En planet som är en kandidat för att vara bebodd kommer utan tvekan att uppleva katastrofer och utrotningshändelser på den. Om livet ska överleva och frodas i en värld, måste det ha rätt inneboende och miljömässiga förhållanden för att tillåta det. (NASA GODDARD SPACE FLIGHT CENTER)

Hur var det när de första planeten planerades?

De första planeterna var bara gas. Den andra inkluderade steniga, men livet var inte möjligt. Så här kom vi äntligen.

Här i universum idag finns potentiellt bebodda planeter praktiskt taget överallt. Jorden kan vara mallen för vad vi anser vara bebodd, men vi kan föreställa oss en mängd olika omständigheter som är mycket annorlunda än våra egna som också kan stödja livet på lång sikt.

Med tiden anländer vi till jordbildning, men mer än 9 miljarder år har gått sedan Big Bang först inträffade. Det är väldigt orimligt att anta att universum krävde all den tiden för att skapa de nödvändiga förutsättningarna för att uppehålla sig. När vi tittar på receptet för en beboelse, kunde de ha sitt ursprung långt tidigare. Ingredienserna för livet är en del av pusslet, men de är inte hela historien. Vi måste gå djupare för att bilda en beboelig planet.

Några av atomerna och molekylerna som finns i rymden i det magellanska molnet, som avbildade av Spitzer Space Telescope. Skapandet av tunga element, organiska molekyler, vatten och steniga planeter var alla nödvändiga för att vi till och med skulle ha en chans att komma till stånd. (NASA / JPL-CALTECH / T. PYLE (SSC / CALTECH))

Det första du behöver är rätt typ av stjärna. Det kan finnas alla möjliga scenarier där en planet kan överleva runt en aktiv, våldsam stjärna och förbli beboelig trots fientligheten. Röda dvärgstjärnor, som Proxima Centauri, kan avge flammor och riskera att strippa en potentiellt beboelig planetens atmosfär, men det finns ingen anledning att ett magnetfält, en tjock atmosfär och liv som var tillräckligt smart för att söka tillflykt under en så intensiv händelse kanske alla kan kombinera för att göra en sådan värld bebodd på en kontinuerlig basis.

Men om din stjärna är för kortlivad är livsmöjlighet omöjlig. Den första generationen stjärnor, känd som Befolkning III-stjärnor, misslyckas på detta konto. Vi behöver för att stjärnor ska åtminstone innehålla vissa metaller (tunga element bortom helium), eller så kommer de inte att leva tillräckligt länge för att en planet ska bli gästvänlig för livet, vilket redan sätter oss cirka 250 miljoner år efter Big Bang.

De första stjärnorna och galaxerna i universum kommer att omges av neutrala atomer av (mestadels) vätgas, som absorberar stjärnljuset. De stora massorna och de höga temperaturerna hos dessa tidiga stjärnor hjälper till att jonisera universum, men utan tunga element är liv och potentiellt bebodda planeter helt omöjliga. (NICOLE RAGER FULLER / NATIONAL SCIENCE FOUNDATION)

Antagande att vi kan bilda stjärnor med massor med låg tillräcklighet som de kan fortsätta att bränna i miljarder år, nästa ingrediens vi behöver är rätt typ av planet. Så långt vi förstår livet, betyder det att världen behöver:

  • en energigradient, där den har en olikformig energiingång,
  • förmågan att upprätthålla en tillräckligt stor atmosfär,
  • flytande vatten i någon form på ytan,
  • och de rätta råvarorna så att livet, med tanke på rätt sammanflöde av omständigheter, kan överleva och frodas.

En stenig planet av tillräckligt stor storlek, som bildas med rätt atmosfärstäthet och kretsar runt sin värld på rätt avstånd, har en chans. Med tanke på alla planeter som eventuellt kan bildas runt en ny stjärna och det astronomiska antalet stjärnor som bildas i varje galax, är dessa tre första förhållanden lätt att uppfylla.

30 protoplanetära diskar, eller propyler, som avbildas av Hubble i Orion-nebulosan. Att bilda en stjärna med steniga planeter runt dem är relativt enkelt, men att bilda en med jordliknande förhållanden på subtila men viktiga sätt är mycket mer utmanande. (NASA / ESA OCH L. RICCI (ESO))

Omkring en stjärna kommer att ge en energigradient, som kan kretsa runt en planet, ha en stor måne eller helt enkelt vara geologiskt aktiv. Vare sig det gäller solenergi eller hydrotermisk / geotermisk aktivitet, är en icke-enhetlig energiingång enkel. Med tillräckligt med elementen kol, väte, kväve, syre och några andra, kommer en väsentlig atmosfär att tillåta flytande vatten på ytan. Planeter med dessa förhållanden bör komma till existens när universum är bara 300 miljoner år gammalt.

En illustration av en protoplanetär disk, där planeter och planetesimaler bildas först och skapar

Men den nyckelbarriär som man måste övervinna här är att ha tillräckligt med dessa tyngre element som är viktiga för livet som vi känner på det periodiska bordet. Och det tar mer tid än det tar bara att göra steniga planeter med rätt fysiska förhållanden.

Anledningen till att du behöver dessa element är att möjliggöra rätt biokemiska reaktioner som vi kräver för att ha livsprocesser. På platser i utkanten av stora galaxer kan det ta många miljarder år för tillräckligt med generationer av stjärnor att leva och dö för att komma till det nödvändiga överflödet.

Förhållandet mellan där stjärnor ligger i Vintergatan och deras metallicitet, eller närvaron av tunga element. Stjärnor inom cirka 3000 ljusår från den centrala skivan i Vintergatan, över ett avstånd av tiotusentals ljusår, har extremt solsystemliknande överflöd av tunga element. Men tidigare i universums historia måste du antingen gå närmare den galaktiska mitten av en spiralgalax eller på rätt tillflödesplatser i en mycket utvecklad elliptisk för att hitta sådana nivåer av tunga element. (ZELJKO IVEZIC / UNIVERSITY OF WASHINGTON / SDSS-II SAMARBETE)

Men i hjärtan av galaxer, där stjärnbildning bildas ofta, kontinuerligt, och ur de återvunna resterna av tidigare generationer av supernovaer, planetariska nebulosor och neutronstjärnsammanslag, kan överflödet snabbt stiga. Till och med i vår egen galax blir det globulära klustret Messier 69 hela vägen upp till 22% av vår solas tunga elementinnehåll när universum är bara 700 miljoner år gammalt.

Det globulära klustret Messier 69 är mycket ovanligt för att vara båda otroligt gammal, på bara 5% av universumets nuvarande ålder, men också har ett mycket högt metallinnehåll, med 22% metalliciteten i vår sol. (HUBBLE LEGACY ARCHIVE (NASA / ESA / STSCI), VIA HST / WIKIMEDIA COMMONS ANVÄNDARE FABIAN RRRR)

Det galaktiska centrumet är emellertid en relativt svår plats för en planet att betraktas som beboelig utöver ett rimligt tvivel. Vart du än har stjärnor som kontinuerligt bildar har du en spektakulär massa kosmiska fyrverkerier. Gamma ray bursts, supernovaer, black hole formation, quasars och kollapsande molekylära moln skapar en miljö som i bästa fall är osäker för att livet ska uppstå och upprätthålla i.

För att ha en miljö där vi med säkerhet kan säga att livet uppstår och underhåller sig själva, behöver vi för att denna process ska komma till ett plötsligt slut. Vi behöver något för att stoppa stjärnbildningen, vilket i sin tur sätter kibosh på den verksamhet som hotar mest livsmiljön i en värld. Det är därför de tidigaste och mest hållbara planeten planeten kanske inte är i en galax som vår, utan snarare i en röd-och-död galax som upphörde att bilda stjärnor för miljarder år sedan.

Galaxy-kluster, liksom Abell 1689, är de största bundna strukturerna i universum. När spiraler smälter samman, till exempel, bildas ett stort antal nya stjärnor, men antingen efter sammanslagning eller genom att gå snabbt genom intragruppsmediet kan gas avrivas, vilket leder till slutet av stjärnbildningen. (NASA, ESA, E. JULLO (JET PROPULSION LABORATORY), P. NATARAJAN (YALE UNIVERSITY) OCH J.-P. KNEIB (LABORATOIRE D'ASTROPHYSIQUE DE MARSEILLE, CNRS, FRANKRIKE))

När vi tittar på galaxer idag har cirka 99,9% av dem fortfarande populationer av gas och damm i sig, vilket kommer att leda till nya generationer av stjärnor och konstant, pågående stjärnbildning. Men ungefär 1 till 1000 galaxer slutade bilda nya stjärnor för 10 miljarder år sedan eller mer. När deras yttre bränsle slutade, vilket kan inträffa efter en katastrofisk stor galaktisk sammanslagning, slutar stjärndrivningen plötsligt. Utan att nya stjärnor bildas slutar de mer massiva, blåare de helt enkelt sina liv när de slutar på bränsle och lämnar de svalare, röda stjärnorna som de enda överlevande. Dessa galaxer är i dag kända som ”röda och döda” galaxer som ett resultat, därför att alla deras stjärnor är stabila, gamla och inte hindras av det våld som den nya stjärnbildningen medför.

En av dem, galax NGC 1277, kan till och med hittas i vår relativa kosmiska trädgård.

Den

Receptet för en beboelig planet kan tidigast vara

  • bilda stjärnor snabbt,
  • om och om,
  • i en mycket tät region i en stor galax,
  • följt av en större sammanslagning,
  • vilket resulterar i ett massivt starburst,
  • följt av ett plötsligt slut på stjärnbildningen som kvarstår för en obestämd framtid.

Detta kan få oss upp till stjärnor och planeter med solliknande tunga elementöverskott på drygt en miljard år, där stjärnbildningen slutar när universum bara är en skugga under två miljarder år gammal.

Arp 116, som domineras av den jätte elliptiska Messier 60. Utan stora gaspopulationer för att bilda nya stjärnor, kommer stjärnorna som redan finns i galaxen slutligen att bränna ut, vilket inte lämnar så mycket som kan belysa himlen bakom. De metallrika elliptiska galaxerna som snabbast slutade på bränsle kanske är de bästa platserna att leta efter de allra första bebodda planeterna som uppstår i universum. (NASA / ESA HUBBLE SPACE TELESCOPE)

Det är en extremt snabb, optimistisk uppskattning, men det finns några två biljoner galaxer i universum idag, och så är det säkert att galaxer som är kosmiska oddititeter och statistiska outliers som detta finns. De enda frågor som återstår är överflöd, sannolikhet och tidsskalor. Livet kan uppstå i universum innan miljardårströskeln uppnås, men en upprätthållen, kontinuerlig bebobar värld är en mycket större prestation än livet som bara uppstår.

Med tiden universum är en skugga under två miljarder år gammal - bara 13–14% av sin nuvarande ålder - borde vi ha galaxer i det med solliknande stjärnor, jordliknande planeter och inget för att förhindra liv från att uppstå eller upprätthålla. Ingredienserna för livet bör finnas där. Förutsättningarna för att livet-som-vi-vet det ska vara där. Det enda steget till vänster är den vetenskapen som ännu inte vet hur man ska ta: från rätt förhållanden och ingredienser för livet till faktiska, levande organismer.

Mer information om hur universum var när:

  • Hur var det när universum blåste upp?
  • Hur var det när Big Bang först började?
  • Hur var det när universum var det hetaste?
  • Hur var det när universum först skapade mer materia än antimateria?
  • Hur var det när Higgs gav massa till universum?
  • Hur var det när vi först gjorde protoner och neutroner?
  • Hur var det när vi tappade det sista av vårt antimateria?
  • Hur var det när universum gjorde sina första element?
  • Hur var det när universum först skapade atomer?
  • Hur var det när det inte fanns några stjärnor i universum?
  • Hur var det när de första stjärnorna började lysa upp universum?
  • Hur var det när de första stjärnorna dog?
  • Hur var det när universum gjorde sin andra generation av stjärnor?
  • Hur var det när universum gjorde de allra första galaxerna?
  • Hur var det när stjärnljus först bröt igenom universums neutrala atomer?
  • Hur var det när de första supermassiva svarta hålen bildades?
  • Hur var det när livet i universum först blev möjligt?
  • Hur var det när galaxer bildade det största antalet stjärnor?

Starts With A Bang är nu på Forbes och publiceras på Medium tack vare våra Patreon-supportrar. Ethan har författat två böcker, Beyond The Galaxy, och Treknology: The Science of Star Trek från Tricorders till Warp Drive.