby natomiast księżyc taki był zbyt duży, na dnie jego oceanu mogłaby utworzyć się warstwa wysokociśnieniowej postaci lodu, który, w przeciwieństwie do zwykłego lodu, jest cięższy od wody. Taka warstwa oddzieliłaby od siebie dwa niezbędne dla życia składniki: wodę i skały mogące być źródłem pożywienia dla organizmów. Byłby to więc ocean wciśnięty pomiędzy dwie warstwy lodu. Nie wiadomo, czy w takich warunkach mogłoby dojść do powstania życia i jego długotrwałego przetrwania.

Rozmiar ma znaczenie

Przyjrzyjmy się teraz kwestii występowania na naszej planecie atmosfery; i tutaj kluczową kwestią jest rozmiar. Jeżeli ciało jest zbyt małe, przyciąga cząsteczki gazu tak słabo, że dochodzi do powolnej utraty atmosfery, która dosłownie ulatuje w kosmos. Może to doprowadzić np. do tego, że woda przestanie być stabilna i w stosunkowo krótkim czasie ciało zamieni się z miejsca przyjaznego życiu w pustynię (patrz: ramka). Z drugiej strony, zbyt duże ciało skaliste może aż nadto skutecznie przyciągać gazy pozostałe po tworzącej się gwieździe, i w rezultacie taka planeta może skończyć jako gazowy olbrzym podobny do Jowisza czy Saturna.

Niewielkie planety tracą też szybciej pole magnetyczne, chroniące atmosferę przed szkodliwym wiatrem słonecznym. Wynika to z tego, że małe ciała stygną szybciej niż duże, ponieważ mają dużo większy stosunek powierzchni do objętości – a właśnie przez powierzchnię ciepło ulega wypromieniowaniu w przestrzeń kosmiczną. Gdy dana planeta ochłodzi się na tyle, że jej płynne żelazne jądro zmieni się w nieruchomą kulę metalu, to pole magnetyczne całkiem zanika. Prawdopodobnie to właśnie przytrafiło się Marsowi.

Jeżeli chcemy, aby nasza planeta była zdolna do podtrzymywania organizmów bardziej wymagających i delikatnych niż najprostsze mikroby, to powinna ponadto obracać się dookoła własnej osi, tak aby występowały tam dni i noce. Dzięki temu temperatura na jej powierzchni będzie bardziej wyrównana. Niedawno odkryty układ planetarny dookoła malutkiej gwiazdy TRAPPIST-1 – z trzema skalistymi planetami w ekosferze – krąży tak blisko swojego słońca, że najprawdopodobniej wszystkie te ciała niebieskie są w obrocie synchronicznym. Oznacza to, że planety owe mają cały czas skierowaną tylko jedną półkulę ku gwieździe – jedna strona jest bardzo gorąca, druga bardzo zimna. Życie, o ile kiedykolwiek tam powstało, miałoby szansę utrzymać się tylko w cienkim pasie pomiędzy wiecznym dniem i wieczną nocą.

Dodatkowo powinniśmy koniecznie zainwestować w co najmniej jeden spory księżyc. Dzięki temu nachylenie osi obrotu planety względem ekliptyki jest bardziej stałe, co stabilizuje klimat. Dla przykładu – oś naszej Ziemi praktycznie się nie zmienia (waha się w niewielkim zakresie od 22.1° do 24.5° w cyklu trwającym 41 tysięcy lat), dzięki czemu zawsze najzimniej jest na biegunach, a najcieplej w okolicy równika. Mars nie ma satelity o znaczących rozmiarach, stąd jego oś zmienia się dosyć chaotycznie od 0° do niemal 80°. W rezultacie od czasu do czasu najcieplejsze marsjańskie rejony znajdują się w pobliżu jego biegunów! Co ciekawe, na zdjęciach satelitarnych wyraźnie widać, że niektóre rejony równikowe Marsa były kiedyś rzeźbione przez ogromne lodowce.

Wulkany dla życia

Nasza średniej wielkości, skalista planeta z wodą na powierzchni, z co najmniej jednym sporym księżycem, obracająca się dookoła własnej osi i obiegająca gwiazdę o podobnej wielkości co Słońce, powinna mieć coś jeszcze – aktywność wulkaniczną, najlepiej powiązaną z tektoniką płyt. Minerały, jak wszystko inne, zużywają się: po jakimś czasie powierzchnie, które na początku były źródłem schronienia i pożywienia dla organizmów, w końcu robią się zwietrzałe. Wulkany są miejscami, gdzie na powierzchnię wydostają się „świeże” skały i mnóstwo użytecznych dla organizmów żywych związków chemicznych.

Zachodząca raz na kilkadziesiąt milionów lat erupcja wulkanu to jednak niewielka pociecha. Jeżeli interesuje nas regularna dostawa świeżych, smakowitych minerałów, projektowana przez nas planeta musi koniecznie zainwestować w tektonikę płyt. Terminem tym określa się zasadniczy „styl” geologiczny naszej planety, który z grubsza polega na tym, że jej zewnętrzna warstwa składa się ze sztywnych płyt przemieszczających się względem siebie po plastycznej (choć nie płynnej) głębszej warstwie. Wulkany powstają głównie na granicach płyt: w miejscach, w których płyty się rozchodzą, oraz tam, gdzie się zderzają lub zanurzają z powrotem we wnętrzu planety. W rezultacie cały glob otoczony jest pajęczyną wulkanicznych gór, zapewniających mnóstwo samoodnawialnych, przyjaznych życiu lokalizacji.

Tektonika płyt ma jednak więcej zalet – system ten jest kluczowy dla utrzymywania stałej temperatury na powierzchni planety. Działa jak gigantyczny termostat regulujący w geologicznej skali czasowej temperaturę poprzez kontrolowanie ilości CO₂ w atmosferze, od którego z kolei zależy poziom efektu cieplarnianego. Ów „termostat” działa w następujący sposób: CO₂ wydobywa się z wulkanów i gromadzi w atmosferze, podnosząc temperaturę na powierzchni. Wyższa temperatura zwiększa tempo rozkładu/wietrzenia skał, uwalniając pierwiastki, które następnie łączą się z CO₂ z powietrza, tworząc skały węglanowe (np. wapień, CaCO₃) odkładające się w oceanach. Po jakimś czasie część tych skał zawierających CO₂ wnika w miejscach zderzeń płyt tektonicznych z powrotem do wnętrza planety. Ze środka ponownie wydostaje się przy pomocy wulkanów – cykl się zamyka.

Tektonika płyt wydaje się więc być bardzo korzystną „opcją” przy projektowaniu planety odpowiedniej dla życia. Co ciekawe, Ziemia jest jedynym znanym nam obiektem w Układzie Słonecznym z tektoniką płyt w pełnym tego słowa znaczeniu, przy czym nie jest wciąż jasne, w jaki właściwie sposób ten proces został zainicjowany i dlaczego nie występuje powszechnie.

I trochę szczęścia

Ostatnim składnikiem, jakiego potrzebujemy dla rozwoju i utrzymania życia na naszym z trudem zbudowanym ciele niebieskim, jest odrobina szczęścia. Jeżeli w pobliżu naszej planety wybuchnie supernowa, może ona ją wysterylizować albo zniszczyć. Szczęście przyda nam się również do unikania zderzeń z innymi dużymi ciałami niebieskimi.

O ile takie rzeczy na samym początku istnienia planety nie szkodzą, a nawet mogą pomagać (w końcu takiemu właśnie zderzeniu zawdzięczamy najprawdopodobniej powstanie naszego własnego Księżyca), to o ile zdarzą się późno, mogą nie tylko zabić całe życie, ale nawet znacząco zmienić wartości parametrów wyliczonych powyżej, czyniąc z planety przyjaznej życiu jałowe pustkowie.

Być może wcale nie musimy wchodzić z naszym projektem w fazę realizacji. W samej naszej galaktyce są miliardy gwiazd podobnych do Słońca, a planety wydają się krążyć dookoła znaczącej ich części.

Jest więc spora szansa, że gdzieś tam znajduje się ciało niebieskie, na którym mogłoby rozwinąć się pozaziemskie życie. ©

ANNA ŁOSIAK jest geologiem planetarnym, pracuje w Instytucie Nauk Geologicznych PAN. Absolwentka UW i Michigan State University oraz stypendystka Fulbrighta. Doktoryzowała się na Uniwersytecie w Wiedniu.