زمین سیارهای عادی نیست
جست‌وجوی هوشمندان فرازمینی و رویارویی با آنها، همواره موضوعی جذاب برای داستان‌های علمی‌ـ‌تخیلی و عاملی برای انگیزشِ توجه و تلاش دانشمندان بوده است.
شگفتی بشر را در نخستین لحظات کشف آثار قاطعی از وجود حیات در نواحی دیگر کیهان، به تصور درآورید. بی‌شک اعجاب ما را در آن لحظات، حد و وصفی نخواهد بود. ولی آیا شده است که با مشاهده پیکر خود به این فکر بیفتید که ساختاری با چنین پیچیدگیِ هراس‌انگیز، چگونه بر این سیاره غیرعادی پای نهاده است؟
زمین، سیاره استثنایی
از اواخر قرن گذشته، با تکیه بر نظریه‌ای موسوم به "اصل بینابین"1 یا "اصل کوپرنیکی"2، نوعی تلاش منسجم علمی با عنوان "جست‌وجوی حیات هوشمند فرازمینی" یا SETI3 شکل گرفت. مروّجان این نظریه که معروف‌ترین آنان "کارل ساگان"4 و "فرانک دریک"5 بودند، اعتقاد داشتند که زمین تنها یک سیاره خاکیِ معمولی در یک منظومه خورشیدیِ عادی واقع در ناحیه‌ای عادی از یک کهکشان مارپیچِ معمولی است.
براساس این نظریه، هیچ چیز غیرمعمول درباره این سیاره کوچک وجود ندارد و از این رو، بسیار محتمل است که کائناتْ آکنده از سیارات زمین مانند و زیستمندانی پیچیده باشد. مطالعه مبانی فلسفی و علمی پروژه سِتی و دستاورد‌های آن، نیازمند مقاله‌ای مستقل است؛ ولی در اینجا کافی است بگوییم که دست‌اندرکاران آن، وجود هوشمندان دیگری را که همچون ما به تمدن‌های فناورانه دست یافته‌اند، در سایر نقاط کیهان قطعی می‌دانند.
آنان با این فرض که این‌گونه تمدن‌ها، همانند ما، به صورت خواسته یا ناخواسته به ارسال سیگنال‌های الکترومغناطیسی به فضای پیرامون خود مشغولند، با دو روش، بررسی کره سماوی را در دستور کار خود قرار دادند. نخست، رج زدن آسمان با استفاده از پیشرفته‌ترین سامانه‌های رادیوتلسکوپی جهان؛ و دوم، تمرکز بر نقاط برگزیده‌ای که احتمال وجود سیارات زمین مانند در آنها قوی‌تر به نظر می‌رسید.
گرچه تا به حال بیش از چهارصد سیاره در فضای پیرامون ستارگان دیگر در نقاط گوناگون کیهان کشف شده است و این آمار پیوسته رو به فزونی دارد، ولی تاکنون اثری از علائم الکترومغناطیسیِ صناعی به دست نیامده است.
زمین سیارهای عادی نیست
در سال 2000، "پیتر وارد"6، زمین‌شناس و دیرینه‌شناس، و "دونالد.ای.براونلی"7 ، ستاره‌شناس و زیست‌اختر‌شناس، کتابی با عنوان: "زمین استثنایی: چرا حیات در کیهان پدیده‌ای نامتعارف است؟" به چاپ رساندند.
در این کتاب، آنان فرضیه "زمین استثنایی"8 را در مقابل "اصل بینابینی" مطرح کرده‌‌اند. براساس فرضیه مذکور، پدیدار شدن حیاتِ پیچیده پرسلولی یا "متازوآ"9 روی سیاره ما، نتیجه کنار هم قرار گرفتن مجموعه‌ای از وقایع و شرایط اختر‌فیزیکی و زمین‌شناختی بوده است که جمع آمدنِ تصادفی آنها در زمان و مکان مناسب، با حساب احتمالات جور در نمی‌آید.
وارد و براونلی چنین استدلال می‌کنند که سیارات، منظومه‌های سیارهای و مناطق کهکشانی مناسب برای پدیدار شدن حیات پیچیده، آن‌گونه که ما در مورد زمین، منظومه شمسی و محل قرارگیری آن در حاشیه راه‌شیری مشاهده می‌کنیم، بسیار نادر و استثنایی‌اند.
آنان برخی از شرایط و عوامل دخیل در پیدایش اشکال پیچیده حیات را به شرح زیر برمی‌شمرند.
ـ واقع شدن در محدوده زیست‌پذیر10 کهکشان
ـ وجود یک ستاره مرکزی از نوع مناسب و منظومه سیارهای با شرایط درست
ـ قرارگیری در محدوده زیست‌پذیر پیرامون ستاره مرکزی
ـ مناسب بودن اندازه سیاره
ـ برخورداری سیاره از یک قمر بزرگ
ـ آماده شدن شرایط لازم برای پدید‌آمدن مگنتوسفر11 (مغناطیس کره) و زمین ساخت ورقه‌ای (تکتونیک صفحه‌ای)12
ـ مناسب بودن ترکیب شیمیایی لیتوسفر13 (سنگ کره)، اتمسفر14 (هوا کره) و هیدروسفر15 (آب کره)
ـ فعال بودن عواملی نظیر فرایند‌های آتش‌فشانی، یخچال‌زایی ویخچال‌زدایی‌های عمده و برخورد‌های شهاب‌سنگی نادر که مجموعا "تلمبه‌های تکاملی"16 خوانده می‌شوند؛ و نیز
ـ وقوع پدیده ناشناخته‌ای که در آغاز دوران اول زمین‌شناسی منجر به پدیدار شدن ناگهانی اشکال گوناگون حیات جانوری شد و از آن با عنوان "انفجار کامبرینی"17 یاد می‌شود.
این احتمال وجود دارد که پیدایش اشکال حیات هوشمند، حتی مستلزم برقراری شرایط و رویداد‌های نادر‌تری بوده باشد. براساس مباحثات وارد و براونلی، برای این‌که یک سیاره خاکی کوچک محل پیدایش حیات قرار گیرد، لازم است مقادیر برخی از متغیر‌های مختلف در محدوده‌های عددی باریکی قرار داشته باشند.
به عقیده آنان، کیهان چنان وسیع و گسترده است که احتمالا سیارات زمین مانند فراوانی در آن وجود دارند؛ ولی حتی در این صورت نیز احتمال این‌که فاصله هر یک از آنها با دیگری کمتر از چندین هزار سال نوری باشد، ضعیف است. و همین فواصل عظیم مانع امکان برقراری ارتباط میان گونه‌های هوشمند احتمالی با یکدیگر خواهد شد؛ و این پاسخی است که فرضیه "زمین استثنایی" به "پارادوکس فرمی"18 می‌دهد.
پارادوکس فرمی این سوال را مطرح می‌کند که "اگر موجودات هوشمند فرازمینی در نقاط گوناگون کیهان به وفور وجود دارند، چرا حضور خود را آشکار نمی‌کنند؟"
منطقه کهکشانی زیست‌پذیر
شرایط اغلب نقاط کیهان و از جمله بخش‌های بزرگی از کهکشان راه‌شیری، چنان است که نمی‌تواند امکانات لازم را برای پیدایش و تداوم حیات فراهم آورد. وارد و براونلی این قسمت‌ها را "مناطق مرده"19 می‌نامند. در مقابل؛ بخش‌هایی از کهکشان که در آنها امکان پیدایش حیات وجود دارد، مناطق "زیست‌پذیر" یا "حیات‌پذیر" خوانده شده‌اند.
در واقع، محدوده زیست‌پذیر، تابعی از فاصله تا مرکز کهکشان است. به گونه‌ای که هرچه فاصله یک منطقه از مرکز کهکشان بیشتر شود:
1ـ میزان فلزی بودن ستارگان آن کمتر می‌شود.
در دانش نجوم، بر خلاف علم شیمی، اصطلاح "فلز" کاربردی عام‌تر دارد و به همه عناصر به جز هیدروژن، هلیوم و لیتیوم اطلاق می‌شود. وجود فلزات برای پیدایش سیارات خاکی امری ضروری است.
2ـ شدت تابش پرتو‌های ایکس و گاما که از سیاه‌چاله مرکزی کهکشان و ستارگان نوترونی پیرامون آن منشا می‌گیرند، کاهش می‌یابد.
این تابش‌ها با خاصیت یونیزه‌کننده شدید خود، عواملی نامطلوب در پیدایش حیات محسوب می‌شوند و برای بقای حیات هوشمند خطر‌ناکند.
3ـ تراکم ستارگان در آن کمتر می‌شود.
با کاهش تراکم ستارگان، احتمال بروز آشفتگی‌های گرانشی وارد بر سیارات و خرده سیارات کمتر می‌شود. بنابراین هر چه یک سیاره از مرکز کهکشان دور‌تر باشد، احتمال برخورد شهاب‌سنگ‌های بزرگ با آن کاهش می‌یابد. برخورد اجرام کیهانی پرجرم با یک سیاره، از عواملی است که می‌تواند به عمر حیات و بالاخص حیات پیچیده آن پایان دهد.
بنابر آن‌چه که در مورد 1 ذکر شد، مناطق دوردست مجاور کهکشان‌ها نمی‌توانند در باریکه زیست‌پذیر آنها قرار گیرند. همچنین طبق موارد 2 و 3، نواحی درونی کهکشان و نیز خوشه‌های گلبولی و بازوهای مارپیچ، به لحاظ تراکم بالای ستارگان، از جرگه مناطق زیست‌پذیر حذف می‌شوند.
در واقع، بازوهای مارپیچ ماهیتی از نوع اجرام فیزیکی ندارند؛ بلکه نواحی‌ای از کهکشان‌اند که نرخ شکل‌گیری ستارگان در آنها بالاتر است. این مناطق با آهنگی بسیار آهسته و با رفتاری موج‌گونه در میان کهکشان حرکت می‌کنند.
اگر از مرکز یک کهکشان به سوی دور‌ترین نقطه پیرامونی آن حرکت کنیم، زیست‌پذیری مناطقْ، ابتدا افزایش و سپس کاهش می‌یابد. بنابراین منطقه زیست‌پذیر یک کهکشان، کمر‌بندی است که در فاصله مرکز و حاشیه خارجی آن جای می‌گیرد.
یک منظومه سیارهای برای آن‌که بتواند مامن حیات پیچیده واقع شود، علاوه بر بهره‌مندی از موقعیت مناسب، باید بتواند این موقعیت را برای مدتی کافی نیز حفظ کند- آ‌‌ن‌قدر که اشکال ساده حیات، فرصت تحول و تبدیل به حیات پیچیده را به دست آورند.
به این ترتیب اگر ستاره مرکزی یک منظومه در فاصله مناسب از مرکز و لبه کهکشان قرار داشته و خارج از یک بازوی مارپیچ باشد، شرایط کیهانی خوبی برای پیدایش حیات خواهد داشت. در صورتی که حرکت مداری این ستاره در پیرامون نقطه میانی کهکشان یک دایره تقریبا کامل باشد و تندی دَوَرانی آن با تندی دَوَرانی بازوهای مارپیچ برابری کند، ستاره هیچ‌گاه به سمت یک بازوی مارپیچ کشیده نخواهد شد؛ و یا اگر کشیده شود، سرعت آن بسیار بطئی (کند) است، طوری که فرصت کافی برای طی شدن مراحل تکامل حیات و رسیدن به اشکال پیچیده در آن وجود خواهد داشت.
در غیر این صورت، اگر مدار ستاره مرکزی، غیر دایره‌ای (بیضی یا هذلولی) باشد، ستاره با سرعتی بیش از سرعت تکامل حیات به درون مناطق پرتراکم بازوهای مارپیچ وارد خواهد شد.
بنابراین یک ستاره حیات‌پذیر باید لزوما روی مداری به شکل دایره کامل یا نزدیک به آن، که مرکز کهکشان بر مرکز آن منطبق است، حرکت کند. ستارگانی که سرعت حرکت مداری آنها با سرعت حرکت موجی بازوهای مارپیچ برابری می‌کند (به اصطلاح ستارگان هم‌دوره با بازوهای مارپیچ) تنها در فاصله نسبتا باریکی از فضای پیرامون مرکز کهکشان جای می‌گیرند.
وجود این شرط، وسعت منطقه زیست‌پذیر کهکشانی را باز هم کمتر می‌کند. براساس محاسبات "لاین ویور"20 و همکاران او، منطقه حیات‌پذیر یک کهکشان حلقه‌ای، به ضخامت 7 تا 9 کیلو پارسک* است که چیزی کمتر از 10 درصد کل ستارگان راه شیری در محدوده آن قرار می‌گیرند. اگر محاسبات محافظه‌کارانه‌ای را که تعداد ستارگان راه‌شیری را معادل 200 تا 400 میلیارد برآورد می‌کنند مبنا قرار دهیم، این رقم به 20 تا 40 میلیارد ستاره بالغ خواهد شد. سایر دانشمندان میزان ستارگان واقع در محدوده حیات‌پذیر کهکشان را معادل 5 درصد از کل ستارگان راه‌شیری تخمین می‌زنند.
در واقع، خورشید ما ستاره‌ای است که در یک مدار تقریبا دایره‌ای شکل با دوره دورانی 226 میلیون سال پیرامون مرکز کهکشان راه شیری می‌گردد، و این زمان با دوره دوران راه شیری پیرامون مرکز خود، برابر است. با این حال، محاسبات دانشمندی به نام "کارن مسترز"21 نشان می‌دهند که تقریبا در هر 100 میلیون سال یک بار، خورشید از درون یکی از بازوهای بزرگ راه شیری عبور می‌کند.
طبق پیش‌بینی فرضیه "زمین استثنایی"، خورشید از زمان پیدایش خود به این سو نمی‌توانسته است وارد هیچ‌یک از بازوهای مارپیچی کهکشان شده باشد؛ ولی به عقیده برخی از پژوهشگران، می‌توان به کمک محاسبات مسترز، وقوع موارد متعددی از انقراض‌های انبوه را که در تاریخ تکامل زمین روی داده‌اند، با عبور خورشید از درون بازوهای کهکشانی مرتبط دانست.
یک ستاره مرکزی با مشخصات درست
تنها مثال موجود از یک سیاره حیات‌پذیر، نشان می‌دهد که حیات پیچیده، به آب در حالت مایع نیاز دارد. بنابراین لازم است که سیاره حیات‌پذیر در فاصله مناسبی از ستاره مرکزی خود قرار داشته باشد. این مطلب، نکته اساسی اندیشه "منطقه حیات‌پذیر اختری" یا اصل موسوم به "گلدی لاکز"22 را تشکیل می‌دهد. اگر یک سیاره در فاصله‌ای بیش از حد نزدیک یا بیش از حد دور نسبت به خورشید خود دوران کند، دمای سطحی آن از محدوده‌ای که بتواند آب را به صورت مایع بر روی خود نگه دارد، خارج می‌شود (با این حال، در مورد برخی از اقمار و سیارک‌ها نظیر "اروپا"23، "سرس"24 و "انسلادوس"25، احتمال می‌رود که آب مایع در شرایطی متفاوت، در زیر سطح کره وجود داشته باشد.)
در واقع، محدوده زیست‌پذیر حلقه‌ای است که در پیرامون ستاره مرکزی قرار می‌گیرد. براساس محاسبات "کستینگ"26 و همکاران وی (1993 م)، محدوده زیست‌پذیر خورشید در فاصله 95/0 تا 15/1 واحد نجومی از مرکز آن گسترش دارد.
در مورد ستارگان رشته اصلی، این منطقه به نحوی بسیار تدریجی، تا زمان تبدیل شدن ستاره به یک کوتوله سفید جابه‌جا می‌شود و در نهایت از بین می‌رود.
محدوده زیست‌پذیر، اثر خود را در همبستگی نزدیک با اثر گلخانه‌ای که توسط گاز دی‌اکسید کربن ((CO2 و سایر گاز‌های گلخانه‌ای موجود در اتمسفر سیاره ایجاد می‌شود، اعمال می‌کند. گرچه اتمسفر زمین تنها حاوی 387 قسمت در میلیون، گاز دی‌اکسید کربن است، ولی به خاطر وجود همین مقدار جزئی، دمای میانگین سطح زمین 40 درجه سانتی‌گراد بیشتر از حالتی است که در نبود احتمالی این گاز وجود داشت.
بنابراین شرط لازم برای پیدایش حیات پیچیده آن است که ستاره، در داخل منطقه زیست‌پذیر خود صاحب سیاراتی از نوع سیاره‌های خاکی باشد.
در مورد ستارگان داغی نظیر "شعرای یمانی" یا "نسر واقع"، منطقه زیست‌پذیر پهنای زیاد‌تری دارد؛ ولی این نوع ستارگان با دو مشکل اساسی مواجه‌اند...
بخش پایانی این مبحث را در شماره آینده بخوانید.
پی‌نوشت:
* parsec: یک پارسک معادل 26/3 سال نوری است.
1- The Principle of mediocrity
2- Copernican Principle
3- Search for Extra Terrestrial Intelligence
4- Carl Sagan
5- Frank Drake
6- Peter Ward
7- Donald E.Brownlee
8- Rare Earth Hypothesis
9- Metazoa
10- Habitable Zone
11- Magnetosphere
12- Plate tectonics
13- Lithosphere
14- Atmosphere
15- Hydrosphere
16- Evolutionary Pumps
17- Cambrian explosion
18- Fermi Paradox
19- Dead Zones
20- Line Weaver
21- Karen Masters
22- Goldilocks Principle
23- Europa
24-Ceres
25- Enceladus
26- Kasting