Drake-Gleichung

Dr. Frank Drake ⓘ

Die Drake-Gleichung ist ein probabilistisches Argument zur Schätzung der Anzahl aktiver, kommunikativer außerirdischer Zivilisationen in der Milchstraßen galaxie. ⓘ

Die Gleichung wurde 1961 von Frank Drake formuliert, nicht um die Anzahl der Zivilisationen zu quantifizieren, sondern um den wissenschaftlichen Dialog auf der ersten wissenschaftlichen Tagung über die Suche nach außerirdischer Intelligenz (SETI) anzuregen. Die Gleichung fasst die wichtigsten Konzepte zusammen, die Wissenschaftler in Betracht ziehen müssen, wenn sie sich mit der Frage nach anderem, über Funk kommunizierendem Leben auseinandersetzen. Sie ist eher als Näherung zu verstehen denn als ernsthafter Versuch, eine genaue Zahl zu ermitteln. ⓘ

Die Kritik an der Drake-Gleichung konzentriert sich nicht auf die Gleichung selbst, sondern auf die Tatsache, dass die geschätzten Werte für mehrere ihrer Faktoren in hohem Maße auf Vermutungen beruhen, was dazu führt, dass die mit jedem abgeleiteten Wert verbundene Unsicherheit so groß ist, dass die Gleichung nicht für eindeutige Schlussfolgerungen verwendet werden kann. ⓘ

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. Die Formel wird häufig bei Überlegungen in Bezug auf die Suche nach extraterrestrischem Leben herangezogen. Es handelt sich bei der Gleichung um ein Produkt, von dem die meisten Faktoren unbekannt sind. Waren Drakes ursprüngliche Berechnungen sehr optimistisch, was die Möglichkeit von außerirdischem Leben angeht, so kommen jüngste Lösungen einer Abwandlung der Gleichung unter Einbeziehung von Wahrscheinlichkeitsverteilungen von Sandberg, Drexler und Ord (2018) zu ernüchternden Ergebnissen und legen eine nur geringe Wahrscheinlichkeit von außerirdischem Leben innerhalb und außerhalb der Milchstraße nahe. ⓘ

Gleichung

Die Drake-Gleichung lautet:

N=R_{*}\cdot f_{\mathrm {p} }\cdot n_{\mathrm {e} }\cdot f_{\mathrm {l} }\cdot f_{\mathrm {i} }\cdot f_{\mathrm {c} }\cdot L

ⓘ

wobei ⓘ

N

= die Anzahl der Zivilisationen in unserer Galaxie, mit denen eine Kommunikation möglich sein könnte (d. h. die sich auf unserem gegenwärtigen, vergangenen Lichtkegel befinden); ⓘ

und ⓘ

R *

= die durchschnittliche Rate der Sternentstehung in unserer Galaxie

f p

= der Anteil dieser Sterne, die Planeten haben

ne = die durchschnittliche Anzahl von Planeten, die potenziell Leben beherbergen können, pro Stern, der Planeten hat

f l

= der Anteil der Planeten, die Leben beherbergen könnten und tatsächlich irgendwann Leben entwickeln

fi

= der Anteil der Planeten mit Leben, auf denen sich tatsächlich intelligentes Leben (Zivilisationen) entwickelt

f c

= der Anteil der Zivilisationen, die eine Technologie entwickeln, die nachweisbare Zeichen ihrer Existenz in den Weltraum aussendet

L

= die Zeitspanne, in der solche Zivilisationen nachweisbare Signale in den Weltraum aussenden ⓘ

Geschichte

Im September 1959 veröffentlichten die Physiker Giuseppe Cocconi und Philip Morrison in der Zeitschrift Nature einen Artikel mit dem provokanten Titel "Searching for Interstellar Communications". Cocconi und Morrison argumentierten, dass Radioteleskope inzwischen empfindlich genug seien, um Übertragungen aufzufangen, die von Zivilisationen, die andere Sterne umkreisen, ins All gesendet werden könnten. Solche Nachrichten, so schlugen sie vor, könnten bei einer Wellenlänge von 21 cm (1.420,4 MHz) gesendet werden. Dies ist die Wellenlänge der Radioemission von neutralem Wasserstoff, dem häufigsten Element im Universum, und sie schlussfolgerten, dass andere Intelligenzen dies als einen logischen Orientierungspunkt im Radiospektrum ansehen könnten. ⓘ

Zwei Monate später spekulierte der Astronomieprofessor Harlow Shapley von der Harvard University über die Anzahl der bewohnten Planeten im Universum und sagte: "Das Universum hat 10 Millionen, Millionen, Millionen Sonnen (10 gefolgt von 18 Nullen), die unserer Sonne ähnlich sind. Eine von einer Million hat Planeten um sich herum. Nur einer von einer Million hat die richtige Kombination von Chemikalien, Temperatur, Wasser, Tagen und Nächten, um planetarisches Leben, wie wir es kennen, zu unterstützen. Diese Berechnung führt zu der geschätzten Zahl von 100 Millionen Welten, auf denen Leben durch Evolution entstanden ist". ⓘ

Sieben Monate, nachdem Cocconi und Morrison ihren Artikel veröffentlicht hatten, unternahm Drake die erste systematische Suche nach Signalen von kommunikativen außerirdischen Zivilisationen. Mit der 26-m-Schüssel des National Radio Astronomy Observatory, Green Bank in Green Bank, West Virginia, überwachte Drake zwei nahe gelegene sonnenähnliche Sterne: Epsilon Eridani und Tau Ceti. Bei diesem Projekt, das er Projekt Ozma nannte, tastete er von April bis Juli 1960 sechs Stunden pro Tag langsam Frequenzen in der Nähe der 21-cm-Wellenlänge ab. Das Projekt war gut konzipiert, kostengünstig und nach heutigen Maßstäben einfach. Es entdeckte keine Signale. ⓘ

Bald darauf veranstaltete Drake ein Treffen zum Thema "Suche nach außerirdischer Intelligenz", bei dem es um die Entdeckung ihrer Funksignale ging. Das Treffen fand 1961 in der Einrichtung in Green Bank statt. Die Gleichung, die Drakes Namen trägt, ist aus seinen Vorbereitungen für das Treffen hervorgegangen. ⓘ

Als ich das Treffen plante, wurde mir ein paar Tage vorher klar, dass wir eine Tagesordnung brauchten. Also schrieb ich all die Dinge auf, die man wissen muss, um vorherzusagen, wie schwierig es sein wird, außerirdisches Leben zu entdecken. Und als ich sie mir ansah, wurde mir klar, dass man, wenn man all diese Dinge miteinander multipliziert, eine Zahl erhält, N, die die Anzahl der nachweisbaren Zivilisationen in unserer Galaxie angibt. Dies war für die Radiosuche gedacht und nicht für die Suche nach primordialen oder primitiven Lebensformen.
-Frank Drake ⓘ

Die zehn Teilnehmer waren der Organisator der Konferenz, J. Peter Pearman, Frank Drake, Philip Morrison, der Geschäftsmann und Funkamateur Dana Atchley, der Chemiker Melvin Calvin, der Astronom Su-Shu Huang, der Neurowissenschaftler John C. Lilly, der Erfinder Barney Oliver, der Astronom Carl Sagan und der Radioastronom Otto Struve. Die Teilnehmer nannten sich "The Order of the Dolphin" (wegen Lillys Arbeit über die Kommunikation mit Delphinen) und gedachten ihres ersten Treffens mit einer Gedenktafel in der Sternwartenhalle. ⓘ

Nützlichkeit

Das Allen-Teleskop-Array für SETI ⓘ

Die Drake-Gleichung ist eine Zusammenfassung der Faktoren, die sich auf die Wahrscheinlichkeit auswirken, dass wir Radiokommunikation von intelligentem außerirdischem Leben entdecken können. Die letzten drei Parameter, fi, $fc$ und L, sind nicht bekannt und lassen sich nur sehr schwer abschätzen, da ihre Werte um viele Größenordnungen schwanken (siehe Kritik). Daher liegt der Nutzen der Drake-Gleichung nicht in der Lösung, sondern vielmehr in der Betrachtung all der verschiedenen Konzepte, die Wissenschaftler berücksichtigen müssen, wenn sie die Frage nach Leben anderswo in Betracht ziehen, und gibt der Frage nach Leben anderswo eine Grundlage für die wissenschaftliche Analyse. Die Gleichung hat dazu beigetragen, die Aufmerksamkeit auf einige besondere wissenschaftliche Probleme im Zusammenhang mit dem Leben im Universum zu lenken, zum Beispiel die Abiogenese, die Entwicklung von vielzelligem Leben und die Entwicklung von Intelligenz selbst. ⓘ

Innerhalb der Grenzen unserer heutigen Technologie muss jede praktische Suche nach weit entferntem intelligentem Leben zwangsläufig eine Suche nach einer Manifestation einer weit entfernten Technologie sein. Nach etwa 50 Jahren ist die Drake-Gleichung immer noch von grundlegender Bedeutung, weil sie einen "Fahrplan" für das darstellt, was wir lernen müssen, um diese grundlegende existenzielle Frage zu lösen. Sie bildete auch das Rückgrat der Astrobiologie als Wissenschaft; auch wenn es Spekulationen gibt, um einen Kontext zu schaffen, befasst sich die Astrobiologie in erster Linie mit Hypothesen, die fest in bestehende wissenschaftliche Theorien passen. Rund 50 Jahre SETI haben nichts ergeben, obwohl sich Radioteleskope, Empfangstechniken und Rechenkapazitäten seit den frühen 1960er Jahren erheblich verbessert haben. Es wurde jedoch entdeckt, dass es in unserer Galaxie nicht von sehr leistungsstarken außerirdischen Sendern wimmelt, die kontinuierlich in der Nähe der 21-cm-Wellenlänge der Wasserstofffrequenz senden; dies war 1961 noch nicht bekannt. ⓘ

Schätzungen

Ursprüngliche Schätzungen

Über die Werte dieser Parameter gibt es beträchtliche Meinungsverschiedenheiten, aber die von Drake und seinen Kollegen im Jahr 1961 verwendeten "begründeten Schätzungen" lauteten:

$R *$ = 1 yr-1 (1 Stern pro Jahr, im Durchschnitt über die Lebensdauer der Galaxie; dies wurde als konservativ angesehen)
$f p$ = 0,2 bis 0,5 (ein Fünftel bis die Hälfte aller entstehenden Sterne werden Planeten haben)
ne = 1 bis 5 (Sterne mit Planeten werden zwischen 1 und 5 Planeten haben, die Leben entwickeln können)
$f l$ = 1 (100 % dieser Planeten werden Leben entwickeln)
$f i$ = 1 (100 % davon werden intelligentes Leben entwickeln)
$f c$ = 0,1 bis 0,2 (10-20% davon werden kommunikationsfähig sein)
$L$ = 1000 bis 100.000.000 kommunikative Zivilisationen (die irgendwo zwischen 1000 und 100.000.000 Jahren bestehen werden) ⓘ

Setzt man die oben genannten Mindestzahlen in die Gleichung ein, ergibt sich ein minimales N von 20 (siehe: Ergebnisbereich). Setzt man die maximalen Zahlen ein, ergibt sich ein Maximum von 50.000.000. Drake erklärt, dass die ursprüngliche Sitzung angesichts der Unsicherheiten zu dem Schluss kam, dass $N \approx L$ ist und es wahrscheinlich zwischen 1000 und 100.000.000 Planeten mit Zivilisationen in der Milchstraßengalaxie gibt. ⓘ

Aktuelle Schätzungen

In diesem Abschnitt werden die besten aktuellen Schätzungen für die Parameter der Drake-Gleichung erörtert und aufgelistet. ⓘ

Rate der Sternentstehung in unserer Galaxie, R∗

Berechnungen der NASA und der Europäischen Weltraumorganisation aus dem Jahr 2010 deuten darauf hin, dass die Sternentstehungsrate in unserer Galaxis etwa 0,68-1,45 M_☉ an Material pro Jahr beträgt. Um die Anzahl der Sterne pro Jahr zu erhalten, dividieren wir dies durch die anfängliche Massenfunktion (IMF) für Sterne, wobei die durchschnittliche Masse eines neuen Sterns etwa 0,5 M_☉. Daraus ergibt sich eine Sternentstehungsrate von etwa 1,5-3 Sternen pro Jahr. ⓘ

Anteil der Sterne, die Planeten haben, fp

Eine Analyse von Mikrolensing-Durchmusterungen im Jahr 2012 ergab, dass $f p$ nahe bei 1 liegen könnte, d. h. dass Sterne in der Regel von Planeten umkreist werden und nicht die Ausnahme sind, und dass es einen oder mehrere gebundene Planeten pro Milchstraßenstern gibt. ⓘ

Durchschnittliche Anzahl von Planeten, die Leben beherbergen könnten, pro Stern, der Planeten hat, ne

Im November 2013 berichteten Astronomen auf der Grundlage von Daten der Kepler-Raumfahrtmission, dass es bis zu 40 Milliarden erdgroße Planeten geben könnte, die in den bewohnbaren Zonen von sonnenähnlichen Sternen und roten Zwergsternen in der Milchstraßengalaxie kreisen. 11 Milliarden dieser geschätzten Planeten könnten um sonnenähnliche Sterne kreisen. Da es etwa 100 Milliarden Sterne in der Galaxie gibt, bedeutet dies, dass fp - ne ungefähr 0,4 beträgt. Der nächstgelegene Planet in der bewohnbaren Zone ist Proxima Centauri b, der nur etwa 4,2 Lichtjahre entfernt ist. ⓘ

Der Konsens auf der Green-Bank-Tagung war, dass ne einen Mindestwert zwischen 3 und 5 hat. Der niederländische Wissenschaftsjournalist Govert Schilling hält dies für optimistisch. Selbst wenn sich Planeten in der bewohnbaren Zone befinden, ist die Anzahl der Planeten mit dem richtigen Verhältnis der Elemente schwer zu schätzen. Brad Gibson, Yeshe Fenner und Charley Lineweaver haben festgestellt, dass etwa 10 % der Sternsysteme in der Milchstraße für Leben geeignet sind, da sie schwere Elemente enthalten, weit von Supernovae entfernt sind und über einen ausreichend langen Zeitraum stabil sind. ⓘ

Die Entdeckung zahlreicher Gasriesen in enger Umlaufbahn um ihre Sterne hat Zweifel daran aufkommen lassen, dass lebensfreundliche Planeten in der Regel die Entstehung ihrer Sternsysteme überleben. Sogenannte heiße Jupiter können von fernen Umlaufbahnen zu nahen Umlaufbahnen wandern und dabei die Bahnen bewohnbarer Planeten stören. ⓘ

Andererseits ist die Vielfalt der Sternsysteme, die bewohnbare Zonen haben könnten, nicht nur auf Sterne vom Typ Sonne und erdgroße Planeten beschränkt. Inzwischen geht man davon aus, dass auch Planeten in der Nähe von roten Zwergsternen bewohnbare Zonen haben könnten, obwohl das Aufflackern dieser Sterne dagegen sprechen könnte. Die Möglichkeit von Leben auf Monden von Gasriesen (wie z. B. dem Jupitermond Europa oder den Saturnmonden Titan und Enceladus) führt zu einer weiteren Unsicherheit in dieser Zahl. ⓘ

Die Autoren der Hypothese der seltenen Erde schlagen eine Reihe zusätzlicher Einschränkungen für die Bewohnbarkeit von Planeten vor, darunter die Lage in galaktischen Zonen mit entsprechend geringer Strahlung, hoher Metallizität der Sterne und einer ausreichend geringen Dichte, um übermäßigen Asteroidenbeschuss zu vermeiden. Sie schlagen außerdem vor, dass ein Planetensystem mit großen Gasriesen, die einen Schutz vor Bombardierung bieten, ohne einen heißen Jupiter, und ein Planet mit Plattentektonik, einem großen Mond, der Gezeitentümpel erzeugt, und einer mäßigen axialen Neigung zur Erzeugung jahreszeitlicher Schwankungen notwendig ist. ⓘ

Anteil der oben genannten Planeten, auf denen sich tatsächlich Leben entwickelt, fl

Geologische Beweise von der Erde deuten darauf hin, dass $fl$ hoch sein könnte; das Leben auf der Erde scheint etwa zur gleichen Zeit begonnen zu haben, als günstige Bedingungen entstanden, was darauf hindeutet, dass die Abiogenese relativ häufig ist, sobald die Bedingungen stimmen. Diese Beweise beziehen sich jedoch nur auf die Erde (einen einzelnen Modellplaneten) und enthalten eine anthropische Verzerrung, da der untersuchte Planet nicht zufällig ausgewählt wurde, sondern von den lebenden Organismen, die ihn bereits bewohnen (uns selbst). Vom Standpunkt des klassischen Hypothesentests aus betrachtet, ohne die Annahme, dass die zugrundeliegende Verteilung von $fl$ für alle Planeten in der Milchstraße gleich ist, gibt es null Freiheitsgrade, so dass keine gültigen Schätzungen möglich sind. Würde man auf dem Mars, Europa, Enceladus oder Titan Leben (oder Beweise für früheres Leben) finden, das sich unabhängig vom Leben auf der Erde entwickelt hat, würde dies einen Wert für $fl$ nahe 1 bedeuten. Damit würde sich zwar die Zahl der Freiheitsgrade von null auf eins erhöhen, doch wäre jede Schätzung aufgrund der geringen Stichprobengröße und der Möglichkeit, dass sie nicht wirklich unabhängig sind, mit einer großen Unsicherheit behaftet. ⓘ

Diesem Argument ist entgegenzuhalten, dass es keine Beweise dafür gibt, dass die Abiogenese mehr als einmal auf der Erde stattgefunden hat, d. h. dass alles irdische Leben auf einen gemeinsamen Ursprung zurückgeht. Wenn die Abiogenese häufiger vorkäme, würde man vermuten, dass sie mehr als einmal auf der Erde stattgefunden hat. Wissenschaftler haben danach gesucht, indem sie nach Bakterien suchten, die nicht mit anderem Leben auf der Erde verwandt sind, aber es wurden noch keine gefunden. Es ist auch möglich, dass das Leben mehr als einmal entstanden ist, aber dass andere Zweige verdrängt wurden, in Massenaussterben untergingen oder auf andere Weise verloren gingen. Die Biochemiker Francis Crick und Leslie Orgel betonten diese Ungewissheit besonders: "Im Moment haben wir überhaupt keine Möglichkeit zu wissen", ob wir "wahrscheinlich allein in der Galaxie (Universum) sind" oder ob "die Galaxie von Leben in vielen verschiedenen Formen durchzogen sein könnte". Als Alternative zur Abiogenese auf der Erde schlugen sie die Hypothese der gerichteten Panspermie vor, die besagt, dass das Leben auf der Erde mit "Mikroorganismen begann, die von einer technologischen Gesellschaft auf einem anderen Planeten mit Hilfe eines speziellen unbemannten Raumschiffs mit großer Reichweite absichtlich hierher geschickt wurden". ⓘ

Im Jahr 2020 schlugen Wissenschaftler der Universität Nottingham ein "astrobiologisches kopernikanisches" Prinzip vor, das auf dem Prinzip der Mittelmäßigkeit beruht, und spekulierten, dass sich "intelligentes Leben auf anderen [erdähnlichen] Planeten genauso bilden würde wie auf der Erde, so dass sich innerhalb weniger Milliarden Jahre automatisch Leben als natürlicher Teil der Evolution bilden würde". Im Rahmen der Autoren werden $fl$ , fi und $fc$ alle auf eine Wahrscheinlichkeit von 1 (Gewissheit) gesetzt. Die daraus resultierende Berechnung kommt zu dem Schluss, dass es derzeit mehr als dreißig technologische Zivilisationen in der Galaxie gibt (ohne Berücksichtigung der Fehlerbalken). ⓘ

Der Anteil derer, die intelligentes Leben entwickeln, fi

Dieser Wert bleibt besonders umstritten. Die Befürworter eines niedrigen Wertes, wie der Biologe Ernst Mayr, weisen darauf hin, dass von den Milliarden von Arten, die auf der Erde existiert haben, nur eine einzige intelligent geworden ist, und leiten daraus einen winzigen Wert für fi ab. Auch die Verfechter der Hypothese der Seltenen Erden sind ungeachtet ihres oben genannten niedrigen Wertes für ne der Meinung, dass ein niedriger Wert für fi die Analyse dominiert. Die Befürworter höherer Werte verweisen auf die allgemein zunehmende Komplexität des Lebens im Laufe der Zeit und kommen zu dem Schluss, dass das Auftreten von Intelligenz fast unvermeidlich ist, was einen fi-Wert von annähernd 1 voraussetzt. Skeptiker weisen darauf hin, dass die große Streuung der Werte für diesen und andere Faktoren alle Schätzungen unzuverlässig macht. (Siehe Kritik). ⓘ

Außerdem scheint sich das Leben zwar bald nach der Entstehung der Erde entwickelt zu haben, aber die kambrische Explosion, bei der eine große Vielfalt vielzelliger Lebensformen entstand, fand erst lange nach der Entstehung der Erde statt, was die Möglichkeit nahe legt, dass besondere Bedingungen erforderlich waren. Einige Szenarien wie die Schneeball-Erde oder die Erforschung von Aussterbeereignissen haben die Möglichkeit aufgeworfen, dass das Leben auf der Erde relativ zerbrechlich ist. Die Erforschung früheren Lebens auf dem Mars ist insofern von Bedeutung, als die Entdeckung, dass sich Leben auf dem Mars gebildet hat, aber nicht mehr existiert, unsere Schätzung von fi erhöhen könnte, aber auch bedeuten würde, dass sich in der Hälfte der bekannten Fälle kein intelligentes Leben entwickelt hat. ⓘ

Die Schätzungen von fi wurden durch die Entdeckung beein $fl$ usst, dass die Umlaufbahn des Sonnensystems in der Galaxie kreisförmig ist und sich in einer solchen Entfernung befindet, dass sie für Dutzende von Millionen Jahren außerhalb der Spiralarme bleibt (um der Strahlung von Novae auszuweichen). Auch der große Mond der Erde könnte die Entwicklung des Lebens unterstützen, indem er die Rotationsachse des Planeten stabilisiert. ⓘ

Es wurden quantitative Arbeiten durchgeführt, um zu definieren $f_{\mathrm {l} }\cdot f_{\mathrm {i} }$ . Ein Beispiel ist eine 2020 veröffentlichte Bayes'sche Analyse. In der Schlussfolgerung weist der Autor darauf hin, dass diese Studie für die Bedingungen auf der Erde gilt. Nach Bayes spricht die Studie für die Entstehung von Intelligenz auf einem Planeten, auf dem die gleichen Bedingungen herrschen wie auf der Erde, allerdings nicht mit großer Sicherheit. ⓘ

Der Planetenforscher Pascal Lee vom SETI-Institut geht davon aus, dass dieser Anteil sehr gering ist (0,0002). Er stützt diese Schätzung darauf, wie lange die Erde gebraucht hat, um intelligentes Leben zu entwickeln (1 Million Jahre seit der Entwicklung des Homo erectus, verglichen mit 4,6 Milliarden Jahren seit der Entstehung der Erde). ⓘ

Anteil der oben genannten, die ihre Existenz durch die Aussendung von Signalen ins All offenbaren, fc

Was die absichtliche Kommunikation angeht, so wird bei dem einen Beispiel, das wir haben (die Erde), nicht viel explizit kommuniziert, obwohl es einige Bemühungen gibt, die nur einen winzigen Bruchteil der Sterne abdecken, die nach unserer Anwesenheit suchen könnten. (Siehe z. B. die Arecibo-Botschaft). Es gibt zahlreiche Spekulationen darüber, warum eine außerirdische Zivilisation zwar existieren könnte, aber nicht kommunizieren will. Eine absichtliche Kommunikation ist jedoch nicht erforderlich, und Berechnungen deuten darauf hin, dass die derzeitige oder in naher Zukunft auf der Erde vorhandene Technologie für Zivilisationen, die nicht viel weiter fortgeschritten sind als unsere eigene, durchaus nachweisbar sein könnte. Nach diesem Maßstab ist die Erde eine kommunizierende Zivilisation. ⓘ

Eine andere Frage ist, wie viel Prozent der Zivilisationen in der Galaxie nahe genug sind, um von uns entdeckt zu werden, vorausgesetzt, sie senden Signale aus. Die bestehenden Radioteleskope auf der Erde könnten zum Beispiel nur Radiosendungen von der Erde aus einer Entfernung von etwa einem Lichtjahr aufspüren. ⓘ

Die Lebensdauer einer solchen Zivilisation, in der sie ihre Signale in den Weltraum sendet, L

Michael Shermer schätzt L auf 420 Jahre, basierend auf der Dauer von sechzig historischen irdischen Zivilisationen. Unter Verwendung von 28 Zivilisationen, die jünger sind als das Römische Reich, errechnet er eine Zahl von 304 Jahren für "moderne" Zivilisationen. Aus den Ergebnissen von Michael Shermer könnte man auch schließen, dass auf den Untergang der meisten dieser Zivilisationen spätere Zivilisationen folgten, die die Technologien weiterführten, so dass es zweifelhaft ist, dass es sich um separate Zivilisationen im Kontext der Drake-Gleichung handelt. In der erweiterten Version, die die Zahl der Wiedererscheinungen mit einbezieht, spielt dieser Mangel an Spezifität bei der Definition einzelner Zivilisationen für das Endergebnis keine Rolle, da ein solcher Zivilisationswechsel als Anstieg der Zahl der Wiedererscheinungen und nicht als Anstieg von L beschrieben werden könnte, was bedeutet, dass eine Zivilisation in Form der nachfolgenden Kulturen wieder auftaucht. Da außerdem keine der Zivilisationen über den interstellaren Raum kommunizieren konnte, könnte die Methode des Vergleichs mit historischen Zivilisationen als ungültig angesehen werden. ⓘ

David Grinspoon hat argumentiert, dass eine Zivilisation, wenn sie einmal weit genug entwickelt ist, alle Bedrohungen für ihr Überleben überwinden kann. Sie wird dann für eine unbestimmte Zeit bestehen bleiben, so dass der Wert für L möglicherweise Milliarden von Jahren beträgt. Wenn dies der Fall ist, schlägt er vor, dass die Milchstraßengalaxie seit ihrer Entstehung kontinuierlich fortgeschrittene Zivilisationen angehäuft haben könnte. Er schlägt vor, den letzten Faktor L durch f_IC - T zu ersetzen, wobei $f IC$ der Anteil der kommunizierenden Zivilisationen ist, die "unsterblich" werden (in dem Sinne, dass sie einfach nicht aussterben), und T die Zeitspanne darstellt, in der dieser Prozess stattgefunden hat. Dies hat den Vorteil, dass T eine relativ leicht zu ermittelnde Zahl wäre, da es sich einfach um einen Bruchteil des Alters des Universums handeln würde. ⓘ

Es wurde auch die Hypothese aufgestellt, dass die Langlebigkeit einer Zivilisation zunehmen könnte, sobald sie von einer weiter fortgeschrittenen Zivilisation erfahren hat, weil sie von den Erfahrungen der anderen lernen kann. ⓘ

Der Astronom Carl Sagan spekulierte, dass alle Begriffe, mit Ausnahme der Lebensdauer einer Zivilisation, relativ hoch sind und dass der entscheidende Faktor dafür, ob es eine große oder eine kleine Anzahl von Zivilisationen im Universum gibt, die Lebensdauer der Zivilisation ist, oder anders gesagt, die Fähigkeit der technologischen Zivilisationen, die Selbstzerstörung zu vermeiden. In Sagans Fall war die Drake-Gleichung ein starker Motivationsfaktor für sein Interesse an Umweltfragen und seine Bemühungen, vor den Gefahren eines Atomkriegs zu warnen. ⓘ

Eine intelligente Zivilisation muss nicht unbedingt organisch sein, denn einige haben vorgeschlagen, dass eine künstliche allgemeine Intelligenz die Menschheit ersetzen könnte. ⓘ

Bandbreite der Ergebnisse

Viele Skeptiker haben darauf hingewiesen, dass die Drake-Gleichung je nach den Annahmen eine sehr große Bandbreite an Werten liefern kann, da die in Teilen der Drake-Gleichung verwendeten Werte nicht genau festgelegt sind. Insbesondere kann das Ergebnis $N ≪ 1$ sein, was bedeutet, dass wir wahrscheinlich allein in der Galaxie sind, oder $N ≫ 1$ , was bedeutet, dass es viele Zivilisationen gibt, mit denen wir in Kontakt kommen könnten. Einer der wenigen Punkte, über die weitgehende Einigkeit besteht, ist, dass die Anwesenheit der Menschheit eine Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Intelligenz von größer als Null impliziert. ⓘ

Ein Beispiel für eine niedrige Schätzung ist die Kombination der Sternentstehungsraten der NASA, des Wertes der Se_ltene-Erde-Hypothese von fp - ne - fl = 10-5, der Ansicht von Mayr über die Entstehung von Intelligenz, der Ansicht von Drake über Kommunikation und der Schätzung von Shermer über die Lebensdauer:

R_∗ = 1,5-3 yr-1, f_p - n_e - f_l = 10-5, f_i = 10-9, f_c = 0,2 [Drake, oben], und

L = 304

Jahre

ergibt:

N = 1.5 × 10-5 × 10-9 × 0.2 × 304 = 9.1 × 10-13

d. h., wir sind wahrscheinlich allein in dieser Galaxie und möglicherweise im gesamten beobachtbaren Universum. ⓘ

Andererseits können mit größeren Werten für jeden der oben genannten Parameter Werte für $N$ abgeleitet werden, die größer als 1 sind. Die folgenden höheren Werte, die für jeden der Parameter vorgeschlagen wurden:

R_∗ = 1,5-3 yr-1,

f p = 1

, ne = 0,2, f_l = 0,13,

fi = 1

, f_c = 0,2 [Drake, oben], und

L = 10 9

Jahre

Die Verwendung dieser Parameter ergibt:

N = 3 \times 1 \times 0.2 \times 0.13 \times 1 \times 0.2 \times 10 9 = 15,600,000 ⓘ

Monte-Carlo-Simulationen von Schätzungen der Faktoren der Drake-Gleichung auf der Grundlage eines stellaren und planetarischen Modells der Milchstraße haben ergeben, dass die Anzahl der Zivilisationen um den Faktor 100 schwankt. ⓘ

Hat es jemals andere technologische Spezies gegeben?

2016 modifizierten Adam Frank und Woodruff Sullivan die Drake-Gleichung, um zu bestimmen, wie unwahrscheinlich es ist, dass eine technologische Spezies auf einem bestimmten bewohnbaren Planeten entsteht, und kamen zu dem Ergebnis, dass die Erde die einzige technologische Spezies beherbergt, die jemals entstanden ist, und zwar für zwei Fälle: (a) unsere Galaxie und (b) das Universum als Ganzes. Indem man diese andere Frage stellt, beseitigt man die Ungewissheit der Lebensdauer und der gleichzeitigen Kommunikation. Da die Anzahl der bewohnbaren Planeten pro Stern heute vernünftig geschätzt werden kann, ist die einzige verbleibende Unbekannte in der Drake-Gleichung die Wahrscheinlichkeit, dass ein bewohnbarer Planet im Laufe seines Lebens eine technologische Spezies entwickelt. Damit die Erde die einzige technologische Spezies ist, die jemals im Universum aufgetreten ist, muss die Wahrscheinlichkeit, dass ein beliebiger bewohnbarer Planet jemals eine technologische Spezies entwickelt, weniger als 2,5×10-24 betragen. Damit die Erde in der Geschichte unserer Galaxis der einzige Ort ist, an dem eine technologische Spezies vorkommt, muss die Wahrscheinlichkeit, dass ein Planet der bewohnbaren Zone jemals eine technologische Spezies beherbergt, weniger als 1,7×10-11 (etwa 1 zu 60 Milliarden) betragen. Die Zahl für das gesamte Universum bedeutet, dass es extrem unwahrscheinlich ist, dass die Erde die einzige technologische Spezies beherbergt, die jemals aufgetreten ist. Für unsere Galaxis hingegen muss man davon ausgehen, dass weniger als 1 von 60 Milliarden bewohnbaren Planeten eine technologische Spezies entwickelt, damit es in der Geschichte unserer Galaxis nicht wenigstens einen zweiten Fall einer solchen Spezies gegeben hat. ⓘ

Modifikationen

Viele Beobachter haben darauf hingewiesen, dass es sich bei der Drake-Gleichung um ein sehr einfaches Modell handelt, bei dem potenziell relevante Parameter nicht berücksichtigt werden, und es wurden zahlreiche Änderungen und Modifikationen der Gleichung vorgeschlagen. Eine Modifikationslinie versucht zum Beispiel, die Ungewissheit zu berücksichtigen, die mit vielen der Terme verbunden ist. Die Kombination der Schätzungen der ursprünglichen sechs Faktoren durch wichtige Forscher mittels eines Monte-Carlo-Verfahrens führt zu einem besten Wert für die Nichtlebensdauerfaktoren von 0,85 1/Jahr. Dieses Ergebnis unterscheidet sich nur unwesentlich von dem von Drake und dem Cyclops-Bericht angegebenen Schätzwert von eins. ⓘ

Andere bemerken, dass die Drake-Gleichung viele Konzepte ignoriert, die für die Wahrscheinlichkeit der Kontaktaufnahme mit anderen Zivilisationen relevant sein könnten. David Brin stellt zum Beispiel fest: "Die Drake-Gleichung spricht lediglich von der Anzahl der Orte, an denen ETIs spontan entstehen. Die Gleichung sagt nichts direkt über den Kontaktquerschnitt zwischen einer ETIS und der heutigen menschlichen Gesellschaft aus". Da der Kontaktquerschnitt für die SETI-Gemeinschaft von Interesse ist, wurden viele zusätzliche Faktoren und Modifikationen der Drake-Gleichung vorgeschlagen. ⓘ

Kolonisierung: Es wurde vorgeschlagen, die Drake-Gleichung zu verallgemeinern, um zusätzliche Effekte der Kolonisierung anderer Sternensysteme durch außerirdische Zi $v$ ilisationen zu berücksichtigen. Jeder ursprüngliche Standort expandiert mit einer Expansionsgeschwindigkeit v und gründet zusätzliche Standorte, die für eine Lebensdauer L über $l$ eben. Das Ergebnis ist ein komplexerer Satz von 3 Gleichungen. ⓘ

Wiederauftauchfaktor: Die Drake-Gleichung kann außerdem mit dem Faktor multipliziert werden, der angibt, wie oft eine intelligente Zivilisation auf Planeten auftauchen kann, auf denen sie schon einmal existiert hat. Selbst wenn eine intelligente Zivilisation beispielsweise nach 10.000 Jahren das Ende ihrer Lebensdauer erreicht, kann auf dem Planeten noch Milliarden von Jahren Leben herrschen, so dass sich die nächste Zivilisation entwickeln kann. So können während der Lebensdauer ein und desselben Planeten mehrere Zivilisationen entstehen und vergehen. Wenn also $nr$ die durchschnittliche Anzahl der Male ist, in denen eine neue Zivilisation auf demselben Planeten wieder auftaucht, auf dem eine frühere Zivilisation einmal aufgetaucht und untergegangen ist, dann ist die Gesamtzahl der Zivilisationen auf einem solchen Planeten $1 + nr$ , was der tatsächliche Faktor für das Wiederauftauchen ist, der der Gleichung hinzugefügt wird. ⓘ

Der Faktor hängt davon ab, was im Allgemeinen die Ursache für das Aussterben von Zivilisationen ist. Handelt es sich im Allgemeinen um eine vorübergehende Unbewohnbarkeit, zum Beispiel durch einen nuklearen Winter, dann kann

nr

relativ hoch sein. Handelt es sich hingegen um eine dauerhafte Unbewohnbarkeit, wie z. B. bei der Sternevolution, dann kann

nr

fast null sein. Im Falle der totalen Auslöschung von Leben kann ein ähnlicher Faktor für

fl

gelten, d. h. für die Frage, wie oft Leben auf einem Planeten erscheinen kann, auf dem es einmal erschienen ist. ⓘ

METI-Faktor: Alexander Zaitsev sagte, dass sich in einer kommunikativen Phase zu befinden und gezielte Botschaften auszusenden nicht dasselbe ist. Zum Beispiel sind die Menschen, obwohl sie sich in einer kommunikativen Phase befinden, keine kommunikative Zivilisation; wir üben keine Aktivitäten wie die gezielte und regelmäßige Übermittlung interstellarer Nachrichten aus. Aus diesem Grund schlug er vor, den METI-Faktor (Messaging to Extraterrestrial Intelligence) in die klassische Drake-Gleichung aufzunehmen. Er definierte den Faktor als "den Anteil der kommunikativen Zivilisationen mit klarem und nicht paranoidem planetarischem Bewusstsein", oder anders ausgedrückt, den Anteil der kommunikativen Zivilisationen, die tatsächlich absichtliche interstellare Übertragungen vornehmen. ⓘ

Der METI-Faktor ist etwas irreführend, da eine aktive, zielgerichtete Übermittlung von Botschaften durch eine Zivilisation nicht erforderlich ist, damit sie eine von einer anderen Zivilisation, die einen Erstkontakt sucht, gesendete Nachricht empfangen kann. Es ist lediglich erforderlich, dass sie über fähige und kompatible Empfängersysteme verfügen; dies ist jedoch eine Variable, die Menschen nicht genau einschätzen können. ⓘ

Biogene Gase: Die Astronomin Sara Seager schlug eine überarbeitete Gleichung vor, die sich auf die Suche nach Planeten mit Biosignaturgasen konzentriert. Diese Gase werden von lebenden Organismen erzeugt und können sich in der Atmosphäre eines Planeten so stark anreichern, dass sie mit entfernten Weltraumteleskopen nachgewiesen werden können. ⓘ

Die Seager-Gleichung sieht wie folgt aus:

N=N_{*}\cdot F_{\mathrm {Q} }\cdot F_{\mathrm {HZ} }\cdot F_{\mathrm {O} }\cdot F_{\mathrm {L} }\cdot F_{\mathrm {S} }

wobei:

N

= die Anzahl der Planeten mit nachweisbaren Anzeichen von Leben

N *

= die Anzahl der beobachteten Sterne

F Q

= der Anteil der Sterne, die ruhig sind

F HZ

= der Anteil der Sterne mit Gesteinsplaneten in der bewohnbaren Zone

F O

= der Anteil dieser Planeten, die beobachtet werden können

F L

= der Anteil, auf dem Leben existiert

F S

= der Anteil, auf dem Leben eine nachweisbare Gassignatur erzeugt ⓘ

Seager betont: "Wir werfen die Drake-Gleichung nicht über den Haufen, das ist wirklich ein anderes Thema", und erklärt: "Seit Drake die Gleichung aufgestellt hat, haben wir Tausende von Exoplaneten entdeckt. Unsere Ansichten darüber, was es da draußen alles geben könnte, haben sich revolutioniert. Und jetzt haben wir eine echte Frage vor uns, die nichts mit intelligentem Leben zu tun hat: Können wir in naher Zukunft irgendwelche Anzeichen von Leben entdecken?" ⓘ

Kritik

Die Kritik an der Drake-Gleichung beruht hauptsächlich auf der Feststellung, dass mehrere Terme in der Gleichung weitgehend oder vollständig auf Vermutungen beruhen. Die Sternentstehungsraten sind bekannt, und das Auftreten von Planeten hat eine solide theoretische und beobachtete Grundlage, aber die anderen Terme in der Gleichung sind sehr spekulativ. Die Unsicherheiten beziehen sich auf unser Verständnis der Entwicklung von Leben, Intelligenz und Zivilisation, nicht auf die Physik. Für einige der Parameter, für die nur ein einziges Beispiel bekannt ist, sind keine statistischen Schätzungen möglich. Das Endergebnis ist, dass die Gleichung nicht verwendet werden kann, um eindeutige Schlussfolgerungen zu ziehen, und die sich daraus ergebende Fehlerspanne ist riesig, weit jenseits dessen, was manche für akzeptabel oder sinnvoll halten. ⓘ

Eine Antwort auf solche Kritik ist, dass die Drake-Gleichung zwar derzeit Spekulationen über nicht gemessene Parameter beinhaltet, aber als Anregung für einen Dialog über diese Themen gedacht war. Dann geht es darum, wie man experimentell vorgehen kann. In der Tat formulierte Drake die Gleichung ursprünglich nur als Diskussionsgrundlage für die Green Bank-Konferenz. ⓘ

Das Fermi-Paradoxon

Eine Zivilisation, die mehrere zehn Millionen Jahre überdauert, könnte sich in der gesamten Galaxie ausbreiten, selbst bei den langsamen Geschwindigkeiten, die mit unserer heutigen Technologie vorhersehbar sind. Es wurden jedoch keine bestätigten Anzeichen für Zivilisationen oder intelligentes Leben anderswo gefunden, weder in unserer Galaxie noch im beobachtbaren Universum mit 2 Billionen Galaxien. Nach dieser Denkweise scheint die Tendenz, alle verfügbaren Gebiete zu besiedeln (oder zumindest zu erkunden), eine universelle Eigenschaft von Lebewesen zu sein, so dass die Erde bereits kolonisiert oder zumindest besucht worden sein müsste, wofür es jedoch keine Beweise gibt. Daher die Frage von Fermi: "Wo sind alle?". ⓘ

Es gibt eine Vielzahl von Erklärungen für das Ausbleiben von Kontakten; in einem 2015 veröffentlichten Buch werden 75 verschiedene Erklärungen vorgestellt. Im Sinne der Drake-Gleichung lassen sich die Erklärungen in drei Klassen einteilen:

Nur wenige intelligente Zivilisationen sind jemals entstanden. Dies ist ein Argument dafür, dass mindestens einer der ersten Terme, R_∗ - fp - ne - fl - fi, einen niedrigen Wert hat. Der häufigste Verdacht ist $f i$ , aber Erklärungen wie die Hypothese der seltenen Erden sprechen dafür, dass ne der kleine Term ist.
Intelligente Zivilisationen existieren, aber wir sehen keine Beweise, was bedeutet, dass $fc$ klein ist. Typische Argumente sind, dass die Zivilisationen zu weit voneinander entfernt sind, dass es zu teuer ist, sich in der Galaxie auszubreiten, dass Zivilisationen nur für kurze Zeit Signale aussenden, dass Kommunikation gefährlich ist und viele andere.
Die Lebensdauer intelligenter, kommunikativer Zivilisationen ist kurz, was bedeutet, dass der Wert von L gering ist. Drake schlug vor, dass sich eine große Anzahl außerirdischer Zivilisationen bilden würde, und er spekulierte weiter, dass das Fehlen von Beweisen für solche Zivilisationen daran liegen könnte, dass technologische Zivilisationen dazu neigen, recht schnell zu verschwinden. Typische Erklärungen sind, dass es in der Natur von intelligentem Leben liegt, sich selbst zu zerstören, dass es in der Natur von intelligentem Leben liegt, andere zu zerstören, dass sie dazu neigen, durch natürliche Ereignisse zerstört zu werden, und andere. ⓘ

Diese Argumentationslinien führen zur Hypothese des Großen Filters, die besagt, dass, da es trotz der riesigen Anzahl von Sternen keine beobachteten außerirdischen Zivilisationen gibt, mindestens ein Schritt im Prozess als Filter wirken muss, um den Endwert zu reduzieren. Nach dieser Auffassung ist es entweder sehr schwierig, dass intelligentes Leben entsteht, oder die Lebensdauer technologisch fortgeschrittener Zivilisationen bzw. die Zeitspanne, in der sie ihre Existenz offenbaren, muss relativ kurz sein. ⓘ

Eine Analyse von Anders Sandberg, Eric Drexler und Toby Ord deutet darauf hin, dass es "mit einer beträchtlichen Ex-ante-Wahrscheinlichkeit kein anderes intelligentes Leben in unserem beobachtbaren Universum gibt". ⓘ

In der Belletristik und Populärkultur

Die Gleichung wurde von Gene Roddenberry angeführt, um die Vielzahl der bewohnten Planeten in der von ihm geschaffenen Fernsehserie Star Trek zu erklären. Allerdings hatte Roddenberry die Gleichung nicht bei sich und war gezwungen, sie für seinen ursprünglichen Vorschlag zu "erfinden". Die von Roddenberry erfundene Gleichung lautet:

Ff^{2}(MgE)-C^{1}Ri^{1}\cdot M=L/So

Eine Zahl, die mit der ersten Potenz erhöht wird, ist jedoch nur die Zahl selbst. ⓘ

Kritik, Diskussion und Erweiterungen

Der Biologe Ernst Mayr hat darauf hingewiesen, dass sich unter den circa 50 Milliarden Arten, die die Erde hervorgebracht hat, lediglich eine befinde, die Intelligenz entwickelt habe. ⓘ

Michael Schmidt-Salomon meinte, analog zu biologischen Selektionsprozessen fände ein ähnlicher auf kosmischer Ebene statt, und dass nur solche Planeten langfristig höhere Lebensformen erhalten, die Spezies hervorbringen, die die Artenvielfalt gegenüber äußeren Bedrohungen wie Impaktereignisse vor Massenaussterben schützen können. Diese Fähigkeit wird gegenwärtig auf der Erde durch Forschungsprogramme zur planetaren Verteidigung wie NEOShield angestrebt. ⓘ

1983 schlug David Brin eine erweiterte Drake-Gleichung vor. ⓘ

2010 publizierte der Astronom und technische Direktor der IAA Claudio Maccone eine komplexere Version der Gleichung, die Statistische Drake-Gleichung. ⓘ

Der Astrophysiker Martin Elvis adaptierte 2013 die Drake-Gleichung, um erste Abschätzungen über eine mögliche Anzahl von Asteroiden treffen zu können, die für Weltraumbergbau in Frage kommen könnten. ⓘ

Siehe auch

Literatur

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
Frank Drake, Dava Sobel: Is Anyone Out There? The Scientific Search for Extraterrestrial Intelligence, Delacorte Pr., New York 1992, ISBN 0-385-30532-X
Hansjürg Geiger: Astrobiologie, vdf Hochschulverlag AG an der ETH Zürich (2009), ISBN 978-3-8252-3275-7
Robert T. Rood, James S. Trefil: Are We Alone? The Possibility of Extraterrestrial Civilizations, Scribner, New York 1981, ISBN 0-684-16826-X
Claudio Maccone: The Statistical Drake Equation. Acta Astronautica, Vol. 67, Issues 11–12, December 2010, S. 1366–138, doi:10.1016/j.actaastro.2010.05.003
Douglas A. Vakoch, et al.: The Drake equation - estimating the prevalence of extraterrestrial life through the ages. Cambridge University Press, Cambridge 2015, ISBN 978-1-107-07365-4. ⓘ

Weblinks

Drake equation: How many alien civilizations exist? bbc.com, abgerufen am 1. Oktober 2013
Drake Equation Calculator pbs.org ⓘ

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 (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 20. Dez. 1998.
Sind wir allein im Universum? Teil II aus der Fernseh-Sendereihe alpha-Centauri (ca. 15 Minuten). Erstmals ausgestrahlt am 26. Sep. 1999. ⓘ