Lipotesi della rarità della Terra è un'ipotesi, nel campo della planetologia e dell'astrobiologia, secondo cui l'emergere della vita pluricellulare (Metazoa) sulla Terra ha richiesto una combinazione estremamente improbabile di eventi e circostanze astrofisiche e geologiche.
Questa ipotesi è opposta al principio di mediocrità (un'estensione del principio copernicano), i cui più famosi sostenitori sono Carl Sagan e Frank Drake.Brownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages xxi-xxiii. Copernicus. 2000. Una conseguenza di tale principio sarebbe che l'universo brulicherebbe di vita, anche avanzata: la Terra sarebbe un tipico pianeta roccioso in un tipico sistema planetario, situato in una regione non speciale di una grande ma comune galassia a spirale. Il paleontologo Peter Ward e l'astronomo Donald Brownlee affermano invece il contrario: i pianeti, i sistemi planetari e le regioni galattiche adatte alla vita complessa, allo stesso modo della Terra, del sistema solare e della nostra regione della Via Lattea sono estremamente rare.
Se la vita complessa può evolvere solo su un pianeta di tipo terrestre, allora l'ipotesi della rarità della Terra risolve il paradosso di Fermi che afferma: «Se le forme di vita extraterrestri sono comuni, perché non si trovano?».Webb, Stephen, 2002. If the universe is teeming with aliens, where is everybody? Fifty solutions to the Fermi paradox and the problem of extraterrestrial life. Copernicus Books (Springer Verlag) Il paradosso viene risolto affermando che le forme di vita extraterrestri non sono comuni, ma rare.
Rarità della vita complessa Secondo questa ipotesi la comparsa di forme di vita complesse richiederebbe una serie di circostanze fortuite. Tra queste: una regione galattica abitabile una stella centrale e un sistema planetario che soddisfino certe caratteristiche una regione circumstellare abitabile la dimensione del pianeta il vantaggio di un grande satellite le condizioni necessarie affinché il pianeta possieda una magnetosfera e una tettonica a placche una chimica appropriata della litosfera, dell'atmosfera e degli oceani eventi come glaciazioni globali rarità di impatti di meteoriti o altri corpi altri eventi ancora misteriosi come l'esplosione cambriana di phyla animali
La comparsa di forme di vita intelligenti richiederebbe ulteriori eventi rari.
Ward e Browlee affermano che un pianeta roccioso può supportare la vita complessa se molte variabili cadono in un ristretto intervallo di valori. L'universo è vasto a sufficienza per contenere molti pianeti di tipo terrestre; ma se pure questi pianeti esistono, essi sono probabilmente separati da diverse migliaia di anni luce, distanze tali da rendere difficoltose ma non impossibili le comunicazioni tra eventuali esseri intelligenti che si evolvano su questi pianeti. Proprio il fatto che questa possibilità sia non solo reale ma ragionevolmente con probabilità vicina alla certezza costituisce la conclusione del celebre paradosso di Fermi (esplicitato dalla sua frase: se l'universo brulica di alieni, dove sono tutti quanti?),Stephen Webb, Se l'universo brulica di alieni... dove sono tutti quanti?, Milano, Sironi, 2004. ISBN 978-88-518-0041-3 ed è un indizio a favore della rarità della Terra. Infatti sulla linea suggerita dal paradosso un'ipotetica civiltà evoluta potrebbe colonizzare l'intera galassia in non più di un milione di anni.
Regione galattica abitabile
La maggior parte dell'universo conosciuto, tra cui estese regioni della nostra galassia, non può sostenere la vita complessa. Ward e Brownlee chiamano queste regioni "zone morte". La regione della galassia dove è possibile lo sviluppo di vita complessa è chiamata zona galattica abitabile. Questa zona è in funzione principalmente della distanza dal centro galattico. Man mano infatti che la distanza aumenta si modificano i seguenti fattori: La metallicità delle stelle diminuisce, e i metalli (che in astronomia vengono considerati praticamente tutti gli elementi diversi dall'idrogeno e l'elio) sono necessari per la formazione dei pianeti terrestri. Le radiazioni di raggi X e di raggi gamma generate dal buco nero presente nel centro galattico e dalle stelle di neutroni diminuiscono di intensità. Questo tipo di radiazioni è considerato pericoloso per le forme di vita complesse, quindi l'ipotesi della rarità della Terra prevede che l'universo primordiale e le regioni della galassia dove la densità stellare è elevata e le supernove sono comuni non siano adatte allo sviluppo di vita complessa.Brownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages 27 - 29. Copernicus. 2000. La perturbazione gravitazionale dei pianeti da parte delle stelle vicine diventa meno intensa man mano che diminuisce la densità stellare. Quindi, maggiore è la distanza di un pianeta dal centro galattico e minore è la probabilità che esso venga colpito da un corpo celeste. Un impatto sufficientemente grande può provocare l'estinzione di tutte le forme di vita complesse presenti su un pianeta.
Il primo fattore esclude le zone esterne di una galassia, mentre il secondo e il terzo escludono le regioni galattiche interne, gli ammassi globulari e i bracci della spirale, regioni in cui ha luogo un'intensa formazione di stelle. Spostandosi dal centro di una galassia fino alla sua periferia la capacità di sostenere la vita complessa aumenta e poi decresce, quindi la zona galattica abitabile ha la forma di un anello che si trova tra il centro e le estremità.
Mentre un sistema planetario può essere una zona favorevole per lo sviluppo della vita complessa, l'evoluzione di quest'ultima richiede che il sistema mantenga per un determinato periodo una data posizione. Ad esempio, una stella centrale con un'orbita galattica che la porta fuori dalle regioni con elevati valori di radioattività come il centro galattico potrebbe essere una candidata. Se l'orbita è eccentrica, allora intersecherà alcuni bracci della spirale, ma se invece è un'orbita perfettamente circolare e la velocità uguaglia la velocità di rotazione dei bracci, allora la stella entrerà in queste regioni solo gradualmente oppure non le intersecherà mai. Per questi motivi gli autori della teoria concludono che una stella che sostiene la vita deve possedere un'orbita galattica quasi circolare attorno al centro della galassia. La sincronizzazione richiesta della velocità orbitale con la velocità dei bracci può avvenire solo all'interno di uno stretto intervallo di distanza dal centro galattico. Lineweaver ed alcuni colleghiLineweaver, Charles H., Fenner, Yeshe, and Gibson, Brad K., 2004, "The Galactic Habitable Zone and the Age Distribution of Complex Life in the Milky Way ," Science 303: 59-62. calcolano che questa zona abitabile è un anello con diametro variabile da 7 a 9 KiloParsec che include solo il 10% delle stelle totali della Via LatteaBrownlee, Donald. Ward, Peter D. "Rare Earth", pages 32. Copernicus. 2000.. In base alle stime conservative del numero totale di stelle della galassia, la regione abitabile conterrebbe dai 20 ai 40 miliardi di stelle. Gonzalez ed altriGuillermo Gonzalez, Brownlee, Donald, and Ward, Peter, 2001, "The Galactic Habitable Zone: Galactic Chemical Evolution," Icarus 152: 185-200. hanno proposto di dimezzare questi valori, stimando che al più il 5% delle stelle della Via Lattea si trovano nella regione abitabile.
L'orbita galattica del Sole è infatti quasi perfettamente circolare attorno al centro della Via Lattea con un periodo di 226 milioni di anni, molto vicino al periodo di rotazione della galassia. Tuttavia Masters calcola che l'orbita del Sole intersechi un braccio della spirale approssimativamente ogni 100 milioni di anni. Al contrario, l'ipotesi della rarità della Terra prevede che il Sole non abbia attraversato mai alcun braccio.
Una stella centrale con le giuste caratteristiche Gli esobiologi ritengono in generale che la stella centrale di un pianeta che ospita la vita debba essere di dimensioni appropriate. Le stelle più grandi emettono molte radiazioni ultraviolette, che impediscono lo sviluppo di vita (a parte microorganismi sotterranei). Queste stelle hanno un'esistenza di milioni e non miliardi di anni, terminata la quale esplodono come supernove. I resti di questa esplosione sono costituiti da stelle di neutroni o buchi neri che emettono intense quantità di raggi X e raggi gamma. Per questi motivi i pianeti che orbitano attorno a stelle di grandi dimensioni, calde o stelle binarie che termineranno il loro ciclo come supernove hanno un'esistenza troppo breve per permettere l'evoluzione della vita.
L'esempio del pianeta Terra suggerisce che la vita complessa richiede acqua allo stato liquido, quindi i pianeti adatti alla vita devono orbitare ad una distanza appropriata. Questo concetto è alla base della definizione di zona abitabile o principio di Goldilocks (da cui proviene il termine Pianeta Goldilocks),Hart, M. "Habitable Zones Around Main Sequence Stars," Icarus, 37, 351 (1979). che possiede la forma di un anello attorno alla stella centrale. Se un pianeta orbita ad una distanza troppo ridotta o troppo elevata, la temperatura superficiale è incompatibile con lo stato liquido dell'acqua (anche se potrebbe essere presente acqua liquida sottosuperficiale, come viene ipotizzato per EuropaReynolds, R. T., McKay, C. P., and Kasting, J. F. "Europa, Tidally Heated Oceans, and Habitable Zones Around Giant Planets," Advances in Space Research, 7 (5), 125 (1987).). Kasting et al (1993) stimano che la zona abitabile per il sistema solare si estenda da 0,95 UA fino a 1,15 UA di distanza dal Sole.James Kasting, Whitmire, D. P., and Reynolds, R. T., 1993, "Habitable zones around main sequence stars," Icarus 101: 108-28.
La zona abitabile varia a seconda del tipo e dell'età della stella centrale: nel caso di una stella appartenente alla sequenza principale, la zona si sposta molto lentamente nel tempo fino a quando la stella diventa una nana bianca. Da questo momento in poi la zona abitabile scompare. Inoltre la zona abitabile è strettamente correlata con l'effetto serra creato dall'anidride carbonica atmosferica (CO2).
Si presume che una stella debba avere dei pianeti rocciosi nella sua zona abitabile. Nonostante la regione sia più ampia nel caso di stelle più calde, come Sirio o Vega, si presentano due problemi: i pianeti si formano a distanza troppo ravvicinata per trovarsi in questa regione abitabile. Anche se questo non impedisce la formazione della vita in eventuali satelliti naturali di giganti gassosi, le emissioni ultraviolette ionizzerebbero qualunque atmosfera planetaria. le stelle calde, come detto sopra, hanno un periodo di esistenza minore e possono diventare giganti rosse in un miliardo di anni. Questo periodo, breve da un punto di vista astronomico, non è ritenuto sufficiente per l'evoluzione di vita in forme avanzate. Queste considerazioni portano ad escludere le stelle massicce dai tipi F6 al tipo O (vedere la classificazione stellare).
Le piccole nane rosse, d'altra parte, hanno regioni abitabili con un raggio ridotto. Questa vicinanza costringe un pianeta a rivolgere un lato sempre verso la stella, mentre l'altro lato rimane permanentemente in ombra. In altre parole il pianeta è in rotazione sincrona, una circostanza che causa il surriscaldamento di un lato del pianeta lasciando l'altro molto freddo. I pianeti all'interno di una regione abitabile con breve distanza dalla stella corrono anche i rischi di brillamento che ionizzano l'atmosfera ed ostacolano le forme complesse di vita. I sostenitori della teoria della rarità della Terra sostengono che questo tipo di stelle deve essere escluso dall'elenco di quelle che possono sostenere la vita, ma alcuni esobiologi controbattono affermando che è possibile lo sviluppo di vita in alcune circostanze. Questo contrasto di opinioni è fondamentale per l'ipotesi, poiché le stelle di tipo K e M costituiscono il 90% di tutte le stelle.