Drake-Gleichung

Die Drake-Gleichung dient zur Abschätzung der Anzahl der technischen, intelligenten Zivilisationen in unserer Galaxie, der Milchstraße. Sie wurde von Frank Drake, einem US-Astrophysiker, entwickelt und im November 1961 auf einer Konferenz in Green Bank, USA, vorgestellt; sie ist daher auch als Green-Bank-Formel oder SETI-Gleichung bekannt.^[1][2][3] Die Formel wird häufig bei Überlegungen in Bezug auf die Suche nach extraterrestrischem Leben herangezogen.^[4] Die meisten Faktoren der Gleichung sind unbekannt.

Vorbetrachtung

Auf Schwefel und Silizium basierendes Leben wird in der Gleichung nicht berücksichtigt, da nicht genau vorhersehbar ist, ob überhaupt und unter welchen Bedingungen solches Leben entstehen kann. Die Drakeschen Betrachtungen beziehen sich auf Leben, das sich unter bestimmten Bedingungen bezüglich der Verhältnisse von Stickstoff, Kohlenstoff und weiteren Unsicherheitsfaktoren entwickelt. Die Spezies Mensch gilt als Beweis, dass es funktionieren kann. Das System und der Planet, auf dem sich solches Leben entwickeln soll, muss nach dieser Theorie bestimmte astronomische und physikalisch-chemische Voraussetzungen erfüllen:

Der Zentralstern muss eine geeignete zirkumstellare habitable Zone aufweisen. Dies ist der Fall für Sterne der Spektralklassen F bis M und der Leuchtkraftklasse V. Damit sich einerseits Planeten mit geeigneter Chemie bilden können, andererseits diese Planeten vor allzuhäufigen kosmischen Katastrophen wie Supernovaexplosionen geschützt sind, muss sich das System in der galaktischen habitablen Zone befinden. Damit genügend radioaktive Elemente zur Verfügung stehen, um einen Karbonat-Silikat-Zyklus als CO₂-Quelle in Gang zu halten, muss sich der Planet vor Ablauf des kosmischen habitablen Alters bilden (welches allerdings noch 10 bis 20 Milliarden Jahre andauern wird).^[5]

Neben diesen als allgemein anerkannten Bedingungen gibt es einige Einschränkungen, die in der Astrobiologie aufgrund der Entwicklung unserer Erde zwar für wahrscheinlich gehalten werden, die aber nicht als unbedingt notwendig anerkannt sind. Zum Beispiel geht man davon aus, dass die Rotationsachse nicht zu stark geneigt sein sollte, damit es keine großen jahreszeitlichen Unterschiede gibt. Ein Mond in der richtigen Größe stabilisiert die Neigung der Rotationsachse und somit das Klima, allerdings kann auch ein Planet mit hoher oder sogar chaotischer Achsneigung habitabel sein.^[6]

Gleichung

$N = R_* \cdot f_p \cdot n_e \cdot f_l \cdot f_i \cdot f_c \cdot L \!\,$

N gibt die mögliche Anzahl der außerirdischen Zivilisationen in der Galaxis an, die technisch in der Lage und gewillt wären, zu kommunizieren.^[7]

Faktoren

R _* mittlere Sternentstehungsrate pro Jahr in unserer Galaxie:
Die mittlere Sternentstehungsrate ist durch empirische Beobachtungen wie zum Beispiel durch das Hubble-Weltraumteleskop relativ gut abschätzbar und wird zwischen 4 und 19 veranschlagt^[8]. Bei der Betrachtung ist zu beachten, dass ein Stern mittlerer Größenordnung benötigt wird. Sterne, die größer und leuchtstärker als die Sonne sind, verbrauchen ihre Energie bereits in weniger als einer Milliarde Jahre, so dass für die Entwicklung von Leben auf geeigneten Planeten nicht genug Zeit bleibt. Es wird deshalb nach Sternen gesucht, die mit unserer Sonne vergleichbar sind, da man davon ausgeht, dass die Entwicklung von Leben wie auf der Erde etwa eine Milliarde Jahre dauert. Etwa 70 Prozent der Sterne sind leuchtschwache rote Zwerge. Zwar haben diese Sterne eine Lebensdauer, die um eine Größenordnung höher ist als die der Sonne, dafür ist ihre Leuchtkraft, ihre Masse und Gravitationskraft wesentlich geringer, wodurch die Habitable Zone sehr nah beim Zentralgestirn liegt und Planeten in dieser Zone demnach starken Gezeitenkräften ausgesetzt wären. Außerdem neigen rote Zwerge zu starken Änderungen der Sonnenaktivität, was der Entwicklung von Leben abträglich wäre.

Ferner ist ungefähr jede zweite Entstehung ein Doppel- oder Mehrfachsternsystem. Es handelt sich hierbei um zwei oder mehr Sterne, die sich gegenseitig umkreisen, genauer gesagt um ihren gemeinsamen Schwerpunkt rotieren. Physikalische Simulationen haben gezeigt, dass Planeten in solchen Systemen eine äußerst instabile Bahn haben, und früher oder später in eine der Sonnen abstürzen oder gänzlich aus dem System hinausgeschleudert werden (Drei- und Mehrkörperproblem). Eine Ausnahme bilden Planeten, die von ihren Sonnen so weit entfernt sind, dass die Anziehungskraft der beiden Sterne auf den Planeten wie die eines einzelnen Sterns wirkt und der Planet dadurch wieder eine stabilere Bahn hat (Zweikörperproblem). Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Mehrfachsternsystem über längere Zeit Planeten hat, ist sehr gering.

Wenn zwei Galaxien aufeinander treffen, geschieht das aufgrund der großen Zwischenräume zwar kollisionsfrei, jedoch verlieren sie dabei in der Regel so viel kosmisches Gas, dass in der dabei entstandenen Galaxie (meist Ringgalaxie) so gut wie keine Sterne mehr entstehen können.

f_p Anteil an Sternen mit Planetensystem:
Wie viele Sterne in unserer Galaxie haben ein Planetensystem? Beobachtungen zeigen, dass ungefähr die Hälfte aller Sterne Planetensysteme wie unsere Sonne haben können. Seit 1995 wurden mit sehr empfindlichen Detektoren durch Messung der Radialgeschwindigkeit von sonnenähnlichen Sternen bereits 563 extrasolare Planeten in 472 Systemen entdeckt (Stand: 19. Juli 2011).^[9] Mit zunehmender Genauigkeit der Instrumente, neuen Methoden und besser auflösenden Teleskopen werden noch genauere Messungen möglich sein. Bisher können wir nur extrasolare Planeten finden, die sehr groß (mehrere Jupitermassen) und/oder sehr nahe an ihrer Sonne sind. In beiden Fällen gibt es voraussichtlich sehr unwirtliche Lebensbedingungen.

n_e Anzahl der Planeten in der Ökosphäre:
Die Ökosphäre ist der Bereich im Sonnensystem, in dem die physikalischen Bedingungen die Entstehung von Leben nicht von vornherein ausschließen. Ein Planet darf, je nach Sonnengröße, nicht zu nah und nicht zu weit von seinem Stern entfernt sein. Ist er zu weit weg, ist er einfach zu kalt; ist er zu nahe, ist er zu heiß und der Sonnenwind bläst die Atmosphäre weg. In unserem Sonnensystem befinden sich Venus, Mars und Erde in der Ökosphäre. 2007 wurden erstmals zwei Exoplaneten entdeckt, die sich in der habitablen Zone befinden könnten: HD 209458b, und der von seinen Entdeckern als erdähnlich bezeichnete Planet Gliese 581 c. Ob die Bedingungen dort aber wirklich lebensfreundlich sind, ist unter Wissenschaftlern umstritten.

f_l Anteil an Planeten mit Leben:
Auf wie vielen Planeten in der Ökosphäre entsteht Leben? Für diesen Faktor gibt es keine wissenschaftlich belegbaren Zahlen, denn bisher gibt es nur das Beispiel unseres Sonnensystems. Zukünftig erwartet man mit empfindlicheren Teleskopen auch auf Exoplaneten die Spuren von Leben, zum Beispiel Sauerstoff in der Atmosphäre, nachweisen zu können.

f_i Anteil an Planeten mit intelligentem Leben:
Wenn sich auf einem Planeten Leben entwickelt, so muss es sich nicht zu intelligentem Leben entwickeln. Auch für diesen Faktor gibt es keine wissenschaftlich belegbaren Zahlen. Es kann nur unser Sonnensystem als Beispiel herangezogen werden. Hier stellt sich auch die Frage, wie Intelligenz definiert ist.

f_c Anteil an Planeten mit Interesse an interstellarer Kommunikation:
Wie viele der intelligenten Zivilisationen haben Interesse an Kommunikation mit anderen Individuen? Denn nur wenn sie Interesse an Kommunikation haben, besteht für uns die Möglichkeit, sie zu finden. Man geht davon aus, dass extraterrestrische intelligente Wesen auch auf die Suche nach Leben gehen.

L Lebensdauer einer technischen Zivilisation in Jahren:
Als technische Zivilisation bezeichnet man eine Zivilisation, die in der Lage ist ein Radiosignal aus dem Weltraum zu empfangen und ein Signal in den Weltraum zu senden. Leben auf Planeten ist durch externe und interne Faktoren bedroht. Eine komplette Zerstörung kann durch Ereignisse ausgelöst werden, die in der Erdgeschichte schon mehrmals zu Massenaussterben geführt haben. Dazu zählen drastische Klimaveränderungen z. B. durch massive Vulkanausbrüche und Einschläge von Kometen oder Kleinplaneten. Denkbar wäre auch die Selbstzerstörung einer technischen Zivilisation und die Zerstörung einer technischen intelligenten Zivilisation durch eine andere Spezies wie z. B. ein Virus.

Da die Lebensdauer von Sternen begrenzt ist, ist auch die Lebensdauer einer Zivilisation im jeweiligen Sonnensystem begrenzt. Zivilisationen außerhalb von Sonnensystemen müssten auf ausreichende sonnenunabhängige Energiequellen umgestiegen sein; Perpetua mobilia sind jedoch nach den Gesetzen der Thermodynamik unmöglich.

Unsicherheiten

Bestimmend für die Aussagekraft der Drake-Gleichung sind die Unsicherheiten der einzelnen Faktoren. Besonders zu den letzten vier Faktoren gibt es bestenfalls sehr weit streuende Vermutungen über den korrekten Wert. Dadurch wird die aus dem Produkt unsicherer Faktoren abgeschätzte Gesamtzahl intelligenter Zivilisationen extrem ungenau.

Die Drake-Gleichung bezieht sich nur auf unsere Galaxie, die Milchstraße, die eine Balkenspiralgalaxie ist. Diesem Balkenspiraltyp entsprechen nach heutigen Kenntnissen etwa 2/3 der im Universum befindlichen Galaxien. Unter der Voraussetzung, dass das heute beobachtbare Universum ca. 50-100 Milliarden Galaxien ähnlichen Typs beherbergt, müsste der Wert aus der Drake-Gleichung für das gesamte Universum mit einem entsprechenden Faktor multipliziert werden. Damit erhöht sich zwar die abgeschätzte Gesamtzahl möglicher Zivilisationen ganz erheblich, bleibt jedoch aufgrund bislang unzureichender Daten aus anderen Galaxien immer noch extrem ungenau. ^[10]Die ermittelten Schätzwerte basieren zudem auf der Hochrechnung von lediglich vermuteten Ähnlichkeiten der Ausgangsdaten in allen Galaxien.

Die Drake-Gleichung bezieht sich explizit nicht nur auf die theoretisch mögliche Anzahl von Zivilisationen, sondern auf die praktische Möglichkeit von Kontakten. ^[11]. Da schon die nächste weitere Galaxie, der Andromeda-Nebel 2,5 Millionen Lichtjahre entfernt ist, kommt diese und alle weiteren für praktische Kontaktaufnahme nicht in Betracht.

Kritik und Diskussion

Der Biologe Ernst Mayr hat unter anderem darauf hingewiesen, dass unter den circa 50 Milliarden Arten, die die Erde hervorgebracht hat, lediglich eine Intelligenz entwickelt hat. Für eine genaue Diskussion sei auf ^[12] verwiesen.

Obwohl Stephen Hawking äußerte, nach eigenen Angaben sicher zu sein, dass außerirdisches Leben existiere, warnt er vor aktiven Kontaktversuchen. Seiner Meinung nach könnten Interessenskonflikte mit den "Außerirdischen" für die Menschheit unvorhersehbare Risiken bedeuten. ^[13]

1983 schlug David Brin eine erweiterte Drake-Gleichung vor.^[14][15]

Modelle

Auf der oben genannten Green-Bank-Konferenz wurden für die Drake-Gleichung drei Modelle dargestellt.

1. Gemäßigtes Modell: Eine Zivilisation in unserer Milchstraße.
2. Optimistisches Modell: 100 Zivilisationen in unserer Milchstraße, 5000 Lichtjahre mittlerer Abstand zweier sendender Zivilisationen.
3. Enthusiastisches Modell: 4.000.000 Zivilisationen in unserer Milchstraße, 150 Lichtjahre mittlerer Abstand zweier sendender Zivilisationen.

Carl Sagan, Astronom, Astrophysiker, Exobiologe und Sachbuchautor, kommt auf 10 Zivilisationen.^[16]

Wenngleich diese Angaben angesichts der geschilderten enormen Unsicherheiten nicht widerlegt werden können, gehen verschiedene spätere Quellen von wesentlich kleineren Werten für das zweite und dritte Modell aus. Zum einen wird die Ökosphäre deutlich enger, wenn man hier schon die prinzipielle Möglichkeit komplexeren Lebens einbezieht. Zum anderen setzen die obigen Modelle voraus, dass mit großer Wahrscheinlichkeit irgendwann Leben entsteht, wenn über einen langen Zeitraum die Bedingungen hierfür günstig sind.

Siehe auch

• Fermi-Paradoxon
• Fermi-Problem
• Wow!-Signal
• Arecibo-Botschaft
• Kardaschow-Skala

Literatur

• Frank Drake, Dava Sobel: Is Anyone Out There? The Scientific Search for Extraterrestrial Intelligence, Delacorte Pr., New York 1992, ISBN 0-385-30532-X
• Robert T. Rood, James S. Trefil: Are We Alone? The Possibility of Extraterrestrial Civilizations, Scribner, New York 1981, ISBN 0-684-16826-X
• Amir D. Aczel: Probability 1. Warum es intelligentes Leben im All geben muss, rororo Sachbuch. Rowohlt Taschenbuch Verlag, Reinbek 2001. ISBN 3-499-60931-2

Videos

• Carl Sagan - Cosmos - Drake Equation (engl. Video mit Erläuterungen von Carl Sagan zur Drake-Gleichung)
• Sind wir allein im Universum? aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri
• Sind wir allein im Universum? Teil II aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri

Einzelnachweise

1. ↑ Sebastian von Hoerner: Sind wir allein? - SETI und das Leben im All. Beck, München 2003, ISBN 3-406-49431-5, S.151-152
2. ↑ Michael A.G. Michaud: Contact with Alien Civilizations - Our Hopes and Fears about Encountering Extraterrestrials. Copernicus Books, New York 2007, ISBN 0-387-28598-9, S. 55 - 57.
3. ↑ Drake Equation daviddarling.info (abgerufen am 22. Januar 2010)
4. ↑ Mark J. Burchell: W(h)ither the Drake equation?. International Journal of Astrobiology, vol. 5, Issue 3, S.243-250, September 2006, DOI: 10.1017/S1473550406003107
5. ↑ Lammer et al.: What makes a planet habitable?. In: The Astronomy and Astrophysics Review. 17, 2009, S. 181-249.
6. ↑ Williams & James F. Kasting: Habitable Planets with High Obliquities. In: Icarus. 129, 1997, S. 254-267.
7. ↑ Frank White: The Seti Factor – How the Search for Extraterrestrial Intelligence Is Changing Our View of the Universe and Ourselves. Walker & Company, New York 1990, ISBN 978-0-8027-1105-2. S.77: N= "Number of Extraterrestrial Civilizations Able and Willing to Communicate".
8. ↑ The Drake Equation Revisited: Part I. Astrobiology Magazine, abgerufen am 29. September 2003. 
9. ↑ http://exoplanet.eu/catalog-all.php, abgerufen am 23. Juni 2010
10. ↑ Zsolt Hetesi: Energy use, entropy and extra-terrestrial civilizations. Journal of Physics, Vol.218, Issue 1, S.012016, 03/2010, doi: 10.1088/1742-6596/218/1/012016, Abstract@NASA ADS
11. ↑ Frank White: The Seti Factor – How the Search for Extraterrestrial Intelligence Is Changing Our View of the Universe and Ourselves. Walker & Company, New York 1990, ISBN 978-0-8027-1105-2. S.77: N= "Number of Extraterrestrial Civilizations Able and Willing to Communicate".
12. ↑ http://www.planetary.org/explore/topics/search_for_life/seti/seti_debate.html
13. ↑ http://www.spiegel.de/wissenschaft/weltall/0,1518,691115,00.html Spiegel
14. ↑ Brian MacConnell: Beyond contact - a guide to SETI and communicating with Alien civilizations. O'Reilly, Beijing 2001, ISBN 0-596-00037-5, Brin's equation S.68ff. @google books
15. ↑ G.D. Brin: The Great Silence - the Controversy Concerning Extraterrestrial Intelligent Life@NASA ADS, abgerufen am 24. Dezember 2010
16. ↑ http://www.youtube.com/watch?v=MlikCebQSlY Carl Sagan - Cosmos - Drake Equation