Inför klimatförändringarna, avskogning och förlust av biologisk mångfald, att skapa en hållbar version av civilisationen är en av mänsklighetens mest angelägna uppgifter. Men när man står inför denna enorma utmaning, vi ställer sällan vad som kan vara den mest angelägna frågan av alla:Hur vet vi om hållbarhet ens är möjlig? Astronomer har inventerat en ansenlig andel av universums stjärnor, galaxer, kometer, och svarta hål. Men är planeter med hållbara civilisationer också något som universum innehåller? Eller håller varje civilisation som kan ha uppstått i kosmos bara några århundraden innan den faller för de klimatförändringar den utlöser?

Astrofysikern Adam Frank, en professor i fysik och astronomi vid University of Rochester, ingår i en grupp forskare som har tagit de första stegen för att svara på dessa frågor. I en ny studie publicerad i tidskriften Astrobiologi , gruppen – inklusive Frank, Jonathan Carroll-Nellenback, en senior beräkningsforskare vid Rochester, Martina Alberti från University of Washington, och Axel Kleidon från Max Planck-institutet för biogeokemi – tar upp dessa frågor ur ett "astrobiologiskt" perspektiv.

"Astrobiologi är studiet av livet och dess möjligheter i ett planetariskt sammanhang, säger Frank, som också är författare till den nya boken Light of the Stars:Alien Worlds and the Fate of the Earth, som bygger på denna studie. "Det inkluderar "exo-civilisationer" eller vad vi brukar kalla utomjordingar."

Frank och hans kollegor påpekar att diskussioner om klimatförändringar sällan äger rum i detta bredare sammanhang – en som tar hänsyn till sannolikheten att det inte är första gången i kosmisk historia som en planet och dess biosfär har utvecklats till något liknande det vi har skapat. på jorden. "Om vi ​​inte är universums första civilisation, " säger Frank, "det betyder att det sannolikt kommer att finnas regler för hur ödet för en ung civilisation som vår egen fortskrider."

När en civilisations befolkning växer, den använder mer och mer av sin planets resurser. Genom att konsumera planetens resurser, civilisationen förändrar planetens förutsättningar. Kortfattat, civilisationer och planeter utvecklas inte separat från varandra; de utvecklas beroende på varandra, och vår egen civilisations öde beror på hur vi använder jordens resurser.

För att illustrera hur civilisation-planetsystem utvecklas tillsammans, Frank och hans medarbetare utvecklade en matematisk modell för att visa hur en tekniskt avancerad befolkning och dess planet kan utvecklas tillsammans. Genom att tänka på civilisationer och planeter – även främmande sådana – som en helhet, forskare kan bättre förutsäga vad som kan krävas för att det mänskliga civilisationsprojektet ska överleva.

"Poängen är att inse att drivande av klimatförändringar kan vara något generiskt, " säger Frank. "Fysikens lagar kräver att varje ung befolkning, bygga en energiintensiv civilisation som vår, kommer att ha feedback på sin planet. Att se klimatförändringar i detta kosmiska sammanhang kan ge oss bättre insikt i vad som händer med oss ​​nu och hur vi ska hantera det."

Med hjälp av deras matematiska modell, forskarna hittade fyra potentiella scenarier som kan inträffa i ett civilisationsplanetsystem:

1. Dö-off:Befolkningen och planetens tillstånd (indikeras av något som dess medeltemperatur) stiger mycket snabbt. Så småningom, befolkningen toppar och minskar sedan snabbt eftersom den stigande planettemperaturen gör det svårare att överleva. En jämn befolkningsnivå uppnås, men det är bara en bråkdel av toppbefolkningen. "Tänk om 7 av 10 personer du kände dog snabbt, " säger Frank. "Det är inte klart att en komplex teknisk civilisation skulle kunna överleva den typen av förändring."
2. Hållbarhet:Befolkningen och temperaturen stiger men kommer till slut båda till stabila värden utan några katastrofala effekter. Detta scenario inträffar i modellerna när befolkningen inser att det har en negativ effekt på planeten och övergår från att använda resurser med stor inverkan, som olja, till låginverkande resurser, som solenergi.
3. Kollaps utan resursförändring:Både befolkningen och temperaturen stiger snabbt tills befolkningen når en topp och sjunker brant. I dessa modeller kollapsar civilisationen, även om det inte är klart om arten själv helt dör ut.
4. Kollaps med resursförändring:Befolkningen och temperaturökningen, men befolkningen inser att det orsakar ett problem och byter från resurser med hög inverkan till resurser med låg inverkan. Saker och ting verkar plana ut ett tag, men svaret visar sig ha kommit för sent, och befolkningen kollapsar ändå.

"Det sista scenariot är det mest skrämmande, " säger Frank. "Även om du gjorde rätt, om du väntade för länge, du kan fortfarande få din befolkning att kollapsa."

Forskarna skapade sina modeller delvis baserade på fallstudier av utdöda civilisationer, som påsköns invånare. Människor började kolonisera ön mellan 400 och 700 e.Kr. och växte till en toppbefolkning på 10, 000 någon gång mellan 1200 och 1500 e.Kr. På 1700-talet, dock, invånarna hade tömt sina resurser och befolkningen minskade drastiskt till cirka 2, 000 personer.

Påsköns befolkningsdöende relaterar till ett koncept som kallas bärförmåga, eller det maximala antalet arter en miljö kan stödja. Jordens svar på civilisationsbyggande är vad klimatförändringar egentligen handlar om, säger Frank. "Om du går igenom riktigt starka klimatförändringar, då kan din bärförmåga sjunka, eftersom, till exempel, storskaligt jordbruk kan komma att störas kraftigt. Tänk om klimatförändringarna fick regnet att sluta falla i Mellanvästern. Vi skulle inte kunna odla mat, och vår befolkning skulle minska."

Just nu kan forskare inte definitivt förutsäga jordens öde. Nästa steg kommer att vara att använda mer detaljerade modeller av hur planeter kan bete sig när en civilisation förbrukar energi av någon form för att växa. Sålänge, Frank utfärdar en nykter varning.

"Om du ändrar jordens klimat tillräckligt, du kanske inte kan ändra tillbaka det, " säger han. "Även om du backade och började använda solenergi eller andra mindre påverkande resurser, det kan vara för sent, eftersom planeten redan har förändrats. Dessa modeller visar att vi inte bara kan tänka på att en befolkning utvecklas på egen hand. Vi måste tänka på att våra planeter och civilisationer utvecklas tillsammans."