Bentornati alla nostra serie Fermi Paradox, dove diamo uno sguardo alle possibili soluzioni alla famosa domanda di Enrico Fermi: “Dove sono tutti? Oggi esaminiamo la possibilità che la Terra sia stata visitata dagli alieni in passato, ed è per questo che esistiamo oggi!

Nel 1950, il fisico italo-americano Enrico Fermi si è seduto a pranzo con alcuni dei suoi colleghi del Laboratorio Nazionale Los Alamosdove aveva lavorato cinque anni prima nell’ambito del Progetto Manhattan. Secondo vari resoconti, la conversazione si è rivolta agli alieni e alla recente ondata di UFO. In questo, Fermi rilasciò una dichiarazione che sarebbe entrata negli annali della storia: “Dove sono tutti?“

Questo divenne la base del Fermi Paradossoche si riferisce alla disparità tra le stime di alta probabilità dell’esistenza dell’intelligenza extraterrestre (ETI) e l’apparente mancanza di prove. Fin dai tempi di Fermi, ci sono state diverse proposte di risoluzione alla sua domanda, che includono la possibilità molto reale che la colonizzazione interstellare segua la regola di base di Teoria della percolazione.

Uno dei presupposti chiave alla base del Paradosso di Fermi è che, data l’abbondanza di pianeti e l’età dell’Universo, una eso-civilizzazione avanzata dovrebbe hanno ormai colonizzato una porzione significativa della nostra galassia. Questo non è certo privo di merito, considerando che solo all’interno della Via Lattea (che ha più di 13,5 miliardi di anni), si stima che ci siano tra i 100 e i 400 miliardi di stelle.

Un altro presupposto fondamentale è che le specie intelligenti saranno motivate a colonizzare altri sistemi stellari come parte di una qualche spinta naturale per esplorare ed estendere la portata della loro civiltà. Infine, ma certamente non meno importante, presuppone che i viaggi spaziali interstellari siano fattibili e persino pratici per una esocultura avanzata.

Ma questo, a sua volta, si riduce al presupposto che i progressi tecnologici forniranno soluzioni alla più grande sfida dei viaggi interstellari. In breve, la quantità di energia necessaria a una navicella spaziale per viaggiare da una stella all’altra è proibitiva, soprattutto se si tratta di navicelle spaziali di grandi dimensioni con equipaggio.

La relatività è un’ostinata padrona

Nel 1905, Einstein pubblicò il suo fondamentale saggio in cui avanzò la sua Teoria Speciale della Relatività. Questo fu il tentativo di Einstein di conciliare le Leggi del movimento di Newton con Le equazioni di Maxwell di elettromagnetismo al fine di spiegare il comportamento della luce. Questa teoria afferma essenzialmente che la velocità della luce (oltre ad essere costante) è un limite assoluto oltre il quale gli oggetti non possono viaggiare.

Questo è riassunto dalla famosa equazione, E=mc²che è altrimenti nota come “equivalenza di massa-energia”. In parole povere, questa formula descrive l’energia (E) di una particella nel suo telaio di riposo come prodotto della massa (m) con la velocità della luce al quadrato (c²) – ca. 300000 km/s; 186000 mi/s. Una conseguenza di ciò è che quando un oggetto si avvicina alla velocità della luce, la sua massa aumenta invariabilmente.

Pertanto, perché un oggetto raggiunga la velocità della luce, sarebbe necessario spendere una quantità infinita di energia per accelerarla. Una volta che c è stato raggiunto, anche la massa dell’oggetto sarebbe diventata infinita. In breve, raggiungere la velocità della luce è impossibile, figuriamoci superarla. Quindi, a meno che non si verifichi una qualche enorme rivoluzione nella nostra comprensione della fisica, un sistema di propulsione FTL (Faster-Than-Light) non potrà mai esistere.

Tale è la conseguenza del vivere in un Universo relativistico, dove viaggiare anche solo ad una frazione della velocità della luce richiede enormi quantità di energia. E mentre alcune idee molto interessanti e innovative sono state prodotte nel corso degli anni da fisici e ingegneri che vogliono vedere i viaggi interstellari diventare una realtà, nessuno dei concetti in equipaggio è quello che si potrebbe definire “conveniente”.

Una questione di principio

Ciò solleva una questione filosofica molto importante, legata al Paradosso di Fermi e all’esistenza delle IET. Questo non è altro che il Principio Copernicano, chiamato in onore del famoso astronomo Nicolaus Copernicus. Per scomporlo, questo principio è un’estensione dell’argomentazione di Copernico sulla Terra, su come non fosse in una posizione unica e privilegiata per vedere l’Universo.

Esteso al regno cosmologico, il principio afferma fondamentalmente che quando si considera la possibilità di una vita intelligente, non si deve presumere che la Terra (o l’umanità) sia unica. Allo stesso modo, questo principio sostiene che l’Universo così come lo vediamo oggi è rappresentativo della norma, ovvero che si trova in uno stato di equilibrio.

La visione opposta, che l’umanità è in una posizione unica e privilegiata per osservare l’Universo, è il cosiddetto Principio Antropico. In poche parole, questo principio afferma che l’atto stesso di osservare l’Universo per i segni della vita e dell’intelligenza richiede che le leggi che lo governano siano favorevoli alla vita e all’intelligenza.

Se accettiamo il Principio Copernicano come principio guida, siamo costretti ad ammettere che qualsiasi specie intelligente affronterebbe le stesse sfide del volo interstellare. E poiché non prevediamo un modo per aggirarle, a meno che non ci sia una svolta importante nella nostra comprensione della fisica, forse neanche altre specie ne hanno trovata una. Potrebbe essere questo il motivo del “Grande Silenzio”?

Origine

L’idea che la distanza e il tempo possano essere un fattore (in relazione al Paradosso di Fermi) ha ricevuto una certa considerazione nel tempo. Carl Sagan e William I. Newman suggerirono nel loro studio del 1981, “Civiltà galattiche: Dinamiche di popolazione e diffusione interstellareche i segnali e le sonde dell’ETI potrebbero non aver ancora raggiunto la Terra. Questo è stato criticato da altri scienziati che hanno sostenuto che contraddiceva il Principio Copernicano.

Secondo le stime di Sagan e Newman, il tempo necessario a un’ETI per esplorare l’intera galassia è pari o inferiore all’età della nostra galassia stessa (13,5 miliardi di anni). Se le sonde o i segnali di un’esocivilizzazione non ci hanno ancora raggiunto, questo significherebbe che la vita senziente ha cominciato ad emergere nel passato più recente. In altre parole, la galassia si trova in uno stato di disequilibrio, passando da uno stato di disabitato ad uno di abitato.

Tuttavia, è stato Geoffrey A. Landis a fare quello che forse è l’argomento più convincente sui limiti imposti dalle leggi della fisica. Nel suo saggio del 1993, “Il paradosso di Fermi: un approccio basato sulla teoria della percolazioneEgli sosteneva che, come conseguenza della Relatività, un’esocultura sarebbe stata in grado di espandersi in tutta la galassia solo fino ad un certo punto.

Al centro dell’argomentazione di Landis c’era il concetto di statistica matematica e fisica, noto come “teoria della percolazione,” che descrive come si comporta una rete quando vengono rimossi i nodi o i collegamenti. In accordo con questa teoria, quando vengono rimossi un numero sufficiente di collegamenti della rete, questa si scompone in cluster collegati più piccoli. Secondo Landis, questo stesso processo è utile per descrivere cosa succede alle persone impegnate nella migrazione.

In breve, Landis ha proposto che in una galassia in cui la vita intelligente è statisticamente probabile, non ci sarà una “uniformità di motivazione” tra le civiltà extraterrestri. Al contrario, la sua modalità presuppone una grande varietà di motivi, con alcuni che scelgono di avventurarsi e colonizzare mentre altri scelgono di “restare a casa”. Come lui stesso ha spiegato:

“Poiché è possibile, dato un numero abbastanza grande di civiltà extraterrestri, una o più civiltà extraterrestri si sarebbero certamente impegnate a farlo, possibilmente per motivi a noi sconosciuti. La colonizzazione richiederà un tempo estremamente lungo e sarà molto costosa.

“È abbastanza ragionevole supporre che non tutte le civiltà saranno interessate a fare una spesa così grande per un pagamento lontano nel futuro. La società umana consiste in una miscela di culture che esplorano e colonizzano, a volte su distanze estremamente grandi, e culture che non hanno interesse a farlo”.

Per riassumere, una specie avanzata non colonizzerebbe la galassia in modo rapido o costante. Al contrario, si “percolerebbe” verso l’esterno fino a una distanza finita, dove i costi crescenti e il tempo di ritardo tra le comunicazioni imponevano limiti e le colonie evolvevano le proprie culture. Così, la colonizzazione non sarebbe uniforme, ma avverrebbe in cluster con grandi aree che rimangono incolonnate in qualsiasi momento.

Un’argomentazione simile è stata fatta nel 2019 dal Prof. Adam Frank e da un team di ricercatori di esopianeti della NASA. Nesso per la scienza dei sistemi esoplanetari (NExSS). In uno studio intitolato “Il Paradosso di Fermi e l’Effetto Aurora: Insediamento eso-civiliato, espansione e Stati stabiliEssi sostengono che l’insediamento della galassia avverrebbe anche in ammassi, perché non tutti i pianeti potenzialmente abitabili sarebbero ospitali per una specie colonizzatrice.

Naturalmente, il modello di Landis contiene alcuni presupposti intrinseci, che egli stesso ha esposto in precedenza. In primo luogo, c’era il presupposto che i viaggi interstellari sono difficili a causa delle leggi della fisica e che c’è una distanza massima su cui le colonie possono essere stabilite direttamente. Quindi, una civiltà colonizzerà solo entro una distanza ragionevole dalla sua casa, oltre la quale si verificherà una colonizzazione secondaria in seguito.

In secondo luogo, Landis parte anche dal presupposto che la civiltà madre avrà una debole conoscenza di tutte le colonie che creerà, e il tempo necessario perché queste sviluppino la propria capacità di colonizzazione sarà molto lungo. Quindi, ogni colonia creata svilupperà la propria cultura nel tempo e la sua gente avrà un senso di sé e di identità distinto da quello della civiltà madre.

Come abbiamo esplorato in un precedente articolo, ci vorrebbe tra 1000 e 81.000 anni per raggiungere Proxima Centauri (a 4,24 anni luce di distanza) utilizzando la tecnologia attuale. Mentre ci sono concetti che consentirebbero di viaggiare in modo relativistico (una frazione della velocità della luce), il tempo di viaggio sarebbe comunque da qualche decennio a più di un secolo. Per di più, il costo sarebbe estremamente proibitivo (più sotto).

Ma portare i coloni in un altro sistema stellare è solo l’inizio. Una volta che si sono stabiliti su un pianeta abitabile nelle vicinanze (e non tutti sono morti) e hanno le infrastrutture per le comunicazioni interstellari, ci vorrebbero ancora 8 anni e mezzo per inviare un messaggio alla Terra e ricevere una risposta. Questo non è semplicemente pratico per qualsiasi civiltà che spera di mantenere il controllo centralizzato o l’egemonia culturale sulle sue colonie.

Lo spazio è costoso!

Per mettere le cose in prospettiva, considerate i costi associati alla storia dell’esplorazione spaziale dell’umanità. Inviare astronauti sulla Luna come parte della Programma Apollo tra il 1961 e il 1973 è costato 25,4 miliardi di dollari, che oggi ammontano a circa 150 miliardi di dollari (se si tiene conto dell’inflazione). Ma Apollo non si è verificato nel vuoto, e per prima cosa ha richiesto Progetto Mercurio e Progetto Gemelli come pietre miliari.

Questi due programmi, che hanno messo in orbita i primi astronauti americani e sviluppato le competenze necessarie per arrivare sulla Luna, hanno fruttato rispettivamente circa 2,3 miliardi di dollari e 10 miliardi di dollari (se corretti). Sommandoli tutti, si ottiene un totale di circa 163 miliardi di dollari spesi dal 1958 al 1972. A titolo di confronto, Progetto Artemische riporterà gli astronauti sulla Luna per la prima volta dal 1972, costerà 35 miliardi di dollari nei prossimi quattro anni!

Questo non include i costi per portare tutti i vari componenti a questa fase del gioco, come lo sviluppo della SLS fino ad ora, il Orion capsula spaziale, e la ricerca sulla Porta Lunare, sistemi di atterraggio umano (HLS), e missioni robotiche. Sono un sacco di soldi solo per arrivare all’unico satellite della Terra. Ma non è niente in confronto ai costi delle missioni interstellari!

Andare nell’Interstellar?

Sin dagli albori dell’era spaziale, sono state avanzate molte proposte teoriche per l’invio di veicoli spaziali verso le stelle più vicine. Al centro di ognuna di queste proposte c’era la stessa preoccupazione: possiamo raggiungere le stelle più vicine nella nostra vita? Per rispondere a questa sfida, gli scienziati hanno contemplato una serie di strategie di propulsione avanzate che sarebbero state in grado di spingere le navicelle spaziali a velocità relativistiche.

Di queste, la più diretta è stata sicuramente Progetto Orion (1958-1963), che si baserebbe su un metodo noto come Propulsione nucleare a impulsi (NPP). Guidato da Ted Taylor di General Atomics e dal fisico Freeman Dyson dell’Institute for Advanced Study della Princeton University, questo progetto prevedeva una massiccia astronave che avrebbe utilizzato la forza esplosiva generata dalle testate nucleari per generare la spinta.

Queste testate sarebbero state rilasciate dietro la navicella spaziale e fatte detonare, creando impulsi nucleari. Questi sarebbero assorbiti da una piastra di pressione montata posteriormente (alias “spintore”) che traduce la forza esplosiva in impulso in avanti. Anche se inelegante, il sistema era brutalmente semplice ed efficace, e poteva teoricamente raggiungere velocità fino al 5% della velocità della luce (5,4×10⁷ km/ora, o 0,05 c).

Ahimè, il costo. Secondo le stime prodotte da Dyson nel 1968un veicolo spaziale Orion peserebbe tra le 400.000 e le 4.000.000.000 di tonnellate. Secondo le stime più prudenti di Dyson, il costo di costruzione di un’astronave di questo tipo ammonta a 367 miliardi di dollari (2,75 trilioni di dollari se si tiene conto dell’inflazione). Si tratta di circa il 78% delle entrate annuali del governo statunitense per il 2019 e del 10% del PIL del Paese.

Un’altra idea era quella di costruire razzi che si basano su reazioni termonucleari per generare spinta. In particolare, il concetto di Propulsione a fusione è stato indagato dal Società Interplanetaria Britannica tra il 1973 e il 1978 nell’ambito di uno studio di fattibilità noto come Progetto Dedalo. Il progetto risultante richiedeva una navicella spaziale a due stadi che generasse la spinta fondendo i pellet di deuterio/elio-3 in una camera di reazione con l’ausilio di laser a elettroni.

Questo creerebbe un plasma ad alta energia che verrebbe poi convertito in spinta da un ugello magnetico. Il primo stadio della navicella spaziale funzionerebbe per poco più di 2 anni e accelererebbe la navicella al 7,1% della velocità della luce (0,071 c). Questa fase verrebbe poi abbandonata e la seconda fase prenderebbe il sopravvento e accelererebbe la navicella fino a circa il 12% della velocità della luce (0,12 c) nel corso di 1,8 anni.

Il motore del secondo stadio verrebbe poi spento e la nave entrerebbe in un periodo di crociera di 46 anni. Secondo le stime del Progetto, la missione impiegherebbe 50 anni per raggiungere la Stella di Barnard (a meno di 6 anni luce di distanza). Aggiustato per Proxima Centauri, la stessa nave potrebbe compiere il viaggio in 36 anni. Ma oltre alle barriere tecnologiche individuate dal Progetto, c’erano anche i costi.

Anche per il modesto standard di un concetto non equipaggiato, una Daedalus completamente alimentata peserebbe fino a 60.000 Mt e costerebbe oltre 5.267 miliardi di dollari (in base alle stime del 2012). Adeguato al 2020 USD, il prezzo di una Daedalus completamente assemblata costerebbe quasi 6.000 miliardi di dollari. Icaro Interstellareun’organizzazione internazionale di scienziati cittadini volontari (fondata nel 2009) ha cercato di rivitalizzare il concetto con Progetto Icaro.

Un’altra idea audace e audace è Propulsione ad antimateriache si baserebbe sull’annientamento della materia e dell’antimateria (idrogeno e particelle antiidrogeno). Questa reazione scatenò tanta energia quanta una detonazione termonucleare e una pioggia di particelle subatomiche (pioni e muoni). Queste particelle, che viaggerebbero poi ad un terzo della velocità della luce, sono incanalate da un ugello magnetico per generare la spinta.

Purtroppo, si stima che il costo di produzione anche di un solo grammo di carburante antimateria si aggiri intorno a un trilione di dollari. Secondo un rapporto di Robert Frisbee della NASA Gruppo Tecnologie Avanzate di Propulsione (NASA Eagleworks), un razzo ad antimateria a due stadi avrebbe bisogno di oltre 815.000 tonnellate metriche (900.000 tonnellate USA) di carburante per compiere il viaggio verso Proxima Centauri in circa 40 anni.

Un rapporto più ottimistico di Dr. Darrel Smith & Jonathan Webby del Embry-Riddle Università Aeronautica afferma che un veicolo spaziale del peso di 400 tonnellate metriche (441 tonnellate USA) e 170 tonnellate metriche (187 tonnellate USA) di carburante antimateria potrebbe raggiungere una velocità della luce pari a 0,5. A questo ritmo, l’astronave potrebbe raggiungere Proxima Centauri in un po’ più di 8 anni, ma non c’è un modo economico per farlo e non ci saranno mai garanzie.

In tutti i casi, il propellente costituisce una gran parte della massa complessiva di questo concetto. Per far fronte a questo, sono state proposte varianti che potrebbero generare il loro propellente. Nel caso dei razzi a fusione, c’è il Bussard Ramjetche utilizza un enorme imbuto elettromagnetico per “raccogliere” l’idrogeno dal mezzo interstellare e dai campi magnetici per comprimerlo fino al punto in cui avviene la fusione.

Allo stesso modo, c’è il Sistema Esploratore Interstellare Interstellare a razzo da vuoto a antimateria (VARIE), che crea anche il proprio carburante dal mezzo interstellare. Proposta da Richard Obousy di Icarus Interstellar, una nave VARIES si affiderebbe a grandi laser (alimentati da enormi array solari) che, sparando nello spazio vuoto, creerebbero particelle di antimateria.

Purtroppo, nessuna di queste idee è possibile con la tecnologia attuale, né rientra nell’ambito dell’efficacia dei costi (non di molto). Date le circostanze, e salvo diversi importanti sviluppi tecnologici che ridurrebbero i costi associati, sarebbe giusto dire che qualsiasi idea per le missioni interstellari con equipaggio è semplicemente impraticabile.

L’invio di sonde ad altre stelle nella nostra vita è ancora possibile, specialmente quelle che si basano su Diretta-Energia Propulsione (DEP). Come proposte come Starshot rivoluzionario oppure Progetto Dragonfly mostrano, queste vele potrebbero essere accelerate a velocità relativistiche e avere tutto l’hardware necessario per raccogliere immagini e dati di base su qualsiasi esopianeta orbitante.

Tuttavia, tali sonde sono un mezzo potenzialmente affidabile ed economico per l’esplorazione interstellare, non per la colonizzazione. Inoltre, il lasso di tempo necessario per le comunicazioni interstellari limiterebbe comunque la possibilità di esplorare queste sonde, pur continuando a riferire alla Terra. Pertanto, è improbabile che un’eso-civilizzazione invii sonde ben oltre i confini del suo territorio.

Critiche

Una possibile critica alla teoria della percolazione è che essa permette molti scenari e interpretazioni che permetterebbero il contatto a questo punto. Se ipotizziamo che una specie intelligente impiegherebbe allo stesso modo 4,5 miliardi di anni per emergere (il tempo che intercorre tra la formazione della Terra e l’uomo moderno), e consideriamo che la nostra galassia esiste da 13,5 miliardi di anni, il che lascia ancora una finestra di 9 miliardi di anni.

Per 9 miliardi di anni, molteplici civiltà avrebbero potuto andare e venire e mentre nessuna specie avrebbe potuto colonizzare l’intera galassia, è difficile immaginare che questa attività sarebbe passata inosservata. Date le circostanze, si può essere costretti a concludere che oltre ad essere limiti a come una civiltà può raggiungere che ci sono altri fattori limitanti in gioco (Grande Filtro, qualcuno?)

Tuttavia, è importante ricordare a noi stessi che nessuna proposta di risoluzione al Fermi Paradox è senza la sua quota di buchi. Inoltre, aspettarsi che una teoria o un teorico abbia tutte le risposte a un argomento così complesso (eppure povero di dati) come l’esistenza degli extraterrestri è tanto irrealistico quanto aspettarsi coerenza nel comportamento degli stessi IET!

Nel complesso, questa ipotesi è molto utile per il modo in cui scompone molte delle ipotesi inerenti al “Fatto A”. Essa presenta anche un punto di partenza del tutto logico per rispondere alla domanda fondamentale. Perché non abbiamo avuto notizie da nessuna IET? Perché non è realistico concludere che essi dovrebbe hanno ormai colonizzato la maggior parte della galassia, soprattutto quando le leggi della fisica (come le conosciamo) lo impediscono.

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Abbiamo scritto molti articoli interessanti sul Paradosso di Fermi, l’Equazione di Drake e la Ricerca dell’Intelligenza Extraterrestre (SETI) qui a Universe Today.

Vuoi calcolare il numero di specie extraterrestri nella nostra galassia? Andate al Calcolatrice della civiltà aliena!

Ecco Dove sono gli alieni? Come il “grande filtro” potrebbe influire sui progressi tecnologici nello spazio, perché trovare la vita aliena sarebbe un male. Il Grande Filtro, come potremmo trovare gli alieni? La ricerca dell’intelligenza extraterrestre (SETI), e Fraser e John Michael Godier discutono del paradosso di Fermi.

E non dimenticate di dare un’occhiata al resto della nostra serie Beyond Fermi’s Paradox:

Astronomia Cast ha alcuni episodi interessanti sull’argomento. Ecco Episodio 24: Il Paradosso di Fermi: Dove sono tutti gli alieni?, Episodio 110: La ricerca dell’intelligenza extraterrestre, Episodio 168: Enrico Fermi, Episodio 273: Soluzioni al Paradosso di Fermi.

Fonti:

• Sagan, C. & Newman, N.I.”Civiltà Galattiche: Dinamica della popolazione e diffusione interstellare.” Icaro, Volume 46, Edizione 3 (1981)
• Sagan, C. & Newman, N.I.”L’approccio solipsista all’intelligenza extraterrestre.” Giornale trimestrale della Royal Astronomical Society, Vol. 24 (1983)
• Brin, G.D.”Il Grande Silenzio – la polemica sulla vita intelligente extraterrestre.” Giornale trimestrale della Royal Astronomical Society, Vol. 24 (1983)
• Jones, E.M. “”.Dove sono tutti? Un resoconto della domanda di Fermi.” Ufficio di Scientific & Relazioni tecniche di informazione tecnica (1985)
• Landis, G.A.”Il paradosso di Fermi: un approccio basato sulla teoria della percolazione.” Giornale della Società Interplanetaria Britannica, Vol. 51, n. 5 (1993)