Die Drake-Gleichung

Der von der Erde aus sichtbare Teil der Milchstrasse. (Quelle: ESO/S. Brunier)

Künsterlische Darstellung der Milchstraße. (Quelle: NASA/JPL-Caltech/ESO/R. Hurt; via Wikimedia Commons)

Dr. Frank Drake (Quelle: Raphael Perrino; via Wikipedia; CC-BY 2.0)

Bei guten Bedingungen kann man mit bloßem Auge 6000 Sterne am Nachthimmel sehen. Das ist unsere unmittelbare kosmische Nachbarschaft und nur ein verschwindend kleiner Teil der Milchstraße. Der weitaus größere Teil ist von der Erde aus nur als helles Band am Nachthimmel zu sehen. Die einzelnen Sterne sind zu weit entfernt, um einzeln wahrgenommen zu werden. Doch auch das ist nur ein kleiner Teil einer Galaxie mit so vielen Sternen, dass wir nicht einmal auf 150 Milliarden genau sagen können, wie viele es sind. Schätzungen gehen von 100 bis 400 Milliarden aus. Die meisten davon werden uns für immer verborgen bleiben hinter Staubwolken und unzähligen anderen Sternen.

Der Durchmesser der Milchstraße beträgt 185000 Lichtjahre. Wenn es möglich wäre die Erde zu diesem Zeitpunkt von einem Planeten auf der anderen Seite der Galaxie zu beobachten, dann würde man dort jetzt einen Planeten mit mächtigen Polarkappen sehen. Das Eis weit vorgedrungen in mittlere Breiten, bewohnt von zwei humanoiden Spezies. Dem Homo Sapien und dem Neandertaler. Es wäre das Licht einer längst vergangenen Zeit.

Wenn es so viele Sterne gibt und Leben auf der Erde entstehen konnte, warum dann nicht auch anderswo in der Milchstraße? Wie viele andere Zivilisationen könnten existieren? Es ist eine Frage, die auch den amerikanischen Astrophysiker Frank Drake beschäftigte. Er stellte im Jahr 1961 eine Gleichung vor, mit der die Anzahl an technischen, intelligenten Zivilisationen in der Milchstraße abgeschätzt werden kann.

Diese, nach ihm benannte Gleichung lautet:

\begin{equation} \Large \nonumber N = R_* \cdot f_p \cdot n_e \cdot f_l \cdot f_i \cdot f_c \cdot L \end{equation}

wobei:

$N$ - Anzahl der Zivilisationen in der Milchstraße mit denen Kommunikation möglich sein könnte.
$R_*$ - Mittlere Rate, mit der Sterne entstehen, welche die Entstehung von intelligentem Leben zulassen.
$f_p$ - Anteil der Sterne mit Planeten.
$n_e$ - Mittlere Anzahl an Planeten pro Stern, auf denen Leben möglich ist.
$f_l$ - Anteil der Planeten die Leben unterhalten könnten und auf denen sich tatsächlich Leben entwickelt.
$f_i$ - Anteil der Planeten mit Leben auf denen sich intelligentes Leben entwickelt.
$f_c$ - Anteil der Zivilisationen welche Technologie entwickeln, welche detektierbare Signale ins All senden.
$L$ - Die Gesamtzeit über welche die Zivilisationen detektierbar sind.

Derzeit haben wir lediglich eine verhältnismäßig gute Vorstellung über die Größe der ersten beiden Parameter der Gleichung ($R_*$ und $f_p$). Alle anderen Werte sind nicht einmal ansatzweise bekannt. Infolge dieser Unsicherheit sollte man eigentlich überhaupt nicht nach dem Ergebnis der Drake-Gleichung fragen. Das Ergebnis ist, was immer man will. Man will eine Galaxie mit vielen Zivilisationen (N>100000) wie in Gene Roddenberrys Star Trek? Kein Problem, dafür gibt es passende Parameter. Man will alleine in der Milchstraße sein, vielleicht sogar im Universum (N<<1)? Kein Problem es gibt auch einen Parametersatz dafür. Nach unserem derzeitigen Wissen ist kein Parametersatz besser oder schlechter als der andere. Der Wunsch nach Zahlen ist jedoch verständlich und niemand will einen Artikel über die Drake-Gleichung lesen, der kein Ergebnis präsentiert und so werde auch ich am Ende dieses Artikels zwei Schätzwerte für das Ergebnis der Gleichung vorstellen.

Das eigentliche Nutzen der Gleichung liegt nicht in der Berechnung eines numerischen Wertes. In den über 60 Jahren seit ihrer Formulierung wurden unzählige Forschungsberichte veröffentlicht, die sich mit der Gleichung und Abschätzungen für ihre Parameter beschäftigen. Sie war sicher auch im Bewusstsein der Astronomen, die vor 30 Jahren die ersten Exoplaneten entdeckten und vielleicht sogar ein treibender Faktor bei dem einen oder anderen. Keine Gleichung hat die Fantasie und Diskussion zum Thema Suche nach außerirdischem Leben mehr angeregt als die Drake Gleichung. Wenn die NASA heute mit dem Marsrover Perseverance auf dem roten Planeten nach Mikrofossilien sucht, wird das letzten Endes auch helfen die Parameter der Drake Gleichung genauer zu bestimmen.

$R_*$ - Mittlere Sternentstehungsrate

Mit welcher Rate entstehen Sterne, in deren Planetensystemen sich Leben entwickeln könnte? Um das zu klären sollten wir herausfinden, welche Anforderungen an einen Stern zu stellen sind, der Leben ermöglicht. Das Problem dabei ist, dass die Erde das einzige uns bekannte Beispiel für einen Planeten ist, auf dem intelligentes Leben entstanden ist. Beginnen wir also mit einer Exkursion in die Erdgeschichte.

Eine der ältesten Formen von Leben auf der Erde sind Stromatolithen, aus Kalkstein bestehende Sedimentgesteine, die von Mikroorganismen gebildet werden. (Foto: Gabriele Delhey; CC BY-SA 3.0)

Ein wichtiger Faktor zur Beurteilung der Eignung eines Sternes für die Herausbildung von intelligentem Leben ist seine Lebenszeit. Der Stern muss lange genug eine stabile habitable Zone haben, um zunächst die Entwicklung von Leben zu ermöglichen und später dessen Evolution in intelligentes Leben zu erlauben.

Die Erde ist 4.54 Milliarden Jahre alt. Verschiedene Studien datieren den Beginn des Lebens anhand von Mikrofossilien bzw. deren Hinterlassenschaften auf die Zeit vor 3.5 - 4.1 Milliarden Jahren [2]. Nach erdgeschichtlichem Maßstab entstand das Leben auf der Erde früh. Gerade einmal 300 Millionen Jahre nach der Bildung einer ersten festen Erdkruste. Zumindest auf der Erde scheint es so, als ob einfaches Leben entstand, sobald die richtigen Umweltbedingungen dafür vorhanden waren. Dazu zählen eine feste Erdkruste, sowie das Vorhandensein von flüssigem Wasser.

Die ersten Lebensformen waren einfache Einzeller ohne Zellkern, die sogenannten Prokaryoten. Zu dieser Gruppe gehören Bakterien und Archaeen. Letztere, früher auch Urbakterien genannt, sind auf Lebensräume spezialisiert, in denen extreme Bedingungen herrschen. Noch heute findet man sie in Geysiren und in den Schloten der sogenannten "schwarzen Raucher" in der Tiefsee. Einige Arten können ohne Sauerstoff überleben und verwenden anstelle dessen molekularen Wasserstoff für ihren Stoffwechsel.

Meilensteine der Evolution des Lebens auf der Erde.

Das Leben auf der Erde mag schnell entstanden sein, doch es blieb für mehr als 2 Milliarden Jahre einzellig. Das ist ein erstaunlich langer Zeitraum. Vor ungefähr 1.6 bis 2.1 Milliarden Jahren entstanden dann die Eukaryoten. Zunächst einfache einzellige Organismen mit komplexerer Zellstruktur. Mit 10 bis 30 Mikrometer Durchmesser sind die Zellen deutlich größer als die der Prokaryoten. Sie unterteilen sich in Zellorganellen, die ähnlich wie die Organe des menschlichen Körpers verschiedene Funktionen wahrnehmen. Ein Zellkern enthält den Hauptteil des genetischen Materials, das in Form von DNA vorliegt.

Die Entwicklung von Einzellern zu mehrzelligen Organismen fand in der Gruppe der Eukaryoten mindestens 25 mal unabhängig voneinander statt. Alle bekannten Pflanzen, Tiere und Pilze auf der Erde gehören zur Gruppe der Eukaryoten. Von ihrer Entstehung bis zur Herausbildung intelligenten Lebens sollten weitere 2 Milliarden Jahre vergehen. Insgesamt benötigte die Evolution mehr als 4 Milliarden Jahre bis hochentwickelte Lebensformen den letzten Schritt zur Intelligenz vollziehen konnten.

Die Evolution zu intelligentem Leben ist ein mehrstufiger Prozeß, der wahrscheinlich mehrere Milliarden Jahre benötigt, sollte er überhaupt stattfinden. Auf der Erde hat die Entwicklung von den zellkernlosen Prokaryoten hin zu den komplexeren Eukaryoten in etwa genau so lange gedauert wie die Entwicklung von einzelligen Eukaryoten zum Menschen. Alle heute bekannten Landlebensformen entstanden erst in den letzten 500 Millionen Jahren.

Sterne, welche die Entwicklung von intelligentem Leben ermöglichen, sollten also mindestens eine Lebensdauer von mehreren Milliarden Jahren haben. Derzeit geht man davon aus, dass in der Milchstraße pro Jahr 1.5 - 3 solcher Sterne neu entstehen. Deren Masse liegt im Durchschnitt bei einer halben Sonnenmasse.

$$\Large 1.5 < R_* < 3.0$$

$f_p$ - Anteil der Sterne mit Planeten

Die Geschichte der Exoplanetenentdeckungen ist noch jung. Die frühesten Entdeckung gelangen erst in den späten 80iger Jahren des letzten Jahrhunderts. Heute enthält die Liste der bestätigten Exoplaneten über 4000 Einträge und jedes Jahr kommen neue hinzu.

Die Methoden der Exoplanetenentdeckung sind vielfältig, stoßen aber an physikalische Grenzen. So können wir derzeit Exoplaneten häufig nur dann entdecken, wenn wir von der Erde aus auf die Kante des Planetensystemes blicken. Darüber hinaus bevorzugen die beiden erfolgreichsten Entdeckungsmethoden, die Transitmethode und die Radialgeschwindigkeitsmethode große Planeten in geringer Nähe zum Zentralgestirn.

So bleiben uns viele Planetensysteme verborgen, doch wo die physikalische Beobachtbarkeit Lücken läßt, hilft uns die Statistik diese zu füllen. Für jedes entdeckte Planetensystem können wir davon ausgehen, das eine bestimmte Anzahl an Planetensystemen mit unseren derzeitigen Möglichkeiten nicht beobachtbar ist. So kann man trotz unvollständiger Daten die Gesamtzahl an Planetensystemen abschätzen. Neuere Forschungsergebnisse [4] auf Basis von Mikrolinsenereignissen deuten darauf hin, das Planetensysteme die Regel sind und der Wert von $f_p$ nahe bei eins liegen könnte.

$$\Large f_p \approx 1$$

$n_e$ - Mittlere Anzahl Planeten pro Stern auf denen Leben möglich ist

Auf Gasplaneten wie dem Jupiter ist die Entstehung von Leben unmöglich. Es ist jedoch vorstellbar, das ein Jupitergroßer Planet notwendig ist, um die Planeten des innerne Planetensystemes vor allzu vielen Asteroideneinschlägen zu schützen.
Bildquelle: NASA, ESA, A. Simon (Goddard Space Flight Center), and M.H. Wong (University of California, Berkeley)

Um die mittlere Anzahl an lebensfreundlichen Planeten pro Sonnensystem abzuschätzen sollte man zunächst die Anforderungen an einen solchen Planeten untersuchen. Hier können wir derzeit nur Vermutungen anstellen, die infolge der Zusammensetzung des Sonnensystems und der Erdgeschichte plausibel erscheinen.

Eine erste Anforderung ist, dass es sich um einen Gesteinsplaneten handelt. Gasriesen haben keine feste Oberfläche und eine dichte Atmosphäre, die im wesentlichen aus Wasserstoff und Helium besteht. Darüber hinaus machen hohe Windgeschwindigkeiten und ein starker Strahlungsgürtel mikrobielles Leben mit hoher Wahrscheinlichkeit unmöglich. Kurz gesagt wird es ohne eine feste Planetenoberfläche für die Herausbildung von höherem Leben sehr schwer.

Die nächste Bedingung für die Herausbildung von Leben ist die Existenz von flüssigem Wasser. Es dient als Lösungs- und Transportmittel und erleichtert die, für die Entstehung der Lebensbausteine notwendigen chemische Reaktionen. Ohne Wasser ist selbst die Entstehung einfachsten mikrobiellen Lebens nur schwer vorstellbar. Der Bereich in einem Planetensystem, in dem flüssiges Wasser existieren kann, wird die "habitable Zone" genannt.

Die Evolution ist ein Prozess, mit dem sich Leben an veränderte Umweltbedingungen anpassen kann. Das gelingt um so besser, je langsamer die Veränderung abläuft. Aus diesem Grund sollte die Bahn des Planeten stabil sein. Er sollte über sehr lange Zeit in der habitablen Zone bleiben. Für die Erde ist dies seit über 4 Milliarden Jahren der Fall. Computersimulationen zeigen, dass diese Bahnstabilität nicht selbstverständlich ist.

Auch die Rotationsachse sollte stabil sein, denn Schwankungen in der Rotationsebene würden auf dem Planeten schnell zu extremen Klimaveränderungen führen. Diese könnten den Planeten auch unbewohnbar machen, obwohl er sich in der habitablen Zone befindet. Ein Beispiel hierfür wäre, eine Verschiebung der Rotationsebene ein Richtung des Zentralgestirns, so dass ein Teil des Planeten in permanenter Dunkelheit liegen würde.

Über weitere Faktoren kann nur gemutmaßt werden. Ist ein geologisch aktiver Planet notwendig, da nur solche Planeten ein starkes Magnetfeld erhalten können? Sollte der Planet einen Mond haben, der die Rotationsachse stabilisiert und Gezeiten erzeugt, mit deren Hilfe das Leben das Land besiedeln kann? Ist eine großer Gasplanet im Planetensystem notwendig um das Leben auf den Inneren Planeten vor Auslöschung durch allzu viele Asteroideneinschläge zu schützen? All diese Umstände machen es sehr schwer $n_e$ direkt abzuschätzen.

Nach Beobachtungen von Exoplaneten mit dem Kepler Weltraumteleskop gehen Forscher davon aus, dass sich in der Milchstraße 40 Milliarden erdähnlicher Planeten in der habitablen Zone von der Sonne ähnlichen Sternen bzw. Roten Zwergen befinden könnten. Das legt nahe, dass das Produkt aus $f_p$ und $n_e$ ungefähr 0.4 ist:

$$\Large f_p * n_e \approx 0.4$$

$f_l$ - Anteil der Planeten die Leben unterhalten könnten und auf denen sich tatsächlich Leben entwickelt.

Archaeen sind zellkernlose Einzeller, die an extreme Umweltbedingungen angepasst sind. (Bild: Nutzer Xiangyux auf Wikipedia)

Archaeen wurden auf der Erde in der Umgebung sogenannter "Schwarze Raucher" nachgewiesen. Das sind vulkanische Schlote mit bis zu 300 °C heißen Thermalquellen, die sich in den lichtlosen Tiefen der Ozeane befinden. (Bild: MARUM − Zentrum für Marine Umweltwissenschaften, Universität Bremen; CC-BY 4.0 )

Dieser Parameter behandelt die Frage, wie wahrscheinlich es ist, dass sich Leben tatsächlich entwickelt, wenn der Planet es prinzipiell ermöglicht. Hier geht es um mikrobielles Leben, sogenannten Prokaryoten, einfachste Einzeller, wie sie heute noch in Form von Bakterien und Archaeen auf der Erde vorkommen. Sicher ist nur, dass der Parameter zwischen 0 und eins liegen muss.

$$\Large 0 < f_l < 1$$

Wir haben nicht genügend Informationen um diesen Parameter zu bestimmen aber ein Blick in die Erdgeschichte zeigt, dass sich das Leben auf der Erde sehr schnell entwickelt hat. Die Erde kühlte sich ab, das kosmische Bombardemant mit Asteroiden hörte auf und nach, in geologischen Zeitspannen kurzen, 300 Millionen Jahren entstanden die ersten primitiven Einzeller. Das könnte Zufall gewesen sein, es könnte jedoch auch darauf hindeuten, dass $f_l$ nahe bei Eins liegt und es bestehen durchaus gute Chancen, das in Zukunft zu bestätigen.

Wenn einzelliges Leben vergleichsweise schnell entsteht, dann sollte das auf der Urerde mehrfach parallel passiert sein. Dies könnte man nachweisen, wenn man Bakterien findet, die mit keiner anderen Lebensform der Erde genetisch verwandt sind. Das ist bislang nicht gelungen, könnte jedoch auch daran liegen, dass sich am Ende eine Art des mikrobiellen Lebens durchsetzte und alle anderen verdrängte.

Doch die Erde ist nicht der einzige Ort im Sonnensystem, auf dem Leben vorstellbar ist. Mars und Erde waren sich in ihrer Frühzeit ähnlicher als heute. Man geht davon aus, dass es auch auf dem Mars vor 4 Milliarden Jahren Ozeane, eine dichtere Atmosphäre, aktiven Vulkanismus und eine Magnetfeld gegeben hat. Bis auf die Größe waren sich beide Planeten in den ersten 500 Millionen Jahren vermutlich sehr ähnlich. Wenn sich auf der Erde mikrobielles Leben bilden konnte, warum nicht auch auf dem Mars?

Später kühlte der Mars ab, verlor sein Magnetfeld, große Teile seiner Atmosphäre, das Oberflächenwasser gefror und so konnte sich vermutlich nie höheres Leben entwickeln. Wenn die Entstehung von einzelligem Leben aber tatsächlich schnell geht, so könnte man fossile Spuren davon vielleicht auch auf dem Mars finden.

Das gleiche gilt auch für den Jupitermond Europa, unter dessen mächtigen Eisschichten sich Leben in einem darunter liegenden Ozean gebildet haben könnte. Als Energiequelle würde dort nicht die Sonne, sondern der durch Gezeitenreibung verursachte Vulkanismus des Mondes dienen.

Die Entstehung von einfachem Leben kann heute auch für andere Planeten und Monde des Sonnensystems nicht ausgeschlossen werden. Bewiesen werden konnte das bislang jedoch nicht.

Wenn man auf der Erde Bakterien finden würde, die mit keiner bekannten Lebensform verwandt sind, wäre das ein Hinweis darauf, dass das Leben mehrfach unabhängig voneinander entstanden ist.

Der Nachweis von Spuren fossilen Lebens auf dem Mars würde nahelegen, dass das Leben im Sonnensystem auf mindestens zwei Planeten entstanden ist.

Die Entdeckung von mikrobiellen Leben auf dem Jupitermond Europa würde zeigen, dass einzelliges Leben unabhängig von direktem Sonnenlicht entstehen und dauerhaft überleben kann.

Die Suche nach Spuren fossilen oder rezenten Lebens im Sonnensystem wird in Zukunft helfen den Faktor $f_l$ genauer zu bestimmen. Derzeit gehen viele Autoren davon aus, dass die Entwicklung von Leben erfolgt, sobald dies physikalisch und chemisch möglich ist.

$$\Large f_l \approx 1$$

$f_i$ - Anteil der Planeten mit Leben auf denen sich intelligentes Leben entwickelt.

Wenn einfaches Leben bereits nach 300 Millionen Jahren entstanden ist, wieso dauerte die Evolution zu intelligentem Leben mehr als 4.5 Milliarden Jahre? Das Leben blieb für die ersten 2.5 Milliarden Jahre einzellig. Wenn man die Erde dieser Zeit besuchen könnte, würde man einen Planeten vorfinden, der dem Mars nicht unähnlich war, allerdings mit Ozeanen, doch auch die hatte der Mars in seiner Frühzeit. Weiße Wolken würden durch eine orange schimmernde, sauerstoffarme Atmosphäre ziehen. Es gab nur wenige sichtbare Spuren von Leben. Eines davon waren Stromatoliten, Kalksteinformationen, deren schleimige Oberfläche eines der wenigen sichtbaren Zeichen von mikrobiellem Leben war.

Vor 2 Milliarden Jahren hatten die ersten Cyanobakterien begonnen Sauerstoff zu produzieren. Dann, in erdgeschichtlichen Dimensionen nur wenig später passierte etwas, das die weitere Entwicklung des Lebens fundamental ändern sollte. Irgendwo, vielleicht am Rand einer geothermalen Quelle oder in einem Gezeitenpool am Meeresufer gingen mehrere Bakterien eine Symbiose ein und bildeten einen neuen Zelltyp, wichtiger noch: Sie überlebten!

Wichtige Evolutionsschritte auf dem Weg zu intelligentem Leben.

Der Übergang von Prokaryoten zu Eukaryoten war vollzogen. In den Zellen versorgten nun Mitochondrien die Zelle mit Energie, der Kern enthält das Erbgut, eine Zellmembran schützt die neue Zelle. Ein neuer Typ von einzelligem Leben war entstanden. Größere Zellen, die durch Arbeitsteilung effektiver arbeiten konnten. In geologischen Maßstäben kurz danach entstanden erste Mehrzeller. Ein Schritt der Evolution, der den Prokaryoten nie gelungen ist, der bei Eukaryoten aber mehr als 25 mal unabhängig voneinander nachgewiesen werden konnte.

Aus Mehrzellern sollten sich später Wirbeltiere und Pflanzen entwickeln doch bis zur Besiedlung des Landes verging eine weitere Milliarde Jahre. Heute nennt man diese Zeit die "Kambrische Explosion". In einer kurzen Zeitspanne von 5 bis 10 Millionen Jahren entstanden die Vorläufer aller heute bekannten Arten. Jede Pflanze, jedes Insekt, jedes Wirbeltier, das wir heute kennen oder von dem jemals Fossile gefunden wurden, entstand erst in den letzten 500 Millionen Jahren.

Für den Faktor $f_i$ könnte das bedeuten, dass die Herausbildung von intelligentem Leben sehr lange dauert. Sicher ist das nicht und es könnte durchaus gute Gründe haben, dass es auf der Erde lange gedauert hat. Statistische Untersuchungen legen jedoch nahe, dass es wahrscheinlicher ist, das $f_i$ deutlich kleiner als 1 ist [3].

$$\Large f_i << 1$$

$f_c$ - Anteil der Zivilisationen die detektierbare Signale ins All senden.

70-Meter-Parabolantenne des "Canberra Deep Space Communication Complex". (Bild: NASA; via Wikimedia Commons)

Eine Zivilisation wird unweigerlich an bestimmten Punkten ihrer technologischen Entwicklung Signale ins All senden. Das könnte eine bewusste Entscheidung sein, deutlich wahrscheinlicher aber ist, dass es Technologiesignaturen, wie Radiowellen sind, die nur als Nebeneffekt abgestrahlt werden.

Die analogen Signale der ersten Funkübertragungen der Erde sind mittlerweile mehr als 100 Lichtjahre weit ins All vorgedrungen. Da ihre Sendestärke jedoch mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, dürften sie, wenn überhaupt, nur noch sehr schwer zu empfangen sein. Bei terrestrischen Funkübertragungen wird prinzipbedingt nur wenig Energie ins All abgestrahlt, denn alles andere wäre Energieverschwendung, die Empfänger sitzen ja auf der Erde.

Die Zeit der starken Radioemissionen auf der Erde geht dem Ende entgegen. Die Frequenzen werden immer größer um schneller Daten zu übertragen, die Sendeleistung wird geringer, weil sich die Empfangstechnik weiterentwickelt hat. Fernsehtürme werden zunehmend durch geostationäre Satelliten ersetzt, die mit viel weniger Sendeleistung auskommen. Wenn sie tatsächlich noch senden, dann oft mit Richtfunk. Radio und Fernsehübertragungen werden zunehmend über die Kabelnetze des Internets ausgeliefert. Wenn tatsächlich noch terrestrisch gesendet wird, dann in komprimiertem Digitalformat, das nur noch schwer von Rauschen zu unterscheiden ist.

Doch nicht alle Kommunikation ist terrestrisch. Sobald eine Zivilisation beginnt ihr Planetensystem zu erforschen, wird sie mit ihren eigenen Raumfahrzeugen kommunizieren müssen. Für diese Art der Kommunikation wird man große Radioantennen bauen, die ihre Energie gezielt in eine bestimmte Richtung abgeben und wenn man die Signale in Pulsform abgibt, können wesentlich höhere Sendestärken erreicht werden. Die Reichweite der Signale ist deutlich größer, aber sie werden nur in die Richtung des Raumfahrzeugs gesendet und können daher auch nur auf dahinter liegenden Planetensystemen empfangen werden.

Eine direkte Nachricht an außerirdische Zivilisationen wurde von der Erde bislang nur ein einziges mal ins All gesendet. Im Jahr 1974 sendete das Arecibo Radioteleskop die sogenannte "Arecibo Nachricht" in Richtung des 25000 Lichtjahre entfernten Kugelsternhaufens M13. Die Nachricht bestand aus 1679 Bits an Information, die in einem Raster von 23 Zeilen und 73 Spalten (beides Primzahlen) angeordnet ein einfaches Bild ergaben. Es zeigt unter anderem Menschen, Zahlen in Binärkodierung, binäre Kodes, die für die fünf wichtigsten Elemente der Biochemie stehen (Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Phosphor) und eine Beschreibung des Sonnensystems.

Die Arecibo Nachricht wurde 1974 in Richtung des Kugelsternhaufens M13 gesendet. (Bild: Nutzer Norro via Wikimedia Commons)

Das Senden war eher ein symbolischer Akt, als ein echter Kommunikationsversuch, denn die gesamte Übertragung dauerte lediglich 3 Minuten! [6] Der Energieaufwand um aktiv Signale ins Weltall zu senden ist enorm, der Nutzen fragwürdig. In welchem Frequenzband und wie soll gesendet werden? Mit Radiowellen oder doch lieber Laser? Darüber hinaus könnte es gute Gründe dafür geben, das Zivilisationen, trotz vorhandener Fähigkeit keine Kommunikation wollen oder sogar aktiv die Technologiesignaturen ihres Planeten verschleiern.

Jede Abschätzung von $f_c$ bleibt reine Spekulation. Es ist jedoch plausibel davon auszugehen, dass alleine infolge unfreiwilliger Radioemissionen die Wahrscheinlichkeit signifikant und größer als 0 ist. Die Vergleichsweise geringe Reichweite schränkt jedoch die Empfangbarkeit der Signale empfindlich ein. Die Sende- und Empfangstechnik hat in den letzten 50 Jahren enorme Fortschritte gemacht. Durch zusammenschalten mehrerer Radioteleskope ist man heute in der Lage virtuelle Antennen in Größenordnungen zu schaffen, die vor einigen Jahren noch undenkbar schienen. Im Jahr 2012 schaltete man mittels Very Long Baseline Interferometry für das SETI-Projekt erstmals mehrere, über den Globus verteilte, Radioteleskope zusammen um den 20 Lichtjahre entfernten Stern Gliese 581 auf Radioemissionen hin zu untersuchen. Gefunden hat man nichts. [8] Die Detektion von schwachen Signalen aus mehreren Lichtjahren Entfernung ist heute, wenn nicht bereits im Bereich des technisch möglichen, zumindest im Bereich des technisch vorstellbaren.

Doch Radioemissionen sind nicht die einzige detektierbare Technologiesignatur. Es ist vorstellbar, dass zukünftige Generationen von Infrarotteleskopen die Wärmesignatur von Städten auf Exoplaneten direkt nachweisen könnten. Bessere optische Teleskope könnten Weltraumschrott im Orbit um einen Planeten nachweißen oder großtechnische Strukturen, die an den Lagranchepunkten oder in der geostationären Umlaufbahn um einen Planeten "geparkt" wurden. Als optimistische Obergrenze für $f_c$ wird daher 0.6 angenommen.

Vielleicht ist es aber auch schwieriger als erwartet die Technologiesignaturen andere Zivilisationen zu detektieren. Die meiste Kommunikation auf der Erde ist heute verschlüsselt, komprimiert und digital. Für Außenstehende könnte sich das wie Rauschen anhören. In der originalen Formulierung der Drake Gleichung wurde $f_c$ mit 0.1 bis 0.2 abgeschätzt. Daher soll hier 0.1 als Untergrenze dienen.

$$\Large 0.1 < f_c < 0.6$$

$L$ - Gesamtzeit über welche die Zivilisationen detektierbar sind.

Wenngleich aktiv sendende Zivilisationen unwahrscheinlich sein dürften, kann man davon ausgehen, dass eine technologische Zivilisation in ihrer unmittelbaren Nachbarschaft nur infolge ihrer unfreiwillig ausgesendeten Signale detektierbar sein sollte. Der Gesamtzeitraum der Detektierbarkeit hängt von vielen Faktoren ab. Die Lebensdauer der technologisch aktiven Zivilisation spielt aber eine entscheidende Rolle.

Wie lange existiert eine technologische Zivilisation? Die Lebensdauer könnte durch Naturkatastrophen im planetaren Maßstab begrenzt sein. Asteroideneinschläge, benachbarte Supernovae, Gamma-Blitze oder gesteigerte Sternenaktivität haben das Potential eine Zivilisation oder das gesamte Leben auf einem Planeten nachteilig zu beeinflussen. Technologische Zivilisationen können sich vielleicht in gewissen Umfang vor solchen Ereignissen schützen aber die Erdgeschichte zeigt, das Massenaussterben keine Seltenheit sind.

Eine Supernovae beim Tod eines massereichen Sternes beendet das Leben in einem Planetensystem. (Bildquelle: NASA, ESA, and G. Bacon (STScI); via Wikipedia.org)

Zur falschen Zeit am falschen Ort. Gammablitze sind gerichtete Ausbrüche elekromagnetischer Energie, die im Zusammenhang mit Supernovae stehen. Man geht davon aus, das Leben auf Planetensysteme in bis zu 16000 Lichtjahren Entfernung durch Gammablitze zerstört werden können. (Bildquelle: NASA/Swift/Mary Pat Hrybyk-Keith and John Jones; via Wikipedia.org)

Ein Asteroideneinschlag, wie der vor 65 Millionen Jahren auf der Erde könnte eine globale Katastrophe auslösen und intelligentem Leben ein Ende setzten. (Bildquelle: Donald E. Davis; via Wikimedia commons)

Der Anblick von nuklearen Mehrfachsprengköpfen im Endanflug könnte das letzte sein, das man von einer technologischen Zivilisation sieht. (Bildquelle: David James Paquin; via Wikipedia.org)

Eine Untersuchung von 60 vergangenen Zivilisationen der Erde kam zu dem Schluss, das die mittlere Lebensdauer einer solchen 420 Jahre beträgt. [7] Doch wie aussagekräftig sind solche Zahlen? Der Niedergang einer Zivilisation auf der Erde war in der Regel gleichbedeutend mit dem Aufstieg einer anderen. Bevölkerungen und Technologien wurden häufig assimiliert.

Sollte man auf die Erde bezogen nicht eher von der "Menschlichen Zivilisation" sprechen? Auf unserem Planeten gibt es seit mindestens 5000 Jahren Spuren von verschiedenen Kulturen und eine Entwicklungslinie, die man von den Kulturen der Frühzeit bis heute ziehen kann. Man sieht sie in verschiedenen Sprachfamilien, in kulturellen und wissenschaftlichen Überlieferungen. Warum rechnet man heute weltweit mit arabischen Ziffern und nicht mit römischen? Wieso sind lateinische Buchstaben selbst auf chinesischen Autonummernschildern? Die Kulturen auf der Erde existieren nicht in Isolation, sie bauen aufeinander auf. Die "Weltkultur" von heute ist eine Mischung aus den gesammelten Überlieferungen und Erfahrungen verschiedener Zivilisationen über einen Zeitraum von mehr als 5000 Jahren.

Von diesen 5000 Jahren kann man allerdings nur die letzten 250 Jahre seit Beginn der industriellen Revolution als technologisch betrachten. In dieser Zeit hat die Menschheit es geschafft die lebenswichtige Ozonschicht nachhaltig zu schädigen und das Klima mehrfach zu beeinflussen. So führte starke Luftverschmutzung in der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts zu einem Rückgang der, die Erdoberfläche erreichenden, Sonnenstrahlung. Ein Effekt, der "Global Dimming" genannt wird und der in den 70'iger Jahren des letzten Jahrhunderts für einige Forscher so besorgniserregend war, dass man eine menschengemachte Eiszeit fürchtete. Dieser Effekt maskierte den Anstieg von Treibhausgasen in der Atmosphäre und jetzt, da die Atmosphäre vielerorts sauberer ist, sieht man Anzeichen einer globale Erwärmung. Die Menschheit ist im Anthropozän angekommen, einem (bisher nur vorgeschlagenen) geologischem Zeitalter in dem der Mensch der wichtigsten Einflussfaktor auf das Ökosystem des Planeten geworden ist.

Vielleicht sollte man das Alter der Menschheit als technologische Zivilisation auch nur mit 75 Jahren angeben. Das ist der Zeitraum seit Zündung der ersten Atombombe. Einer Waffe mit der es erstmalig möglich war, die komplette Biosphäre des Planeten zu zerstören. Derzeit verfügen 9 Nationen insgesamt über schätzungsweise 14000 Nuklearsprengköpfe. Mehr als genug um das Leben auf dem Planeten um einige 100 Millionen Jahre zurückzusetzen.

Die optimistische Vermutung

Künstlerische Darstellung einer Marskolonie in der Zukunft. Technische Zivilisationen könnten ihre Überlebensfähigkeit durch Kolonisation ihres Planetensystems steigern. (Quelle: NASA Ames Research Center via wikipedia)

Die optimistische Vermutung ist, dass eine Zivilisation, die ein bestimmtes Technologielevel erreicht hat sehr lange überleben kann. Die Menschheit hat bewiesen, dass sie das Erdklima in die eine oder andere Richtung beeinflussen kann. Eine Zivilisation könnte dieses Wissen nutzen, um mittels Geoengineering das Klima gezielt zu beeinflussen. Sei es um sich vor den Folgen einer selbstgemachten Klimaerwärmung zu schützen oder um die Folgen eines veränderten Energieausstoßes ihres Heimatsterns zu neutralisieren.

Auch der Einsatz von Kernwaffen muss nicht notwendigerweise eine planetare Zivilisation komplett zerstören. Auf der Erde ist die Bevölkerung beispielsweise im wesentlichen auf der nördlichen Halbkugel konzentriert. Wasserstoffbomben verursachen vergleichsweise wenig radioaktiven Fallout und der Transfer radioaktiven Materials von der Nord auf die Südhalbkugel ist durch weitgehend getrennte Windsysteme eher gering. So könnte durchaus auch nur ein Teil einer planetaren Zivilisation von einer solchen Katastrophe betroffen sein.

Eine weitgehende Zerstörung der Infrastruktur der nördlichen Hemisphäre der Erde würde nicht automatisch bedeuten, dass man in Afrika, Südamerika oder Australien nicht wüsste, wie Halbleiter oder Transformatoren funktionieren. Die meisten Produktionsstätten wären zerstört, aber das Grundwissen bliebe erhalten. Man wäre auch in Afrika vergleichsweise schnell in der Lage Computertechnik auf dem Stand der 80'iger Jahre zu produzieren.

Die optimistische Schätzung für die Lebensdauer einer Zivilisation ist daher "sehr lange". Es ist vorstellbar, das eine technologisch weit entwickelte Zivilisation mehrere tausend oder gar Millionen Jahre existiert. Sollte sie nicht in der Lage sein ihr Planetensystem zu verlassen, so wird die beschränkte Lebensdauer ihres Zentralgestirns ihr letztendlich ein Ende setzen. Gelingt es ihr jedoch den eigenen Stern zu verlassen, wären ihrem Überleben praktisch keine Grenzen gesetzt.

$$\Large L >> 1000$$

Castle Bravo: Test einer 15 MT Wasserstoffbombe. Steigt das Risiko für technologische Zivilisationen sich selbst zu zerstören?

Die Menschheit könnte im Sonnensystem auf der Erde vermutlich noch 800 bis 1000 Millionen Jahre überleben. Danach wird die Erde ein heißer, unbewohnbarer Planet ohne Wasser sein. Zu dieser Zeit könnte der Mars für eine hochtechnologische Zivilisation die lebensfreundlicher Alternative bieten, denn die habitable Zone der Sonne wird sich mit zunehmender Sonnenaktivität nach außen verschieben.

Es gibt Hinweise darauf, dass der Mars seine Urozeane nicht komplett verloren hat, sondern dass diese lediglich eingefroren sind. Bei einer Ausweitung der habitablen Zone auf die Marsumlaufbahn könnten diese wieder auftauen und zumindest für etliche Millionen Jahre flüssiges Oberflächenwasser bereit stellen und eine dichtere Atmosphäre erzeugen.

Die pessimistische Vermutung

Es ist vorstellbar, dass Eigenschaften die notwendig sind, um eine Spezies zur dominanten Spezies eines Planeten zu machen nachteilig für ein langfristiges Überleben derselben sind. Die pessimistische Vermutung ist daher, dass hochentwickelte Zivilisationen zur Selbstzerstörung neigen. Wenn nicht durch Kriege, dann durch Zerstörung ihrer eigenen Lebensgrundlage. Eine solche Zivilisation gefährdet sich selbst durch Entdeckung von Kernspaltung und Kernfusion, ist nicht in der Lage die negativen Konsequenzen ihrer eigenen technologischen Entwicklung zu beherrschen und befindet sich bei innerer Konflikten kurz vor der Selbstzerstörung.

$$\Large L < 1000$$

Ergebnisse

Es hat derzeit wenig Sinn nach dem Ergebnis der Drake-Gleichung zu fragen. Das Ergebnis kann, je nach Wahl der Parameter nahe Null sein oder hunderte Millionen von detektierbaren Zivilisationen ausweisen. Aber niemand kommt auf diese Webseite um das zu lesen. Rechnen wir also zwei Beispielszenarien durch, ein optimistisches und ein pessimistisches.

Optimistisches Szenario

Im optimistischen Szenario gehen wir davon aus, dass pro Jahr 3 Sterne entstehen, die potentiell lebensfreundliche Voraussetzungen bieten. Die Entstehung von intelligentem Leben ist praktisch unausweichlich und die Hälfte aller Zivilisationen sendet detektierbare Signale aus. Die Zivilisationen haben eine mittlere Lebensdauer von einer Million Jahre.

\begin{equation} \Large \nonumber N = 3.0 \cdot 1 \cdot 0.4 \cdot 1\cdot 0.5 \cdot 1000000 = 600000 \end{equation}

In diesem Szenario gibt es derzeit ungefähr 600000 technologisch kontaktierbare Zivilisationen innerhalb der Milchstraße.

Pessimistisches Szenario

Im pessimistischen Szenario gehen wir davon aus, das pro Jahr nur 1.5 Sterne entstehen, die lebensfreundliche Bedingungen bieten. Die Entstehung von intelligentem Leben dauert Lange und geschieht nur in einem von hundert Fällen. Nur 10 % der technologischen Zivilisationen senden detektierbare Signale aus und die mittlere Lebensdauer einer Zivilisation beträgt nur 1000 Jahre.

\begin{equation} \Large \nonumber N = 1.5 \cdot 1 \cdot 0.4 \cdot 0.01 \cdot 0.1 \cdot 1000 = 0.6 \end{equation}

Nach diesem Szenario würde nicht mal eine einzige, kommunizierende, technische Zivilisation innerhalb der Milchstraße existieren. Wir wissen zwar, dass es mindestens eine gibt aber statistisch gesehen heißt das Ergebnis nur, das intelligentes Leben extrem selten ist und in einer anderen, vergleichbaren Galaxie keine einzige Zivilisation existieren würde.

Dieses Ergebnis schließt nicht aus, dass es in der Milchstraße Tausende oder gar Millionen andere Planeten gibt, auf denen Leben existiert, insofern es unterhalb der Schwelle für detektierbare technologische Zivilisation bleibt. Die Erde hat diese Schwelle erst vor 100 Jahren genommen, als sich die Funktechnologie durchzusetzen begann. Bei pessimistischer Betrachtung der Detektierbarkeit von Radiosignalen könnten sie auch immer noch darunter liegen. Der einzige, tatsächlich über interstellare Entfernungen detektierbare, Versuch einer Kommunikation von der Erde aus, könnten die 3 Minuten des Arecibo Signals gewesen sein.

Quellenangaben

Wikipedia contributors: "Drake equation" Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Drake_equation&oldid=1007557422 (accessed February 19, 2021).
Wikipedia contributors: "Earliest known life forms" Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Earliest_known_life_forms&oldid=1007463579 (accessed February 21, 2021).
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