mini|„Einsame Erde“: Nach der Rare-Earth-Hypothese erfüllen, wenn überhaupt, nur sehr wenige Planeten im Universum ähnliche Voraussetzungen für die Evolution komplexen Lebens wie die Erde.
Die -Hypothese ( für ‚seltene Erde‘) ist die Annahme, dass das komplexe vielzellige Leben der Erde auf eine unwahrscheinliche Kombination vor allem astrophysikalischer und geologischer Voraussetzungen zurückzuführen ist. Der Begriff stammt aus dem im Jahr 2000 erschienenen Buch Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in the Universe von Peter Ward, einem Geologen und Paläontologen, und Donald Brownlee, einem Astronomen und Astrobiologen. Der Titel der deutschen Ausgabe lautet Unsere einsame Erde: Warum komplexes Leben im Universum unwahrscheinlich ist.
Die Rare-Earth-Hypothese ist eine Einschränkung des kopernikanischen Prinzips, zu dessen Befürwortern im Zusammenhang mit außerirdischem Leben unter anderem Carl Sagan und Frank Drake zählten.Brownlee and Ward (2000), S. xxi-xxiii. Demnach ist die Erde ein typischer Gesteinsplanet in einem typischen Planetensystem in einem nicht ungewöhnlichen Bereich einer häufig vorkommenden Balkenspiralgalaxie. Deshalb sei es wahrscheinlich, dass komplexes Leben im Universum häufig vorkomme. Die Rare-Earth-Hypothese behauptet das Gegenteil: Die Kombination von Planeten, Planetensystemen und galaktischen Regionen (die Lage des Sonnensystems innerhalb des Milchstraßensystems), welche so günstig für komplexes Leben wie das auf der Erde ist, sei sehr selten.
Geht man von der Annahme aus, komplexes Leben trete sehr selten auf, dann ist die Rare-Earth-Hypothese eine Möglichkeit zur Vermeidung des Fermi-Paradoxons: „Wenn außerirdische Lebensformen häufiger vorkommen sollten, warum sind sie dann nicht evident?“
Argumente für die Rare-Earth-Hypothese Überblick Die Rare-Earth-Hypothese nimmt an, dass das Auftauchen komplexen Lebens eine Reihe von günstigen Umständen erfordert. Dies betrifft unter anderem die folgenden Teilaspekte: die Lage innerhalb der Galaxie (galaktische habitable Zone), die Natur des Zentralgestirns, die allgemeine Konfiguration des Planetensystems die Lage innerhalb des Planetensystems (zirkumstellare habitable Zone), die Größe bzw. Masse des Planeten, das Vorhandensein eines großen Mondes im Orbit des habitablen Planeten, das Vorhandensein geologischer Voraussetzungen für ein planetares Magnetfeld und Plattentektonik, die chemische Zusammensetzung der Lithosphäre, Atmosphäre und Ozeane sowie das Auftreten „evolutionsfördernder“ Ereignisse, wie zum Beispiel eine massive Vergletscherung und Einschläge von Kometen oder Asteroiden in größeren Abständen.
Die Entstehung von intelligentem Leben könnte noch andere seltene Vorbedingungen benötigt haben.
Damit Leben auf einem kleinen, felsigen Planeten möglich ist, müssten nach Ward und Brownlee die Werte der Parameter innerhalb sehr enger Grenzen stimmen. Das Universum ist so groß, dass es sehr viele erdähnliche Planeten enthalten könnte. Sollten diese Planeten existieren, ist anzunehmen, dass diese viele tausend Lichtjahre voneinander entfernt sind. Diese riesigen Entfernungen machen es praktisch unmöglich, dass eine irgendwo entstandene intelligente Spezies mit einer anderen kommuniziert (um damit das Fermi-Paradoxon zu lösen). Eine Supernova ist Voraussetzung für Leben, aber kann auch sein Ende bedeuten. Ähnlich verhält es sich mit Asteroiden, die chemische Verbindungen und Wasser zur Erde bringen, während ein zu großes Bombardement andererseits zu einem Massenaussterben von Lebewesen führen kann.
Des Weiteren wird vorgebracht, die Entwicklung der Erde sei ein Glücksfall und nicht so einfach wiederholbar. Selbst wenn man annimmt, dass es tausend Sonnensysteme mit gleichem Ausgangszustand gibt, so wäre doch zu erwarten, dass die Beschaffenheit, Größe und die Bahneigenschaften ihrer Planeten zu unterschiedlich wären, um eine Wiederholung der Evolution, ähnlich der Entwicklung auf der Erde, in einem dieser Systeme zuzulassen. Dafür können die vier inneren Gesteinsplaneten als Beleg gelten: Sie sind aus sehr ähnlichem Ursprungsmaterial aufgebaut, unterscheiden sich aber doch grundlegend voneinander.
Erste Lebensformen sind vor mindestens 3 Milliarden Jahren entstanden (könnten aber noch älter sein; bis vor 3,8 Mrd. Jahren wird vermutet). Danach dauerte es sehr lange (bis etwa vor 600 Millionen Jahren), bis sich komplexe vielzellige Lebewesen (Tiere) entwickelten, wofür die unterschiedlichsten Gründe vorliegen könnten. Unter anderem gibt es Sauerstoff in der Atmosphäre erst seit etwa 2 Milliarden Jahren, und die Anreicherung durch die Lebewesen, die Photosynthese betrieben – die damit eine Voraussetzung für die weitere Entwicklung selbst wurde –, ging sehr langsam vor sich.
Die lange Zeitspanne vom ersten Auftreten von Bakterien bis zur kambrischen Explosion vor etwa 540 bis 490 Millionen Jahren deutet darauf hin, dass komplexes Leben, wie wir es auf der Erde kennen, sehr lange für seine Entwicklung braucht (und genügend Sauerstoff in der Atmosphäre erfordert), und dass zudem die Bedingungen dafür sehr genau passen müssen. Zudem vollzog sich diese Entwicklung in den Ozeanen. Das heißt, höher entwickeltes Leben gibt es nur im letzten Zehntel der bisherigen Lebensdauer der Erde. Die weitere Entwicklung der Arten erfolgte damals auch nicht allmählich, sondern in größeren Sprüngen in relativ kurzen Zeiten. Das Leben entwickelte sich in seiner Komplexität anscheinend nicht linear (wie meist, bedingt durch die Evolutionstheorie, angenommen wird), sondern in sehr unregelmäßigen Sprüngen. Deshalb hat die Erforschung der kambrischen Explosion große Bedeutung für die Einschätzung, wie groß die Wahrscheinlichkeit ist, dass sich Planeten entwickelt haben, auf denen Leben möglich ist. Dass tierisches Leben sehr selten vorkommen dürfte und der Sprung von einfachem Leben zu komplexem sehr unwahrscheinlich ist, wird auch von der Rare-Earth-Hypothese vertreten.
Ein weiteres Argument ist, dass komplexes Leben aufgrund seines ungleich komplizierteren Aufbaues viel empfindlicher gegen kosmische Katastrophen ist als die einfach aufgebauten einzelligen Prokaryoten (Bakterien und Archäen).
Außerdem kann nicht eingeschätzt werden, wie hoch die Barriere zwischen höher entwickelten Tieren und intelligenten Lebewesen ist, die mit anderen Arten im All kommunizieren oder gar andere Planetensysteme bereisen oder besiedeln könnten.
Die galaktische habitable Zone mini|In einer metallarmen Region oder nahe am Zentrum bei hoher Strahlung könnte ein Planet kein Leben beherbergen (die gezeigte Galaxie ist NGC 7331, oft als ein „Zwilling“ des Milchstraßensystems bezeichnet).
Der Rare-Earth-Hypothese zufolge kann im größten Teil des bekannten Universums, wie auch in großen Teilen unserer Galaxis, kein komplexes Leben vorkommen. Ward und Brownlee bezeichnen diese Regionen als „Todeszonen“. Diejenigen Bereiche, in denen komplexes Leben vorkommen könnte, werden galaktische habitable Zonen genannt. Diese Zone hängt in erster Linie von der Distanz vom galaktischen Zentrum ab. Zunehmende Entfernung vom Zentrum hat nämlich folgende Auswirkungen: Es nimmt die Metallizität der Sterne ab, und Metalle (in der Astronomie werden außer Wasserstoff und Helium alle Elemente als Metalle bezeichnet) sind notwendig, um terrestrische Planeten zu bilden. Die schweren Elemente sorgen bei der Erde auch dafür, dass durch die Hitzeentwicklung aufgrund des radioaktiven Zerfalls im Innern des Planeten die Plattentektonik angetrieben wird. Die Röntgen- und Gammastrahlung aus dem Schwarzen Loch im Zentrum der Galaxis und von den Neutronensternen in Zentrumsnähe wird weniger intensiv. Strahlen dieser Art werden als gefährlich für komplexes Leben erachtet. Deshalb führt die Rare-Earth-Hypothese für sich ins Feld, dass das frühe Universum und möglicherweise gegenwärtig Regionen im Zentrum der Galaxis, in denen die Sternendichte hoch ist und Supernovae häufiger auftreten, ungeeignet für die Entwicklung komplexen Lebens sind. Die Strahlung einer Supernova, die weniger als ein Lichtjahr entfernt wäre, würde die Erde sterilisieren. Leben beeinträchtigen würde eine Supernova bis zu einer Distanz von 30 Lichtjahren.Donald Brownlee, Peter D. Ward: Rare Earth. Copernicus, 2000, S. 27–29. Gravitative Störungen von Planeten und Planetesimalen durch nahe Sterne werden weniger wahrscheinlich, da die Sternendichte bei zunehmender Distanz zum Galaxienzentrum abnimmt. Daher wird die Gefahr, dass der Planet durch einen Meteorboliden getroffen wird, umso geringer, je weiter der Planet vom Zentrum der Galaxie entfernt ist. Ein genügend großer Einschlag könnte das gesamte komplexe Leben eines Planeten auslöschen. Auch nimmt die Wahrscheinlichkeit ab, dass ein Stern dem anderen zu nahe kommt, wodurch es zu Bahnstörungen der Planeten käme, was mit einem Zusammenprall, einem Sturz in die Sonne oder einem Verlassen des Planetensystems enden könnte.
mini|Schema der beobachteten Spiralarme des Milchstraßensystems (der gelbe Kreis stellt die Lage der Sonne dar)
(1) schließt äußere Regionen einer Galaxie aus; (2) und (3) dagegen die inneren Bereiche, Kugelsternhaufen und die Spiralarme von Spiralgalaxien. Diese Arme sind keine physikalischen Objekte, sondern Regionen einer Galaxie, die eine höhere Rate der Sternbildung aufweisen, während sie sich sehr langsam wellenartig durch die Galaxie bewegen. Besonders in Kugelsternhaufen ist die Dichte mit typischerweise 100.000 Sternen in einem Durchmesser von 10 bis 100 Lichtjahren extrem groß. Es würden die Planeten andauernd durch gravitative Wirkungen der Nachbarsterne, Novae und energiereiche Strahlen gestört werden. Bewegt man sich vom Inneren der Galaxie nach außen, steigen zunächst die Chancen, lebensfreundliche Bedingungen vorzufinden; weiter außen werden sie wieder ungünstiger. Deshalb ist die habitable Zone ringförmig eingebettet zwischen dem lebensfeindlichen Zentrum und den äußeren Bereichen. Das System muss lange Zeit stabil sein, um dem Leben die nötige Zeit für seine Entwicklung zu geben. Gerade in diesem Bereich des Milchstraßensystems (zwischen den großen Spiralarmen) mit geringer Sternendichte befindet sich die Sonne.
Befindet sich nun ein Planetensystem in dieser habitablen Zone (also weder im galaktischen Zentrum noch in den Spiralarmen), muss noch sichergestellt sein, dass es so lange in diesem Bereich bleibt, wie die Entwicklung komplexen Lebens benötigt. Wäre die galaktische Umlaufbahn des Planetensystems exzentrisch (elliptisch oder hyperbolisch), würde der Planet auch in die Bereiche der Spiralarme gelangen. Ist hingegen die Umlaufbahn fast kreisförmig und entspricht die Umlaufgeschwindigkeit der der Spiralarme, gelangt der Stern nur allmählich, wenn überhaupt, in die Spiralarmregion.
Elliptische oder irreguläre Galaxien sind für Leben generell weniger geeignet, da weniger Material zur Sternentstehung vorhanden ist. Dies führt zu geringerer Sternbildung und alte Sterne dominieren. In offenen Sternhaufen befinden sich meist sehr junge Sterne mit einem typischen Alter von 10 Millionen Jahren. Aufgrund der fehlenden Zeit und auch möglicher Störungen der Planetenbahnen durch die Nachbarsterne scheiden diese Orte ebenfalls für Leben aus.
mini|Kugelsternhaufen sind wenig geeignet, Leben zu beherbergen.