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宇宙生态规则发现宜居星系并不容易-【新闻】

发布时间:2021-05-24 08:53:50 阅读: 来源:真空过滤机厂家

宇宙生态规则发现宜居星系并不容易西班牙《趣味》月刊6月号刊登《宇宙的生态规则》一文,作者为米格尔安赫尔萨巴代尔。全文如下:

今年年初,一颗新系外行星的存在得到确认。目前美国航天局的开普勒太空望远镜发现的系外行星已经超过了一千颗。开普勒望远镜2009年发射,任务就是寻找系外行星,此外,还有另外近4000个候选目标。很多天体生物学家认为,开普勒望远镜的发现表明:正如英国生物化学家、诺贝尔奖得主克里斯琴德迪夫所说,生命是宇宙的主宰,至少行星的数量之多就证明了这一点,因为这是生命出现的首要条件。

考虑到宇宙中有数十亿个星系,每个星系有上千亿颗恒星,很难想象地球是一个有生命存在的星球。因此,我们有理由相信,在其他星系中是有可能有生命存在的。然而事实是这样吗?实际上事情并没有那么简单。

先看看这些星系。并不是所有星系都适合生命存在的。在赛弗特星系这样的活动星系,其星系核会发出能使行星绝育的高能辐射流。此外,尚不清楚一个星系的形态是如何影响到所包含的世界的宜居性的。已经明确的是,在低金属丰度的星系结构下是不可能出现我们所了解的生命形式的,椭圆星系就是这种情况。

但是假设我们找到了一个和银河系类似的宜居星系。但并不是其中任何地点都适合生命的存在和维系的,很可能接近星系核的地区并不宜居。另一方面,这是因为来自星系中心及其邻近地区的超级黑洞的辐射水平过高,阻止了复杂分子的发展。

好不要过度接近星系中心

另一方面,这一地区的恒星密度很大,为群星间的意外碰撞创造了条件。如果发生碰撞,行星的轨道会受到引力作用的强烈影响,可能会造成其表面的变化和严重的气候变化。在极端的情况下,也可能会甩出轨道,进入星际空间。

第三个需要注意的因素是在这些分布着诸多恒星的区域中,可能出现的情况是某颗恒星的质量大到了会以超新星爆炸的形式结束自己的生命。在不到两秒的时间内,这颗恒星坍塌并爆炸,其亮度超过了星系中所有恒星之和。这一灾变可能会对距离在30光年以内的任何行星产生严重影响。所有这一切促使天体生物学家推断,在星系核周围可能存在一个半径为1万光年的贫瘠区域,而且不会是一个不会有生命存在的区域。

距离中心地带特别遥远的区域似乎也不适合生物学实验,因为碳、镍、氮、镁等重元素严重缺乏,而这些元素是形成岩石行星的基本要素。以螺旋星系为例,旋臂上的恒星数量远多于旋臂之间的区域,太阳就属于这样一个星系,因此我们可能会遇到前面说过的星系核附近星体碰撞的问题,但规模要小得多。

银河系旋臂上的来来回回

还要注意一个会使情况变得更为复杂的细节。由于恒星的轨道都围绕着银河系的中心,在某个时刻处于其中一条旋臂位置的恒星可能不会永远呆在那儿。这是一种非常特殊的情况,因为星系有较差自转现象,也就是说,其中的星体并不是以同样的速度围绕星核运动的。这就意味着其中有些区域的转速高于或低于旋臂,由于这种转速差,我们可能会撞上定期进入旋臂,处于前面所说的高密度区域的星体。

在这方面,需要注意的是,恒星和旋臂的运转速度取决于同星系核之间的距离。越接近核心,运转速度越快。距离越远,速度越慢。因此应该存在这样一个区域:两种速度相同,一颗恒星的行星系统就在那个区域,而且远离旋臂,这是适合生命存在的区域。当然,不能说在其他的地点就不可能出现生命。

生命是一个时间和重元素的问题

我们现在已经对适合生命出现的区域有了概念。那么处于这样一个区域的任何恒星都合适吗?不是。生物进化要求有足够的时间让复杂生命形成,因此我们需要关注的一个主要变量是这个天体还需要多长的时间。地球用了数十亿时间才迎来第一批动物。

根据目前我们掌握的数据,一颗恒星至少需要存在50亿年以上,这是一个非常重要的限制。问题是一颗恒星的寿命跟它的质量成反比,质量越大,越早消亡,因为燃料耗尽的速度越快。此外,质量大的恒星还有另一个不利条件:会产生更大量的紫外线辐射。如果没有一个适当的天然屏障,这对生命来说就是致命的,可能从一开始就导致了行星的不育。

我们的候选恒星质量不能太大,但即便是质量较小的恒星也会存在问题。能够接纳生命的行星应该处于距离这颗恒星较近的轨道上。在这种情况下,会产生引力效应,引导行星做同步旋转,并始终面向恒星,就像月亮和地球一样。具有这种特性的世界并不是生命发展的佳环境,因为一个半球始终冰冻,另一个半球却是地狱般炎热。如果考虑到银河系95%的恒星质量小于太阳,可以说要在其中找到相似环境的几率并不像初想象的那么高。在我们寻找一个具有生物相容性的宇宙环境时也许还应该剔除多星系统,因为涉及到行星轨道的稳定性。此外,还应该剔除重元素含量较少的类太阳恒星,因为在这些恒星的周围是很难形成生命世界的。

位置:OK;体积:OK;水的存在:OK

综上所述,开普勒望远镜重要的目标之一是在适当的恒星周围找到与地球相近的行星。在迄今为止发现的所有行星中只有10颗的体积与地球相近,也就是说小于地球体积的两倍,而且位于所在星系中较为宜居的位置。这是另外一个重要问题。这颗恒星不仅要处于星系中的适当位置,而且星系中的行星与它们的太阳之间还要保持正确的距离。

一颗恒星的宜居带过去可能是地狱

假设宇宙中的生命基础是碳(这是一个合理的假设,因为它是打造DNA等复杂长分子的化学元素),那么我们所拥有的佳有机溶剂就是水。水不仅是适合的,也是丰富的,水是宇宙中常见的由三个原子组成的分子。因此,如果生命需要有水才能出现并繁衍,而水在地球上三分之二的历史都是在海洋中演变的,那么能够接纳水的行星温度就必须在允许水以液态形式长期存在的水平上。天体生物学家将具备这一条件的区域称为恒星的宜居带。

此外,恒星的亮度随着时间的推移而呈现出变化。例如40亿年前的太阳亮度比现在低30%。这一现象导致宜居带也随着时间的推移而变化,从而成为生命出现的一个新障碍。理想的情况是世界自始至终都处于恒星的一个持续宜居带上。显然,这是一个非常狭窄的地带。宾夕法尼亚州立大学的天体生物学家詹姆斯卡斯廷指出,太阳系中的这一地带是地球到太阳距离的0.95-1.15倍之间。哪颗行星正好处于这个地带?只有地球,也很幸运。因为虽然我们有一颗与恒星的距离正确的岩石行星,但也许这还不够。

不像火星那么小,密度不同于金星

这样的一颗行星有可能体积太小,就像火星一样。如果是这样,那么行星的引力是无法使大气层贴着行星的。虽然在一定时间内其密度足以容纳生命,但终将消失。另一个值得一提的是金星。金星的质量足够吸住大气层,但表面温度太高,足以使铅融化。为什么呢?一颗行星的表面温度不仅取决于自身与恒星的距离,还取决于大气层的构成和压力。如果仅由双原子分子构成,如氮或氧,则产生的温室效应会很小,大部分抵达行星的辐射终都会返回太空。但如果含有其他成分,如水蒸气、二氧化碳或甲烷,则温室效应将极为可观。这一点为什么如此重要呢?

看看地球就明白了。如果没有水和二氧化碳的存在,那么地球的平均温度将在摄氏零下18度到零下24度之间。因此,如果没有适当的天然温室效应,地球上也是不可能有生命的。相反,金星就是全球变暖失控的完美例子。

我们需要一颗大月亮,地球稍微晃一晃

行星学家认为,气温升高导致金星的海洋蒸发(如果曾经有海洋的话),大气中的水蒸气增多。此外,表面的碳酸盐层持续释放二氧化碳。水蒸气终消失,因为阳光将之分解为氧和氢。与此同时,大气二氧化碳的浓度逐渐升高。由于金星世界没有一个将二氧化碳清除出大气层的机制,气温就逐渐攀升至今天的摄氏462度。那么问题来了:是什么阻止了类似情况发生在地球上?专家的答案是:板块构造、大陆漂移和海底。

大气中二氧化碳和雨水产生反应形成碳酸,并进入海底。当大气中的二氧化碳浓度下降时,全球气温就会下降。但在板块作用之下,二氧化碳又会通过火山运动重返大气层。这一循环使我们的星球能够保持摄氏18度的适宜平均气温,有利于生命存在。但不仅是这一点。似乎行星还必须保持地质上的活跃性以便形成强烈的磁场,足以保护我们免受宇宙射线的损害。如果没有这个盾牌,DNA也就不会形成了。

在一颗行星中出现生命的后一个可能的宇宙条件是,这颗行星要有一个相对较大的卫星,像月球一样。如果没有月亮,地轴的方向就不会稳定,会发生混乱的变化,从环境的角度来说将是灾难性的。如果这一假设得到证实,那么在系外行星上发现与地球生物类似的生命的可能性就更小了。

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