Geholpen door kunst, krijgt Theory of Life's Extra-Solar Origin Boost

Edward Belbruno is een wiskundige en een kunstenaar. Zijn schilderijen bevinden zich in grote collecties en worden tentoongesteld in de Verenigde Staten, en hij raadpleegt regelmatig NASA vanuit zijn positie als kosmologisch onderzoeker aan de Princeton University. Hij is ook auteur van "Vlieg me naar de maan"(Princeton University Press, 2007). Belbruno heeft dit artikel bijgedragen aan Professionele voices van ProfoundSpace.org: Op-Ed & Insights.

Een van de grootste vragen in de wetenschap is: "Hoe kwam het leven voor het eerst op aarde naar voren?" Er zijn veel theorieën, maar het laatste decennium ben ik vooral geïnspireerd door een theorie: de lithopanspermia-hypothese.

Litho, van de Griekse litho's, voor steen en panspermia uit het Grieks voor "alle zaden", de hypothese suggereert dat het leven meer dan 4 miljard jaar geleden op aarde begon, terwijl de planeet constant werd beschoten door het rotsachtige puin van het vroege zonnestelsel . Maar dit waren niet zomaar stenen: ze bevatten biogeen materiaal, de organische moleculen die nodig zijn om de bouwstenen van het leven te vormen. [Zoet! Deep-Space Sugars kunnen aanwijzingen over de oorsprong van het leven onthullen]

De hypothese stelt dat rotsen die het aardse leven zaaien, voortkwamen uit planetaire systemen buiten onze eigen planeten die cirkelden rond de jonge zonnen die ruimte deelden met de onze in een nu vervallen 'geboortecluster' van duizenden sterren. Onderzoek door F. Adams en G. Laughlin in 2001 impliceert dat de sterren in dergelijke clusters een losjes gebonden aggregaat vormen, waarbij elk zonnestelsel relatief langzaam beweegt ten opzichte van zijn buren (ongeveer 1 kilometer per seconde). Rotsen - of preciezer gezegd planetesimalen - kunnen losraken door botsingen en andere gebeurtenissen, ontsnappen uit een bepaald planetair systeem om in de ruimte tussen de sterren van het cluster te drijven en uiteindelijk gevangen worden door een andere ster van het cluster. Eenmaal binnen zijn nieuwe zonnestelsel, zou het planetaire beeld in een van de banen van de planeet worden getrokken, waarbij het zou crashen en zijn inhoud zou vrijgeven - inclusief elk biogeen materiaal. Als dat gebeurde op de vroege aarde, misschien in warm water in een oermeer of een oceaan, hebben die verspreide moleculen mogelijk uiteindelijk geleid tot de vorming van het leven van onze planeet.

Ik maakte in 2004 kennis met de lithopanspermia-hypothese van de universiteitsastrofysicus David Spergel van Princeton en was meteen geïntrigeerd. Er zijn echter twee hiaten in de hypothese. De eerste vraag hoe het leven kon ontstaan ​​uit het biogene materiaal, een onderwerp dat ik aan anderen overliet om aan te pakken - omdat om dat probleem te laten bestaan, de rotsen eerst op aarde moeten aankomen. Dat is de tweede kloof in de hypothese: het transportprobleem.

Wat is het dynamische mechanisme waardoor een rots uit een planetair systeem kan worden geslingerd en door een andere ster en uiteindelijk een van zijn planeten kan worden gevangen? Eerder werk van H. Jay Melosh suggereerde dat er een bijna-nulwaarschijnlijkheid is van zwaartekrachtvangst van een rots van het ene sterrensysteem door een andere in een gedeeld geboortecluster. Omdat de waarschijnlijkheid van het vangen door een ster bijna nul zou zijn, zou de kans op een crash op een planeet ook extreem klein zijn. De onderzoekers verkregen dit resultaat omdat ze uitgingen van een hoge ejectiesnelheid van het oorspronkelijke planetaire systeem van de rots: ongeveer 8 kilometer per seconde. Bij zulke hoge snelheden zou een rots snel voorbij vliegen door nabije sterren, die veel te snel reizen om te worden gevangen.

Het leek me echter duidelijk, en ook voor Spergel, dat als de uitwerpsnelheid veel langzamer was, het mogelijk is om een ​​andere ster te vangen. Van mijn vorige werk aan een dergelijk proces, genaamd ballistische gevangenneming, slage ejectie leidt tot trage opname. Ballistische gevangenneming is een soort van opname waarbij een object door de zwaartekracht wordt gebonden aan een ster en in een baan om hem draait, wat puur wordt bereikt door de aantrekkingskracht van de sterren en geen andere krachten. Ik bestudeerde ballistische gevangenneming voor gebruik met maan-ruimtevaartuigen, waarbij het vaartuig in de baan van de maan wordt getrokken zonder brandstof te verbruiken - het vaartuig vertrouwt alleen op de aantrekkingskracht van zijn bestemming.

Dus toen ik tien jaar geleden lithopanspermia bestudeerde, leek het me duidelijk dat de manier om het transportprobleem op te lossen het vinden van ballistische vangsttrajecten was van de oorsprongsster van een rots naar zijn bestemming - de zon van de aarde.

Om me te helpen begrijpen hoe ik het probleem moest aanpakken, wendde ik me tot de kunst. Ik schilder in de abstracte expressionistische stijl, waarbij de penseelstreken niet bewust worden toegepast, maar eerder op een onbewuste manier worden uitgevoerd. De onbewuste geest heeft toegang tot veel meer informatie dan de bewuste geest: als je er toegang toe hebt, dan kun je inzichten verkrijgen die anders niet mogelijk waren. [The Cosmic Art of Edward Belbruno (Gallery)]

In mijn maan ruimtevaartuig werk aan ballistische vangst, mijn onderbewustzijn daadwerkelijk gevonden, binnen penseelstreken, de benodigde baan naar de maan. In het lithopanspermia-probleem worden routes gezocht tussen sterren. Dus in 2010 heb ik een serie schilderijen over dat probleem gemaakt. Ze waren niet bedoeld om een ​​bepaalde route te vinden, maar eerder om me te helpen mijn gedachten te visualiseren en te ordenen. Dit gaf me een meer intuïtief gevoel over het probleem dat ik op geen enkele andere manier had kunnen krijgen. De schilderijen vertoonden allemaal verbanden tussen sterachtige objecten, omdat ballistische vangbanen zouden kunnen verschijnen als ze fysiek op een abstracte manier werden voorgesteld.

Van de schilderijen, realiseerde ik dat ballistische vangstbanen tussen de sterren vrij direct waren en geen ongebruikelijke dynamiek uitvoerden. Ook toonden de schilderijen aan dat ze tussen sterren redelijk dicht bij elkaar plaatsvonden. Dit vertelde me dat het vrij waarschijnlijk was, en hoop gaf om ze te vinden.

Na acht jaar werken met Amaya Moro-Martin van het Space Telescope Science Institute, Renu Malhotra van de University of Arizona en Dmitry Savransky van de VSafdeling van Los Alamos National Laboratories van Energy, hadden we het probleem gekraakt. We toonden aan dat met ballistische gevangenname de kans dat een ster een rots van een andere in een geboortecluster vangt, niet bijna nul was - in feite verbeterden we de waarschijnlijkheid met vele ordes van grootte.

Als de ontsnappingssnelheid van de rots niet 8 kilometer per seconde is, maar 50 meter per seconde - zoals natuurlijk zou gebeuren, als bijvoorbeeld een komeet uit de Oortwolk zou losraken en naar binnen zou vallen richting de zon, vliegend door Jupiter. Jupiter's zwaartekracht zou het terugwerpen, maar met iets meer snelheid om voorbij de Oort-wolk te vliegen. Het zou dan ontsnappen met een beetje extra snelheid in de orde van 50 meter per seconde - dan lekt de steen langzaam weg uit de buurt van zijn moederster en chaotisch kronkelt hij in de open sterrenhoop. De rots reist zo langzaam dat als hij binnen de zwaartekracht van een nabije ster passeert, hij dan gemakkelijk kan worden gevangen. [Amazing Comet Photos of 2013 by Stargazers]

We hebben miljoenen van dergelijke trajecten gesimuleerd, en dat is precies wat er gebeurde. Onze resultaten impliceren dat de waarschijnlijkheid dat een rots uiteindelijk op een aarde-achtige planeet crasht nadat hij door zijn zon is gevangen, bijna een zekerheid wordt, aangezien we het aantal gesteenten dat in dat zonnestelsel is getrokken, hebben berekend op een orde van 10.000.000.000.000.000.

Dat is vergelijkbaar met de waarschijnlijkheid dat een enkele rots zo'n zonnestelsel in het onderzoek van Melosh binnenkomt. Van het enorme aantal rotsen dat we schatten als we een zonnestelsel binnengaan, denken we dat ongeveer 10.000.000.000 daarvan zouden crashen op een aardachtige planeet.

We publiceerden de bevindingen in 2012 in het tijdschrift "Astrobiology" en het werk verscheen uiteindelijk in oktober van dat jaar in "Time Magazine" met een coververmelding.

Onze resultaten komen overeen met het geologische bewijs voor de opkomst van het leven. Vele miljoenen jaren gaan voorbij tussen de tijd dat een rots wordt uitgeworpen van de ene ster en de uiteindelijke verovering door een andere ster. Maar die tijd is minder dan nodig is om een ​​open sterrenhoop van nature te verspreiden tot een punt dat het overbrengen van gesteente niet langer mogelijk is.

Diezelfde tijdsschalen passen in de hypothese voor wanneer water op aarde wordt gevormd, dus het is waarschijnlijk dat het oppervlak van de planeet een goede omgeving heeft voor elk biogeen materiaal om meer complexe moleculen te vormen. En geologisch bewijs laat zien dat bacterieel leven niet lang na die periode ontstond: ongeveer 3,85 miljard jaar geleden.

Notitie: Ontmoet Belbruno op 22 oktober in New York op een galerij van ProfoundSpace.org waarin zijn werk wordt benadrukt. De kunst van Belbruno is exclusief verkrijgbaar in de ProfoundSpace.org-winkel.