Hjulpet af kunst får teori om livets ekstra-soloprindelse boost

Bifurcating Patterns af Edward Belbruno, rumkunst

Bifurcating Mønstreaf Edward Belbruno (2010, olie på lærred, 36 x 48 tommer). (Billedkredit: Edward Belbruno)



Edward Belbruno er matematiker og kunstner. Hans malerier er i store samlinger og udstillet i hele USA, og han konsulterer regelmæssigt med NASA fra sin stilling som kosmologisk forsker ved Princeton University. Han er også forfatter til ' Flyv mig til månen '(Princeton University Press, 2007). Belbruno bidrog med denne artikel tildemokratija.eu's ekspertstemmer: Op-Ed & Insights.



Et af de største spørgsmål inden for videnskaben er, 'Hvordan opstod livet først på Jorden?' Der er mange teorier, men i det sidste årti har jeg været særligt inspireret af en: lithopanspermi -hypotesen.

Litho, fra den græske lithos, for sten og panspermia fra græsk for 'alle frø', antyder hypotesen, at livet begyndte på Jorden for mere end 4 milliarder år siden, da planeten var under konstant bombardement fra det stenrige affald i det tidlige solsystem . Men det var ikke bare nogen klipper: De indeholdt biogent materiale, de organiske molekyler, der er nødvendige for at danne livets byggesten. [Sødt! Deep-Space-sukker kan afsløre spor om livets oprindelse]



Hypotesen antyder, at sten, der sår Jordeliv, kom fra planetsystemer uden for vores egne, planeter, der kredsede om de unge soler, der delte rummet med vores egne i en nu spredt 'fødselsklynge' med tusinder af stjerner. Forskning foretaget af F. Adams og G. Laughlin i 2001 indebærer, at stjernerne i sådanne klynger danner et løst bundet aggregat, hvor hvert solsystem bevæger sig relativt langsomt i forhold til sine naboer (ca. 1 kilometer i sekundet). Klipper - eller mere præcist, planetesimaler - kan blive løsrevet af kollisioner og andre begivenheder og flygte ud af et givet planetsystem for at drive inden i rummet mellem klyngens stjerner og til sidst blive fanget af en anden stjerne i klyngen. Når det var inde i sit nye solsystem, ville planetesimal blive trukket ind i en af ​​de kredsløbende planeter og styrte ned og frigive dets indhold - inklusive ethvert biogent materiale. Hvis det skete på den tidlige jord, måske i noget varmt vand i en oprindelig sø eller hav, kan de spredte molekyler til sidst have ført til dannelsen af ​​vores planets liv.

Elektriske ergodiske bevægelser af Edward Belbruno (2010, olie på lærred, 30x40 tommer).

Elektriske ergodiske bevægelseraf Edward Belbruno (2010, olie på lærred, 30x40 tommer).(Billedkredit: Edward Belbruno)

Transportproblemet



Jeg blev introduceret til lithopanspermi hypotesen i 2004 af Princeton University astrofysiker David Spergel og blev straks fascineret. Der er imidlertid to huller i hypotesen. Den første spørger, hvordan der kunne komme liv fra det biogene materiale, et emne, jeg efterlod andre at tage fat på - for at det problem skulle eksistere, skal klipperne først ankomme til Jorden. Det er det andet hul i hypotesen: transportproblemet.

Hvad er den dynamiske mekanisme, der gør det muligt at kaste en sten ud af et planetsystem og blive fanget af en anden stjerne og i sidste ende en af ​​dens planeter? Tidligere arbejde af H. Jay Melosh foreslået, at der er en næsten nul sandsynlighed for gravitationsopsamling af en sten fra et stjernesystem af et andet inden for en delt fødselsklynge. Da sandsynligheden for at en stjerne erobret ville være nær nul, ville sandsynligheden for at styrte på en planet også være ekstremt lille. Forskerne opnåede dette resultat, fordi de antog en høj udstødningshastighed fra klippens oprindelige planetsystem: cirka 8 kilometer i sekundet. Ved sådanne høje hastigheder ville en sten bare hurtigt flyve af alle nærliggende stjerner og rejse alt for hurtigt til at blive fanget.

Det forekom mig imidlertid klart for mig og også for Spergel, at hvis udstødningshastigheden var meget langsommere, kan fangst på en anden stjerne muligvis være mulig. Fra mit tidligere arbejde med en sådan proces, kaldet ballistisk indfangning,slav udslyngning fører til langsom optagelse. Ballistisk indfangning er en type fangst, hvor et objekt bliver gravitationsmæssigt bundet til en stjerne og går i kredsløb om det, hvilket udføres rent af stjernernes tyngdekraftsattraktion og ingen andre kræfter. Jeg studerede ballistisk indfangning til brug med månens rumfartøjer, hvor fartøjet trækkes ind i månens kredsløb uden at bruge noget brændstof - håndværket er kun afhængigt af dets bestemmelses tyngdekraft.



Så da jeg studerede litopanspermi for et årti siden, virkede det klart, at måden at løse transportproblemet på var at finde ballistiske fangstbaner fra en klippes oprindelsesstjerne til dens destination - Jordens sol.

Hjælpet af kunst

For at hjælpe med at forstå, hvordan man griber problemet an, vendte jeg mig til kunst. Jeg maler i den abstrakte ekspressionistiske stil, hvor penselstrøgene ikke bevidst påføres, men derimod udføres på en ubevidst måde. Det ubevidste sind har adgang til meget mere information end det bevidste sind: Hvis du kan få adgang til det, så kan du trække indsigt, der ellers ikke er muligt. [Den kosmiske kunst af Edward Belbruno (galleri)]

I mit månefartøjs arbejde med ballistisk indfangning fandt mit bevidstløse sind faktisk inden for penselstrøg den nødvendige bane til månen. I litopanspermiproblemet søges der ruter mellem stjerner. Så i 2010 lavede jeg en række malerier om det problem. Det var ikke meningen, at de skulle finde en bestemt rute, men derimod at hjælpe mig med at visualisere og organisere mine tanker. Dette gav mig en mere intuitiv følelse af det problem, jeg ikke kunne have fået på anden måde. Malerierne viste alle forbindelser mellem stjernelignende objekter, da ballistiske fangstbaner kan forekomme, hvis de forestilles fysisk på en abstrakt måde.

Diophantine Flow af Edward Belbruno (2010, olie på lærred, 36 x 60 tommer).

Diophantine Flowaf Edward Belbruno (2010, olie på lærred, 36 x 60 tommer).(Billedkredit: Edward Belbruno)

At komme frem til en løsning

Fra malerierne indså jeg, at ballistiske fangstbaner mellem stjernerne var ret direkte og ikke udførte usædvanlig dynamik. Malerierne viste også, at de forekom mellem stjerner temmelig tæt på hinanden. Dette fortalte mig, at det var ganske sandsynligt, hvilket gav håb om at finde dem.

Efter otte års arbejde med Amaya Moro-Martin fra Space Telescope Science Institute, Renu Malhotra fra University of Arizona og Dmitry Savransky fra det amerikanske Department of Energy's Los Alamos National Laboratories, havde vi revnet problemet. Vi viste, at med ballistisk indfangning var sandsynligheden for, at en stjerne fanger en sten fra en anden i en fødselsklynge ikke nær nul - faktisk forbedrede vi sandsynligheden med mange størrelsesordener.

hvis du

Hvis du er en aktuel ekspert-forsker, virksomhedsleder, forfatter eller innovatør-og gerne vil bidrage med et op-ed-stykke, mail os her .(Billedkredit: demokratija.eu)

Hvis klippens flugthastighed ikke er 8 kilometer i sekundet, men 50 meter i sekundet - som det ville forekomme naturligt, hvis for eksempel en komet fra Oort -skyen ville løsne sig og falde indad mod Solen, der fløj af Jupiter. Jupiters tyngdekraft ville smide den tilbage, men med bare lidt mere hastighed til at flyve ud over Oort -skyen. Det ville derefter undslippe med lidt ekstra hastighed i størrelsesordenen 50 meter i sekundet - så lækker klippen bare langsomt væk fra nærheden af ​​sin forældre stjerne og snor sig kaotisk inden for den åbne stjerneklynge. Stenen bevæger sig så langsomt, at hvis den passerer inden for en stjernes tyngdekraft, kan den let fanges. [ Fantastiske kometbilleder fra 2013 af Stargazers ]

Vi simulerede millioner af sådanne baner, og det er præcis, hvad der skete. Vores resultater indebærer, at sandsynligheden for, at en sten i sidste ende styrter ned på en jordlignende planet efter indfangning af dens sol, bliver næsten en sikkerhed, da vi har beregnet antallet af sten trukket ind i det solsystem til at være i størrelsesordenen 10.000.000.000.000.000.

Det kan sammenlignes med sandsynligheden for, at en enkelt sten kommer ind i et sådant model solsystem i forskningen fra Melosh. Fra det enorme antal sten, vi vurderer at komme ind i et solsystem, tror vi, at cirka 10.000.000.000 af dem ville styrte ned på en jordlignende planet.

Vi udgav fund i 2012 i tidsskriftet 'Astrobiology', og værket optrådte i sidste ende i 'Time Magazine', med en omtalenavn, i oktober samme år.

Vores resultater er i overensstemmelse med de geologiske beviser for livets fremkomst. Mange millioner år går mellem det tidspunkt, hvor en sten kastes ud fra en stjerne, og dens eventuelle fangst af en anden. Men den tid er mindre end nødvendig for en åben stjerneklynge naturligt at sprede sig til et punkt, hvor overførsel af sten ikke længere er mulig.

De samme tidsskalaer passer ind i hypotesen om, hvornår vand dannedes på Jorden, så det er sandsynligt, at planetens overflade var et godt miljø for ethvert biogenisk materiale til at danne mere komplekse molekyler. Og geologiske beviser viser, at bakterielivet opstod ikke alt for længe efter den periode: for cirka 3,85 milliarder år siden.

Bemærk:Mød Belbruno den 22. oktober i New York kl demokratija.eu galleri, der viser fremhævelse af hans arbejde. Belbrunos kunst fås udelukkende i demokratija.eu butik .

Følg alle Expert Voices -spørgsmål og debatter - og bliv en del af diskussionen - videre Facebook , Twitter og Google+ . De udtrykte synspunkter er forfatterens og afspejler ikke nødvendigvis udgiverens synspunkter. Denne version af artiklen blev oprindeligt offentliggjort den Levende videnskab.