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类地行星搜索范围大幅缩小



撰文:Brad Collis

银河系的直径为 120,000 光年,包含了 4,000 亿颗恒星,人类一直希望在这片浩瀚庞大的空间中寻找其他生命。而如今,天文物理学家又迈进了新的一步。

要在遥远的太空中定位地外生命,地图是一个求之不得的工具。所谓地图,就是一张误差为几亿公里的测绘图,上面标注着“这里存在外星人”。

鉴于任何未来可能发现的由银河系邻居发出的标识或信号都要经过十亿年左右才能被我们收到,因此这张地图更可能告诉我们的是“这里曾存在过外星人”。不过,这种地图对于搜寻其他生命迹象的天文学家来说仍是一大进展,这就是墨尔本和英国的天体物理学家正在绘制地图的原因。

该项目由中央兰开夏大学(University of Central Lancashire)的 Brad Gibson 教授、蒙纳士天体物理学研究中心主任 John Lattanzio 教授以及蒙纳士大学荣誉学位课程的学生 Kate Henkel 合作开展。研究始于对星系演化史的一项广泛调查,尤其是化学演变,以此了解宇宙中何处、何时出现过与太阳类似且能够促使类地行星演化出生命的恒星。

该三人合作项目旨在创建一个科学基础,这不仅是为了思考其他生命的存在,也是为了指出生命所在的位置。对于直径达 120,000 光年、恒星总数在 2,000 亿到 4,000 亿之间的银河系,这绝非易事。

Lattanzio 教授解释说,他们工作的重点在于深化对银河演化的认知,包括:超新星爆炸中的星系起源、恒星通过核心核聚变产生不同元素的方式,以及这些物质在星体死亡后回归银河系并进入下一轮星体形成过程的途径。

以恒星为主星而形成的任何行星,均可反映出这些恒星的组成。这意味着,银河系在 120 亿年的历史中改变了组成,其中行星的组成也会跟着改变。

Lattanzio 教授说:“因此,我们真正绘制的其实是银河系的组成在时空中的演化史。”

他指出,这是重要的一步,因为直到 50 年前鲜有学科涉及寻找地外生命。“至多是哲学家得出一些相关假设和结论,例如恒星的庞大数量使得其他生命的存在,虽然这符合逻辑。但仍没有任何学科能够验证这一点,纯属无凭无据。”

“这结合了两大学科领域的发展成果,即天体物理学和进化生物学,”Lattanzio 教授解释说,“我们开始着手从数量上了解恒星与行星的结构和形成,以及生命有机体的构造和演化,这引发了一场革命。”

 

德瑞克方程

取得进展的例子之一就是发现可以支持德瑞克方程的数据。德瑞克方程是用于计算银河中人类可与之通讯的地外文明数量的工具。这个方程由弗兰克·德瑞克(Frank Drake)在 20 世纪 60 年代初提出,如今他是加州大学天文学与天体物理学的名誉退休教授。

Lattanzio 教授解释说:“以前它真的没什么实际用处,但现在我们可以测算出方程中的某些变量。”

这个方程由一长串符号组成,数量多得可以写满整块白板,让人目瞪口呆。首先是恒星的年均形成速率,乘以带有行星的恒星比例、乘以每颗恒星周围可能出现生命的行星的平均数量、再乘以实际演化出生命的行星比例、再乘以最终演化出智慧生命的行星比例。

这还只是方程的一半内容,但重点在于,现在已经找到这些前期变量的数据。天体物理学得出的有用数据涉及恒星的形成速率以及带有行星的恒星比例(20%-30%)。随着对银河系化学演变过程的进一步认识,科学研究已经开始能够估算行星的数量,尤其是可以维持生命的类地行星的数量。

这一诱人的进展将科学和科幻串联在了一起,但就像 Lattanzio 教授常常提醒学生的那样:有“生命”不一定等于有“智慧”。

德瑞克方程特别关注的是有能力建造射电望远镜与我们人类进行对话的生命。虽然都是生命,却可能千差万别,很多并不具备我们所说的“智慧”,例如细菌。他说:“举例来说,哪怕海豚这种在我们看来智商很高的生物,也无法进化出建造射电望远镜的能力;而事实上,在海洋世界中,它们对空间的概念或者宇宙的大小一无所知。”

 

恒星形成的模型

蒙纳士-兰开夏两校合作开展的这项研究是基于 Gibson 教授 2003 年在星系演化方面取得的突破性进展(即“地图”的雏形),并也得益于蒙纳士大学将之前的恒星、行星与天体物理学中心(Centre for Stellar and Planetary Astrophysics)扩建成全新的蒙纳士天体物理学研究中心(Monash Centre for Astrophysics)。该合作项目始于 2012 年,当时 Gibson 教授作为凯文·维斯特福德杰出访问学者计划(Kevin Westfold Distinguished Visitor Program)的首位来访学者,在蒙纳士天体物理学研究中心从事了九个月的研究。该计划以蒙纳士大学的第一位天文学教授命名。

研究的核心是电脑建模。使用天体物理学家获得的最新数据,电脑建模能够动态重现银河系的演化过程。这些数据来自诸多天文设施,包括分别位于夏威夷和智利的两台双子座天文台、位于智利的超大望远镜,以及哈勃和凯普勒等太空观测平台。这些观测工具能够以高分辨率读出暗星光谱。

此外,还有一个新的信息来源——“前太阳系流星颗粒”。这些颗粒是恒星外层大气中形成的微米级尘埃。当这些微粒被包裹在陨石内降落到地球上之后,科学家就能溶解陨石、分析微粒,从而获得有关生成微粒所属恒星的重要组成数据。

“放在我们实验室里的其实就是恒星的碎片.…..它为我们提供了无比精确而详细的信息,”Lattanzio 教授说道。

此类数据使得研究人员能够通过制作模型来演示恒星是如何以前代恒星喷出的物质为原料而形成的。

“我们的模型必须反映出这一点,而且必须是动态展现,因为现在我们还知道,星系并不是孤立演化而成的,而是通过不断吸收星系间区域的气体所形成的,”他说。

“恒星死亡后,即氢和氦燃烧殆尽,最终崩塌爆炸时,会将物质归还星系,然后从这些气体中会诞生新一代的恒星,而宇宙大爆炸产生的原始物质仍在源源不断地流进银河系。”

“这些时刻不停发生着的化学变化改变着新一代恒星的组成,并影响着类地行星成形所需金属元素的最终分布,而类地行星可以演化出产生生命的环境。由此,我们所指的生命可能是碳基生命,需要水,并且一旦暴露在超新星射线等条件下就会死亡。”

这条进化链充分说明为何寻找金属的形成位置和时间是本项研究的核心工作之一。下一步就是分析带有大量碳、氧、镁和硅元素的行星将在何时、何处形成。

Henkel 女士解释道,这些组分使得研究人员可以开始分析其它行星与地球的相似性。目前的技术还无法分析行星本身,但可通过分析其恒星的光谱推导行星的组分。“例如,地球的碳氧比例和镁硅比例均与太阳接近,”Henkel 女士说。

“碳氧比例尤为重要,因为它决定了岩石的类型,另外也是衡量是否有水的指标。如果碳氧比例超过 0.8,就无法形成碳酸盐,而我们地球的地壳[以及大多数岩态行星和卫星]主要由碳酸盐和氧化物组成。”

“一旦我们从中确定了银河系演化过程中哪些时期和位置会出现合适的高密度岩态行星,我们就可以开始考虑生命乃至智慧生命存在的可能性。”

Lattanzio 教授补充道,地球诞生约 50 亿年后才出现智慧生命。但是他们关于星系演化的研究表明,类似我们太阳系的环境约在 90 亿年前就已在其它地方出现,也就是说,我们银河系中最古老的智慧生命可能要领先我们 40 亿年。

这也是 Lattanzio 教授对找到智慧生命不抱太大信心的原因之一:假如智慧生命已经进化到能够与我们通讯的地步,早就应该发出讯息。“我的猜测或许可以这样说,太空中很可能有大量的细菌.…..可是狗却没有几只。换而言之,太空中存在比微生物大的生命的可能性极低。所幸我们会在不久之后的将来知道更多。”

 

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适宜生命存活的星球地图

这是 Brad Gibson 教授使用 John Lattanzio 教授和 Kate Henkel 的电脑建模制作的地图之一。地图展示了银河系在不同时期和位置所处的状态。X 轴代表距离银河系中心的距离,Y 轴零点代表银河系的诞生时间,顶点代表现在。左下象限的红色区域代表超新星爆发——大质量恒星在生命结束时的大爆炸,这对于生命体并非好事,因为爆炸产生的伽马射线极有可能杀死周边行星上的生命。

在蓝色区域,银河系的物质仍然以氢、氦为主,这些无法形成岩石态的类地行星。在众多恒星制造出足量的镁、硅、铁和氧之前,是不会形成岩态行星的。

随着时间流逝,银河系的中心仍在超新星爆炸的影响下一片荒芜,外层区域则极缺金属,直到演化出能够制造金属的恒星为止。最终,随着我们进入绿色区域,也就是大约在 70 亿年前、距离银河系中心 8 千秒差距(约 26,000 光年或 247,000 万亿公里)处,此时此地的超新星射线不那么强烈,并且有足够的金属来形成岩态行星。

就是在距离银河系中心的这个时间和距离的坐标上,可发现形成类地环境所需的条件。我们的太阳和太阳系就处在这个位置。

Henkel 女士说,除此之外我们还知道,在时间更久远、距离银河系中心更近的星系膨胀之前,星系环境会由于金属过多而再次恶化。行星膨胀的体积会大到足以在恒星系运行时摧毁轨道上的一切类地行星,所以也不是寻找生命的区域。“就像在太阳系中,木星体积不断膨胀,变得非常巨大,以至于其在围绕太阳运行时,会摧毁轨道上经过的一些小行星,比如地球,或者致使行星在引力相互作用下被弹出太阳系。”

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