Seberapa awal kehidupan yang bisa muncul di alam semesta?

Para ilmuwan saat ini cukup yakin tentang berapa lama alam semesta kita telah ada: sudah 13,8 miliar tahun, memberi atau membutuhkan waktu 59 juta tahun, sejak Cosmos meledak melalui Big Bang. Tapi mereka jauh lebih tidak yakin tentang pertanyaan terkait: Kapan kehidupan bisa muncul pertama kali, di suatu tempat di luar sana? Tata surya kami membentuk hanya 4,6 miliar tahun yang lalu, setelah dua pertiga dari waktu kosmik telah berlalu, dan kehidupan tampaknya terjadi di sini hampir segera setelah Bumi mendingin dari kelahirannya yang menyala -nyala ke samudera air cair.

Mungkinkah kita menjadi pendatang awal di alam semesta – atau bahkan yang pertama? Atau apakah kita malah terlambat ke pesta, dengan kehidupan bermunculan jauh lebih cepat dalam sejarah alam semesta? Menentukan waktu prasyarat penting seumur hidup karena kita tahu itu akan sangat membantu di sini: yaitu, kapan air itu sendiri pertama kali terbentuk, dan kapan bisa menemukan planet yang bagus untuk tenang dengan suatu tempat?

Garis pemikiran inilah yang menginspirasi makalah baru, yang diterbitkan dalam jurnal Astronomi Alam, Itu melihat seberapa banyak air mungkin telah diseduh oleh beberapa bintang pertama-dan menemukan bahwa mereka bisa memperkaya alam semesta dengan molekul yang menopang kehidupan secara mengejutkan sejak dini. Studi preprint tindak lanjut oleh grup yang mencakup penulis yang sama, dikirimkan untuk publikasi dalam jurnal Sains, menunjukkan bahwa planet berbatu yang berpotensi menampung laut dapat bersatu dari bahan yang kaya air ini tidak lama kemudian.

Tentang mendukung jurnalisme sains

Jika Anda menikmati artikel ini, pertimbangkan untuk mendukung jurnalisme pemenang penghargaan kami berlangganan. Dengan membeli langganan, Anda membantu memastikan masa depan cerita -cerita yang berdampak tentang penemuan dan ide -ide yang membentuk dunia kita saat ini.

“Apa yang ditunjukkan simulasi kami adalah bahwa Anda bisa mendapatkan situs untuk pembentukan planet yang sudah diperkaya dengan level air yang mirip dengan (mereka yang ada di tata surya saat ini hanya 200 juta tahun setelah Big Bang,” kata Daniel Whalen, seorang astrofisikis di Universitas Portsmouth di Inggris dan penulis utama kedua studi tersebut.

Untuk memahami implikasinya, bayangkan, sejenak, bahwa sejarah alam semesta 13,8 miliar tahun dikompresi menjadi umur manusia 70 tahun. Whalen dan hasil rekan-rekannya menunjukkan bahwa kondisi yang layak huni bisa ada ketika makhluk kosmik yang sekarang sudah lebih berumur satu tahun. Jendela peluang di mana kehidupan dapat terbentuk dan berkembang mungkin jauh lebih luas dan lebih tua dari apa yang dipertimbangkan oleh para peneliti: dunia hidup dengan lautan kuno yang mengejutkan yang terbentuk dalam beberapa ratus juta tahun sejak awal waktu itu sendiri dapat tersebar di seluruh kosmos.

Resep kosmik hidup

Sampai saat ini, air yang paling awal diketahui di alam semesta terdeteksi oleh Atacama Milimeter Besar/Submillimeter Array (Alma) di Chili, yang memata -matai tanda -tanda spektral dari H yang akrab H₂O Di galaksi yang terletak sekitar 12,88 miliar tahun cahaya dari Bumi-dan dengan demikian sejak saat alam semesta baru berusia di bawah satu miliar tahun.

Tetapi kita tahu bahwa, pada awalnya, alam semesta adalah gurun kosmik, dengan tidak setetes untuk minum. Itu berubah sekitar 100 juta tahun setelah Big Bang sebagai bintang pertama di alam semesta berkedip -kedip. Gumpalan padat hidrogen primordial dan helium yang tersisa dari ledakan besar runtuh di bawah berat gravitasi mereka sendiri, menyalakan reaksi rantai termonuklir di inti mereka yang akan menerangi alam semesta untuk pertama kalinya. Di dalam tungku nuklir raksasa dan cerah ini, sejumlah besar elemen pertama lebih berat daripada hidrogen dan helium ditempa.

Hidup cepat dan sekarat muda, bintang -bintang pertama menyemai lingkungan mereka dengan unsur -unsur seperti oksigen, karbon dan silikon melalui kematian mereka yang sangat keras sebagai supernova. Generasi bintang dan planet berikutnya yang terbentuk dari abu bintang subur ini, dan oksigen bersumber supernova mungkin dapat digabungkan dengan hidrogen primordial yang berlimpah untuk membuat air.

“Selama 100 juta tahun, alam semesta tidak memiliki blok pembangunan kehidupan, seperti oksigen atau karbon. Setelah fusi nuklir dimulai di interior bintang, alam semesta menjadi jauh lebih menarik, ”kata Avi Loeb, seorang astrofisika di Universitas Harvard.

Jadi dalam beberapa hal, kedatangan awal bahan -bahan utama kehidupan – air dan elemen yang lebih berat yang mampu membentuk molekul kompleks – tidak begitu mencengangkan. Tetapi secara spesifik bagaimana bahan baku ini bisa benar -benar berkumpul untuk mengatur panggung seumur hidup tetap suram.

Menerobos bottleneck

Meskipun kelimpahan awal seperti itu, membuat air saat itu tidak selalu mudah. Masalahnya adalah bahwa meskipun bintang -bintang pertama membuat banyak oksigen, itu akan tersebar di area yang luas ketika dimuntahkan ke luar angkasa melalui supernova.

Akibatnya, relatif terhadap konsentrasi unsur -unsur lain dari oksigen masih akan rendah, berpotensi pembentukan air yang siap. Dan setiap molekul air yang memang terbentuk masih akan dengan mudah diledakkan kembali ke atom oleh radiasi ultraviolet (UV) intens yang dipancarkan oleh bintang -bintang di alam semesta awal, yang lebih kecil dan lebih ramai daripada sekarang.

Tetapi pada tahun 2015 Loeb, bersama Shmuel Bialy, sekarang di Technion-Israel Institute of Technology, dan Amiel Sternberg dari Tel Aviv University, memperkirakan bahwa, terlepas dari hambatan ini, kondisi yang masuk akal dapat memiliki pembentukan air yang dimulai. Semua yang dibutuhkan hanyalah untuk suhu antara 250 dan 350 Kelvins (–23 dan 77 derajat Celcius) untuk menang dalam beberapa awan gas yang meliputi alam semesta awal.

“Pada suhu gas tinggi, satu set reaksi kimia yang sangat efisien yang menyebabkan pembentukan air masuk,” kata Bialy. “Ini meningkatkan h₂O Laju pembentukan begitu banyak sehingga dapat melawan kelimpahan oksigen rendah dan radiasi UV yang merusak. “

Simulasi baru oleh Whalen dan rekan -rekannya memberikan bobot tambahan untuk prediksi sebelumnya.

Untuk itu Astronomi Alam belajar, Tim membangun model numerik untuk ledakan supernova dari dua bintang generasi pertama-satu 13 kali lebih berat dari matahari, dan yang lainnya 200 kali lebih berat dari bintang kami. Bintang simulasi yang lebih kecil bertahan sekitar 12 juta tahun sebelum meninggal sebagai supernova, mengeluarkan 17.000 massa oksigen bumi ke dalam media antarbintang di sekitarnya. Bintang yang lebih besar hanya bertahan selama dua setengah juta tahun sebelum mengalami kematiannya sendiri, menghasilkan 55 massa matahari (lebih dari 18 juta massa bumi) oksigen.

Apa yang terjadi selanjutnya mengejutkan: karena gelombang kejut dari masing -masing supernova virtual berasal dari luar, riak menciptakan variasi kepadatan dalam gas di sekitarnya, menyebabkan beberapa gas memadat menjadi rumpun. Dari sana, rumpun padat ini ditaburi oksigen dan elemen generasi berikutnya oleh ledakan supernova yang meluas di depan ejecta. Konsisten dengan prediksi Loeb, Sternberg dan Bialy, gas yang lebih padat membiarkan gumpalan menampung lebih banyak panas termal yang memungkinkan reaksi kimia yang menghasilkan air lebih cepat.

“Sementara total produksi air dalam ledakan supernova yang diberikan adalah sederhana, fraksi massa air dalam rumpun padat yang dibuat oleh ledakan dapat mendekati mereka yang ada di tata surya saat ini,” kata Whalen. “Itulah hasil yang tidak kami harapkan, dan itu penting karena gumpalan padat itu adalah satu -satunya struktur yang dapat runtuh untuk membentuk bintang dan disk protoplanet di puing -puing ledakan.”

Whalen memperingatkan bahwa simulasi kelompoknya hanya menawarkan jawaban sementara saat ini. “Kami tidak memiliki semua fisika,” katanya. “Kami tidak yakin apa massa bintang -bintang pertama, tetapi umumnya diyakini bahwa mereka adalah lusinan ratusan massa matahari.” Simulasi juga hanya memodelkan pembentukan satu bintang pada satu waktu, ketika konsensus menyatakan bahwa alam semesta awal cukup sesak, dengan banyak bintang terbentuk dalam jarak dekat. Persis bagaimana hal ini dapat mempengaruhi produksi air tidak jelas.

Tambahkan saja air

Tapi mari kita asumsikan, untuk saat ini, bahwa spekulasi teoretis dan model komputasi ini mencerminkan kenyataan. Jika air begitu berlimpah di daerah-daerah di alam semesta awal di mana bintang generasi kedua kemudian dapat terbentuk, dapatkah planet seperti bumi muncul dari kabut kosmik ini?

Itu pada dasarnya pertanyaan yang diajukan Whalen dan rekan penulisnya dalam penelitian Sains. Sejumlah simulasi kedua menguji apakah gumpalan gas yang diperkaya air dari yang pertama bisa runtuh menjadi bintang bermassa rendah dengan disk protoplanet yang bisa memunculkan dunia basah yang berbatu. Dan jawabannya, singkatnya, adalah bahwa mereka bisa.

Dalam simulasi tindak lanjut ini, sebuah bintang kecil, sekitar tiga perempat massa matahari, dilahirkan dari gas padat dengan planetesimal-prekursor skala kilometer ke planet-planet terestrial-di belakangnya. Terlepas dari pembentukan potensial yang begitu awal dalam sejarah kosmik, bintang ukuran ini mungkin belum membakar sebagian besar bahan bakar termonuklear, yang berarti bahwa, bahkan sekarang, begitu banyak miliaran tahun kemudian, itu masih akan bersinar. Dan itu berarti planet-planet tuan rumah samudera primordial yang mungkin masih bisa ada di luar sana, menunggu kita untuk menemukan dan mempelajarinya.

Itu bukan untuk mengatakan bahwa hidup tentu akan memiliki awal yang mudah di dunia seperti itu. Tabrakan bencana dengan protoplanet, asteroid dan komet dianggap umum selama pembentukan planet dan untuk puluhan berikutnya hingga ratusan juta tahun sesudahnya. Hidup, jika pernah muncul di salah satu dunia ini, masih harus menanggung pemboman itu – atau menunggu akhirnya.

Mengekstrapolasi dari sejarah Bumi, di mana kehidupan mungkin telah dimulai hanya beberapa ratus juta tahun ke dalam keberadaan planet kita, kronologi kosmik perkiraan muncul: 100 juta tahun bagi bintang-bintang pertama yang dilahirkan, 10 juta bagi bintang-bintang untuk hidup, mati dan menyebarkan unsur-unsur yang lebih berat, 100 juta lainnya untuk generasi kedua dari bintang-bintang bermassa rendah untuk membentuk dan 100 juta lainnya untuk dunia yang lebih berat untuk menjangkau di permukaan kandang. Kondisi permukaan kandang yang menjangkau. Garis waktu ini menyiratkan kehidupan bisa dimulai hampir 300 juta tahun setelah Big Bang, mungkin bahkan sebelum galaksi pertama yang dapat dikenali terbentuk.

Salah satu paus enigma masih bertanya -tanya adalah asal air di lautan bumi. “Seseorang bertanya kepada saya apakah mungkin beberapa air primordial ini ada di sini hari ini – dan kami harus mengatakan: kami tidak dapat mengesampingkannya,” katanya. “Beberapa air di Bumi lebih tua dari tata surya itu sendiri, tetapi kita tidak tahu persis berapa umur air itu; Mungkin saja beberapa di antaranya primordial. ”

Itu adalah sesuatu untuk direnungkan saat Anda mengangkat gelas: beberapa dari molekul-molekul yang hauslah di cangkir Anda mungkin telah membentuk lebih dari 13 miliar tahun yang lalu di gelombang kejut yang berkembang dari salah satu bintang pertama alam semesta.