Civiltà su pianeti lontani? Il Paradosso di Fermi

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Europa vita oceano sotterraneo pianeta e satellite
Europa, satellite di Giove, potrebbe avere un vasto oceano sotto la superficie ghiacciata. Qui fotografata durante la missione Galileo (NASA/JPL-Caltech/SETI)

Il 23 febbraio 2017 la NASA ha annunciato la scoperta del primo sistema extra-solare, TRAPPIST-1, con sette pianeti di dimensioni confrontabili con quelle terrestri. È una notizia eclatante ma probabilmente non l’ultima che riguarderà la scoperta di pianeti extra-solari. L’importanza della scoperta è legata a quella che è tra le domande più importanti di sempre: “Siamo soli nell’universo?”.

La scoperta di pianeti extra-solari ci permette di concludere che la formazione di un pianeta simile alla terra non è un fenomeno raro o addirittura unico. A partire dal 1992, anno in cui fu scoperto il primo pianeta extra-solare, ne sono stati scoperti 3583. Questi, per via della difficoltà tecnologica dell’impresa, sono concentrati per lo più su stelle relativamente vicine a noi. Dalla quantità di pianeti osservati si stima che mediamente vi è più di un pianeta per stella!

Enrico Fermi accordatori pianoforti chicago pianeti drake
Enrico Fermi è celebre per le sue stime rapide e mentali di quantità altrimenti difficili da calcolare. L’esempio classico è il suo problema sugli accordatori di pianoforti di Chicago.

Se volessimo capire quanto sia plausibile la presenza di una civiltà extra-terrestre nella nostra galassia, dovremmo stimare quale sia la probabilità che tale civiltà si sviluppi attorno ad una stella a caso. Questa probabilità è sicuramente molto piccola. D’altro canto, il numero di stelle nella nostra galassia è estremamente grande, pari a circa 100 miliardi. Enrico Fermi, Premio Nobel italiano per la fisica, fece una stima di questa probabilità di formazione della vita e concluse che dovessero esistere centinaia di migliaia di civiltà aliene nella nostra galassia. Dato che non ne abbiamo mai contattata una, Fermi si chiese, paradossalmente: “Dove sono tutti?”

L’EQUAZIONE DI DRAKE – La base della stima di Fermi è l’equazione di Frank Drake, astronomo statunitense. Drake cercò di stimare il numero di civiltà nella nostra galassia che possono comunicare con noi con dei segnali radio. Drake suppose che questo numero di civiltà sia dato dalla moltiplicazione di:
1. Il numero medio di stelle che si formano nella galassia ogni anno.
2. La frazione di stelle che hanno pianeti orbitanti.
3. Il numero medio di pianeti per stella che ha le potenzialità per sviluppare la vita.
4. La frazione di questi pianeti che effettivamente sviluppino la vita.
5. La frazione di pianeti con vita che ne sviluppino una forma intelligente.
6. La frazione di razze intelligenti che sviluppino una tecnologia per comunicare su onde radio e la usino per contattare qualcuno.
7. Gli anni che passano tra lo sviluppo della tecnologia e l’estinzione della specie (o cessazione delle comunicazioni).

Queste condizioni di Drake sono ragionevoli per la formazione di una civiltà aliena. Tuttavia ogni singolo elemento è soggetto ad incertezze. Ovviamente si tratta di fare una stima dell’ordine di grandezza di civiltà: quindi di poter dire se le civiltà sono dell’ordine di milioni o di decine, ad esempio.

NUMERO MEDIO DI STELLE CHE SI FORMANO NELLA GALASSIA OGNI ANNO – Esso è stimato essere di circa 2 stelle/anno dalla NASA e dall’ESA. Vi è un piccolo margine di errore, ma possiamo dire che questo è il parametro dell’equazione di Drake più certo.

FRAZIONE DI STELLE CON PIANETI ORBITANTI – Oggetto della recente scoperta della NASA. Abbiamo capito che i pianeti extra-solari sono comunissimi. La stima di questa frazione ha ancora delle piccole incertezze. Date le ultime scoperte, si diventa sempre più sicuri che questa frazione sia molto vicina ad 1 (ovvero al 100%). È ragionevole aspettarsi che quasi tutte le stelle posseggano almeno un pianeta. Un eso-pianeta è una regola, non un’eccezione.

TRAPPIST TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope cerca pianeti extra solari
TRAPPIST(TRAnsiting Planets and PlanetesImals Small Telescope) è un telescopio robotico in Cile alla ricerca di pianeti extra-solari. (E. Jehin/ESO)

NUMERO MEDIO DI PIANETI CHE POTREBBERO OSPITARE VITA –  Essa è una quantità su cui si comincia a speculare di più, innanzitutto perché i requisiti per la vita sono difficili da stabilire. Generalmente si suppone che il pianeta debba essere roccioso, come la Terra o Marte, e non gassoso, come Giove o Saturno. Qualsiasi “bio-chimica” necessita un solvente come l’acqua. Seppure esistono altri solventi, ad esempio l’ammoniaca (NH3), l’acqua sembrerebbe essere il più comune nell’universo. Nel nostro sistema solare si trova  in diversi luoghi, ad esempio sulla superficie ghiacciata di Europa, satellite di Giove. L’acqua in questo senso è utile solamente se liquida e quindi la temperatura del pianeta, o di alcune zone di esso, deve essere compresa tra gli 0 e i 100 gradi centigradi.

Ogni stella è dotata di una zona abitabile dove i pianeti orbitanti hanno una temperatura giusta: né troppo calda, né troppo fredda. Almeno tre dei sette pianeti di TRAPPIST-1 sembrano essere nella zona abitabile e tutti e sette sono rocciosi. Capire quanto sia comune tale situazione è fondamentale per determinare questo parametro dell’equazione di Drake. A questo punto è possibile fare altre considerazioni. Ad esempio, potrebbe essere che i pianeti di TRAPPIST-1 abbiano sempre la stessa faccia rivolta verso la loro stella, come la nostra Luna tiene una sola faccia verso di noi. Per questo, è possibile che un emisfero dei pianeti abbia temperature estremamente calde e l’altro estremamente fredde. Questo potrebbe non essere ottimale per la formazione della vita!

Si possono fare molte altre considerazioni e per questo le stime variano molto. L’incertezza è ancora grossa e servono ancora altri studi. Le stime più ottimiste degli astronomi dicono che mediamente vi siano 3-5 pianeti abitabili per stella. Le stime pessimiste parlano di 0.1 pianeti abitabili per stella.

FRAZIONE DI PIANETI ABITABILI CHE SVILUPPANO VITA – È anch’esso un parametro ignoto. Sulla Terra, sembra che la vita si sviluppò non appena le condizioni diventarono ottimali, cioè poco dopo la fine dell’epoca Adeana. Questo potrebbe significare che lo sviluppo della vita sia facile e comune su pianeti simili alla Terra. Tuttavia, non conoscendo il meccanismo di abiogenesi, questa rimane una congettura. È importante notare che, se si trovasse qualche traccia di vita su Marte, sviluppatasi indipendentemente dalla terra, si avrebbe una prova che lo sviluppo della vita sia molto comune sui pianeti che la possono supportare. Allora questo parametro dell’equazione di Drake sarebbe circa 1 (ovvero il 100%). I pessimisti, nel caso non venisse trovata vita su Marte, affermano che questo valore è circa 0.0001.

FRAZIONE DI PIANETI CON VITA CHE NE SVILUPPANO UNA FORMA INTELLIGENTE – Si intende la probabilità che si sviluppi una specie intelligente nel corso dei miliardi di anni di vita del pianeta. Questo è un punto molto critico, sul quale non è d’accordo sostanzialmente nessuno.  Da un lato, c’è chi dice che sulla Terra, tra le milioni di specie solo una sia diventata intelligente, per cui la probabilità è  estremamente bassa, circa 10^-9 (0.000000001). D’altra parte, c’è chi sostiene che l’evoluzione sia un processo lento che conduce inevitabilmente ad una specie intelligente, in grado di dominare il pianeta, per cui la probabilità è vicina ad 1.

FRAZIONE DI SPECIE INTELLIGENTI CHE SVILUPPANO COMUNICAZIONE RADIO – È invece supposta essere ragionevolmente alta, e quindi non è un parametro che influisce moltissimo sull’equazione di Drake. Certo, potrebbe essere che una civiltà capace di comunicare con noi non lo faccia per altri motivi, ad esempio culturali. Per rimanere neutrali si suppone semplicemente che questa frazione sia del 10% circa. Dato che gli altri parametri sono incerti di fattori 10mila, essere indecisi su questo di anche un fattore 10 (tra 0.1 ed 1 ad esempio) non incide sul risultato ottenuto alla fine.

NUMERO DI ANNI PER CUI UNA CIVILTÀ TENTA DI CONTATTARCI VIA RADIO PRIMA CHE CESSINO LE COMUNICAZIONI – Se prendiamo la nostra civiltà come esempio, tra le prime piccole radio e la prima bomba atomica intercorrono meno di cento anni. Potrebbe essere che le civiltà si estinguano molto rapidamente (su tempi geologici) dopo aver raggiunto un livello di tecnologia avanzato. D’altra parte potremmo sostenere che una civiltà raggiunga una situazione di “pace nel mondo”. Per cui gli anni durante quale una civiltà cerca di contattare qualcuno si stimano essere tra 100 e 100mila (o più).

L’equazione di Drake ci permette di mettere insieme tutti i tasselli. Se siamo pessimisti, il numero di civiltà esistenti nella nostra galassia che potrebbero contattarci sono (usando i parametri pessimistici discussi sopra):

N_{galassia} = 2 \cdot 1 \cdot 0.1 \cdot 0.0001 \cdot 10^{-9} \cdot 0.1 \cdot 100 = 10^{-13}

Questo numero è estremamente piccolo. Il numero di galassie nell’universo osservabile è stimato a 2000 miliardi. Moltiplicando questo numero di galassie per il numero medio di civiltà per galassie data dell’equazione di Drake otteniamo:

equazione drake pianeti universo

Sostanzialmente vorrebbe dire che siamo soli nell’universo.

Se, come Fermi, siamo più ottimisti otteniamo:

equazione drake pianeti

Quindi la galassia pullulerebbe di sessantamila civiltà in grado di contattarci. Perché non lo fanno? O lo hanno già fatto e non ce ne siamo accorti?

Si capisce che sono necessari ulteriori studi per fissare meglio i parametri di Drake. È veramente un punto in cui tutti i rami della scienza devono confluire. Come vedete per ora nell’utilizzo dell’equazione rimane dominante lo stato d’animo di chi la usa.

E voi? Siete ottimisti?

Sono dottorando in Fisica alla Sapienza di Roma, dove svolgo ricerca su cosmologia primordiale e particelle elementari. Ho lavorato come Teaching Assistant alla UCLA. Sono fondatore di Bunte Kuh e mi occupo della divulgazione scientifica.

2 COMMENTI

  1. È una equazione interessante, ma ha molti limiti… Intanto chi lo ha detto che l’evoluzione ad una specie intelligente debba seguire solo una strada ? Oppure se poniamo che la prima strada sia una evoluzione biologica a base di acqua questa può portare ad una evoluzione allo “stato solido” ovvero fatta da macchine intelligenti superando lo scoglio della bassissima probabilità che da dei minerali possa scaturire una forma intelligente, in questo caso l’evoluzione biologica potrebbe essere una sorta di catalizzatore nel processo evolutivo. Poniamo che a questo punto una “civiltà” di macchine possa sviluppare alternative di comunicazione molto più interessanti … allora come la mettiamo con il conteggio di Drake o di Fermi che a questo punto risultano basarsi su parametri del tutto errati … ?

    • Ciao, hai certamente ragione. Le strade dell’evoluzione su altri pianeti potrebbero essere infinite e c’è una difficoltà solamente nel categorizzarle. Dato che su questo argomento ci mancano, a livello di conoscenze scientifiche, enormi elementi, se vogliamo fare una qualsiasi analisi oggettiva dobbiamo per forza fare delle assunzioni limitative. Ad esempio non consideriamo la possibilità di vita allo “stato solido”, come dici. Sarai d’accordo con me che limitarsi ad alcune tipologia di vita vuol dire fare una stima delle civiltà al ribasso. Se la nostra stima cercasse di contare anche il numero di specie “insolite” il numero totale di civiltà può solamente crescere.
      Lo stesso vale per l’assunzione della radio. Se consideriamo che le comunicazioni potrebbero essere di altro tipo (neutrini?) allora il numero può nuovamente solo crescere.
      Sembra quindi che si accentui il paradosso di Fermi facendo queste considerazioni.
      Grazie,
      Ludovico

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