Năm 1961, nhà thiên văn học Frank Drake đã phác thảo một phương trình trên bảng đen tại hội nghị SETI đầu tiên ở Green Bank, Tây Virginia. Mục tiêu của ông không phải là tính toán một câu trả lời chính xác - ông thừa nhận điều đó là không thể với kiến thức sẵn có vào thời điểm đó. Mục đích là để tổ chức sự thiếu hiểu biết: xác định các câu hỏi phù hợp, tách biệt những gì có thể biết được khỏi những điều không thể biết được và coi việc tìm kiếm trí thông minh ngoài Trái đất là một vấn đề khoa học chứ không phải là suy đoán thuần túy. Hơn sáu mươi năm sau, Kính viễn vọng Không gian Kepler và Kính viễn vọng Không gian James Webb đã trả lời một số câu hỏi đó. Những người khác vẫn không chắc chắn như mọi khi.
Bảy biến của phương trình Drake
Phương trình Drake ước tính số lượng các nền văn minh đang hoạt động và giao tiếp trong thiên hà Milky Way tại bất kỳ thời điểm nào:
N = R* × fp × ne × fl × fi × fc × L
Mỗi biến giải quyết một bước trong chuỗi từ sự hình thành sao đến nền văn minh có thể phát hiện được:
| Variable | What It Means |
|---|---|
| N | Number of civilizations we could detect right now |
| R* | Average rate of star formation in the Milky Way (stars/year) |
| fp | Fraction of those stars that have planets |
| ne | Average number of planets per planetary system in the "habitable zone" |
| fl | Fraction of habitable planets where life actually emerges |
| fi | Fraction of life-bearing planets where intelligent life evolves |
| fc | Fraction of intelligent civilizations that develop detectable technology |
| L | Average lifespan of a detectable civilization (years) |
Kết quả N không phải là tổng số nền văn minh đã từng tồn tại - nó là con số đang hoạt động và truyền tải đồng thời với chúng ta ngay bây giờ. Một nền văn minh trỗi dậy và sụp đổ cách đây một tỷ năm chẳng đóng góp được gì cho N.
Những gì chúng ta biết và những gì chúng ta đoán
Thiên văn học đã làm thay đổi niềm tin của chúng ta vào hai trong số bảy biến số. Trước sứ mệnh Kepler (2009–2018), fp và ne là những phỏng đoán có cơ sở. Bây giờ chúng là dữ liệu quan sát được hạn chế hợp lý.
R (tốc độ hình thành sao):* Các nhà thiên văn học ước tính Dải Ngân hà tạo ra khoảng 1–3 ngôi sao mới mỗi năm, tính trung bình trong lịch sử của nó. Tốc độ hiện tại đang ở mức thấp hơn khi thiên hà già đi và khí hình thành sao bị tiêu thụ. Bản thân Drake đã sử dụng 10 vào năm 1961 – một ước tính cao hơn cho thời kỳ hoạt động mạnh hơn, sớm hơn của thiên hà. Sự đồng thuận hiện đ���i: R ≈ 1–3 sao/năm*.
fp (phân số với các hành tinh): Dữ liệu của Kepler tiết lộ rằng các hành tinh không phải là ngoại lệ mà là quy luật. Khoảng 70%–90% các ngôi sao giống mặt trời có ít nhất một hành tinh. Đối với tất cả các loại sao kết hợp lại, tỷ lệ này có thể gần bằng 1,0. fp ≈ 0,9–1,0 hiện được hỗ trợ tốt.
ne (các hành tinh nằm trong vùng có thể ở được trên mỗi hệ thống): Điều này mang nhiều sắc thái hơn. "Vùng có thể ở được" cổ điển là phạm vi mà nước ở dạng lỏng có thể tồn tại trên bề mặt. Dữ liệu của Kepler cho thấy có khoảng 0,4–0,8 hành tinh cỡ Trái đất trên mỗi ngôi sao giống mặt trời trong vùng có thể ở được. Việc mở rộng định nghĩa để bao gồm nước lỏng dưới bề mặt (Europa, Enceladus) làm tăng đáng kể điều này. ne ≈ 0,4–1,0 đối với ước tính vùng có thể ở được thông thường.
fl, fi, fc, L: Những điều này vẫn còn rất không chắc chắn — trải rộng trên nhiều bậc độ lớn tùy thuộc vào các giả định. Chúng tôi có cỡ mẫu chính xác cho mỗi loại: Trái đất.
Gắn kết các giá trị lạc quan và bi quan
Bảng dưới đây so sánh ước tính ban đầu năm 1961 của Drake với các phạm vi lạc quan và bi quan hiện đại:
| Variable | Drake (1961) | Modern Optimistic | Modern Pessimistic |
|---|---|---|---|
| R* | 10 | 3 | 1 |
| fp | 0.5 | 1.0 | 0.9 |
| ne | 2.0 | 0.8 | 0.1 |
| fl | 1.0 | 0.5 | 0.000001 |
| fi | 0.01 | 0.1 | 0.000001 |
| fc | 0.01 | 0.1 | 0.0001 |
| L | 10,000 | 100,000 | 100 |
| N (result) | 1,000 | 240 | ~0.000000000001 |
Kịch bản bi quan phản ánh giả thuyết "Trái đất hiếm" - ý tưởng cho rằng đời sống động vật phức tạp đòi hỏi sự kết hợp cực kỳ khó xảy ra của các điều kiện (ngôi sao ổn định, mặt trăng có kích thước phù hợp để ổn định thủy triều, kiến tạo mảng, sao Mộc che chắn khỏi các tiểu hành tinh, v.v.). Theo giả định về Đất hiếm, Trái đất có thể là duy nhất trong vũ trụ quan sát được.
Kịch bản lạc quan đưa ra quan điểm rằng sự sống là kết quả tự nhiên của quá trình hóa học với điều kiện thích hợp, trí thông minh là kết quả tự nhiên của quá trình tiến hóa theo thời gian và các nền văn minh có xu hướng tồn tại đủ lâu để có thể được phát hiện.
Ước tính ban đầu năm 1961 của Drake
Tại hội nghị Ngân hàng Xanh, Drake đã nghiên cứu phương trình của riêng mình với các nhà khoa học đã tập hợp - một nhóm bao gồm Carl Sagan, J.B.S. Haldane và John Lilly. Các nhà khoa học bị chia rẽ về các biến số sinh học và xã hội học không thể biết được, nhưng sự đồng thuận của nhóm đã đưa ra ước tính có từ 1.000 đến 100.000.000 nền văn minh trong Dải Ngân hà.
Cá nhân Drake thích ước tính khoảng 10.000 nền văn minh. Lý do của ông là L - biến tuổi thọ - là yếu tố không chắc chắn chính. Nếu các nền văn minh có xu hướng tự hủy diệt tương đối nhanh chóng sau khi phát triển năng lực hạt nhân và công nghệ thì L có thể chỉ còn vài trăm năm nữa. Nếu họ sống sót qua thời niên thiếu công nghệ, L có thể là hàng triệu năm. Drake lạc quan về tuổi thọ và do đó lạc quan về N.
Trong các cuộc ph��ng vấn tiếp theo, Drake tiếp tục bày tỏ sự lạc quan về sự tồn tại của các nền văn minh khác đồng thời thừa nhận rằng các biến số sinh học về cơ bản vẫn không bị hạn chế bởi sự quan sát.
Ước tính hiện đại với dữ liệu ngoại hành tinh
Sứ mệnh Kepler và TESS (Vệ tinh Khảo sát Ngoại hành tinh Quá cảnh) tiếp theo đã lập danh mục hơn 5.500 ngoại hành tinh được xác nhận tính đến năm 2024. Một số phát hiện quan trọng đã cải tiến phép tính Drake:
Các hành tinh đá trong vùng có thể ở được là phổ biến. Phân tích thống kê của Kepler cho thấy khoảng 20–50% các ngôi sao giống mặt trời có hành tinh đá trong vùng có thể ở được.
Sao lùn đỏ làm phức tạp bức tranh. Sao lùn đỏ (sao loại M) chiếm ~75% tổng số sao trong thiên hà và thường có các hành tinh đá trong vùng có thể ở được của chúng. Tuy nhiên, vùng có thể ở được của sao lùn đỏ gần ngôi sao hơn nhiều, có nghĩa là các hành tinh ở đó phải đối mặt với các ngọn lửa dữ dội và khóa thủy triều - những yếu tố có thể hoặc không thể ngăn cản sự sống.
Kính viễn vọng Không gian James Webb đã bắt đầu mô tả đặc điểm bầu khí quyển của ngoại hành tinh, tìm kiếm các dấu hiệu sinh học như oxy, metan và oxit nitơ trong các kết hợp gợi ý các quá trình sinh học. Tính đến năm 2024, không có dấu hiệu sinh học nào được xác nhận được phát hiện, nhưng việc tìm kiếm đang ở giai đoạn đầu.
Các ước tính được cập nhật bằng cách sử dụng dữ liệu ngoại hành tinh hiện đại và giả sử fl là không tầm thường gợi ý hàng trăm đến hàng nghìn nền văn minh giao tiếp trong Dải Ngân hà theo những giả định lạc quan — hoặc có th��� chỉ một (chúng ta) theo những giả định bi quan.
Nghịch lý Fermi: Mọi người ở đâu?
Nếu những ước tính lạc quan là đúng và có hàng nghìn nền văn minh trong Dải Ngân hà, thì Enrico Fermi đã có câu hỏi nổi tiếng vào năm 1950: chúng ở đâu? Thiên hà này có tuổi khoảng 13,5 tỷ năm. Với tốc độ mở rộng thậm chí còn khiêm tốn, một nền văn minh đi trước chúng ta 1 triệu năm có thể đã xâm chiếm toàn bộ thiên hà nhiều lần. Chúng tôi không thấy siêu kiến trúc nào, không nhận được tín hiệu nào được xác nhận và không có bằng chứng nào về những du khách ngoài hành tinh trong quá khứ hoặc hiện tại.
Sự mâu thuẫn giữa kỳ vọng về cuộc sống dồi dào và sự im lặng được quan sát là Nghịch lý Fermi. Các giải thích được đề xuất thuộc một số loại chính:
Giả thuyết Bộ lọc Vĩ đại: Hoặc th��� gì đó đã xóa sổ hầu hết các nền văn minh trước khi chúng du hành vũ trụ ("bộ lọc" đã ở phía sau chúng ta, chẳng hạn như khó khăn trong việc tạo ra các tế bào nhân chuẩn phức tạp) hoặc thứ gì đó đã xóa sổ các nền văn minh đạt đến trình độ công nghệ của chúng ta (một bộ lọc vẫn ở phía trước chúng ta — kịch bản còn đáng sợ hơn).
Giả thuyết về Sở thú: Các nền văn minh vẫn tồn tại nhưng cố tình không giao tiếp với chúng ta, có lẽ là tôn trọng một loại chỉ thị nào đó.
Giả thuyết Rừng Tối (từ truyện khoa học viễn tưởng của Liu Cixin): Bất kỳ nền văn minh nào công bố sự tồn tại của nó sẽ nhanh chóng bị loại bỏ bởi những nền văn minh khác hành động vì mục đích tự bảo tồn của vũ trụ. Điều này dự đoán gần như hoàn toàn im lặng vô tuyến từ tất cả các nền văn minh tiên tiến.
Khoảng cách và thời gian: Dải Ngân hà có chiều dài 100.000 năm ánh sáng. Ngay cả những tín hiệu truyền đi với tốc độ ánh sáng cũng phải mất hàng chục nghìn năm mới vượt qua được nó. Bong bóng vô tuyến của chúng ta chỉ cách Trái đất khoảng 110 năm ánh sáng - một phần rất nhỏ của thiên hà. Có thể đơn giản là chúng ta chưa lắng nghe đủ lâu hoặc chưa đủ lớn để phát hiện ra bất kỳ ai.
Phương trình Drake không giải quyết được Nghịch lý Fermi – nó làm nó sắc nét hơn. Mọi thông số chúng ta hạn chế đều làm cho sự im lặng trở nên bí ẩn hơn hoặc giúp giải thích nó. Sự căng thẳng đó, giữa những gì toán học gợi ý là có thể xảy ra và những gì quan sát cho đến nay vẫn chưa tìm ra, chính là điều khiến phương trình vẫn còn tồn tại về mặt trí tuệ cho đến ngày nay cũng như vào năm 1961.