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在银河系中换一个位置,地球上还会有生命吗?

2019-09-06
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虽然银河系中有数千亿颗恒星,其中许多恒星系统都有地球大小的行星,表面有足够的液态水存在,在整个银河系有生命存在的机会很大。至少这是我们根据已知而假设的,但地球所处的位置环境难道不可能使生命在地球上生存和繁荣昌盛的方式变得非常特别吗?

一个有生命的行星毫无疑问会经历灾难和灭绝事件,如果生命要在一个星球上生存和繁荣,它必须拥有正确的内在条件和环境条件才能使它成为现实。图片:美国宇航局戈达德太空飞行中心


博科园-科学科普:如果太阳系在银河系旋臂上形成更远一点的话,会发生什么事呢?如果在臂顶端又会发生什么?如果,从理论上说太阳系在那里,而不是银河系中心的巨大黑洞呢?会不会有重大的气候差异?生命能诞生并延续活下来吗?带着这些诸多问题的疑问,下面一起看看事情会有多大的不同?

这是一幅原行星盘的插图,行星首先在盘上形成,当形成时在盘上形成“空隙”。外层圆盘提供的物质最终形成了像地球这样的行星地幔、外壳、大气层和海洋。图片:NAOJ


在太阳系里,科学家对它在过去45亿年里是如何发生及演化的了解得比较多。具有一定量富集的气体分子云(含有约2%质量的重元素)以及~28%的氦和~70%的氢形成新恒星。其中之一就是我们的太阳,在太阳周围形成了一个原行星盘,几乎所有的恒星都是如此。在几百万年到数千万年的时间里,炽热的太阳将内盘中的物质蒸发掉,而外部较冷的物质则在原有的核心周围脱落并累积起来。


最庞大、最巨大的行星具有大量最轻的元素(氢和氦)(即气态行星),而较小的岩态行星则没有。引力相互作用,决定了今天的太阳系。关于地球和太阳系的许多属性看起来都很特别,但它们可能对生命不是必要的。与太阳系中的所有其他岩态行星不同,地球有一个巨大的卫星月球,它会与之产生潮汐力并使地球轴向倾斜保持稳定。与许多其他恒星系不同,我们的太阳系有一颗巨星(木星) 略高于小行星带所在的位置。与银河系中的大多数恒星不同,太阳位于螺旋臂的外围,离银河系中心约25000光年。


银河系的结构已经很好地绘制出来,包括太阳的位置,目前尚不清楚银河系的哪些恒星和区域能够支持生命存在。图片:NASA/JPL-Caltech/R. Hurt; Wikimedia Commons user Cmgle


在地球诞生45亿年的时间里:生命的诞生,继续生存和进化,发展出更复杂、更多样化、更多信息的DNA编码。地球生命经历了大量的大规模灭绝事件,其中大部分是未知的,或者仅仅是推测性的原因。尽管世界上有30%到70%的物种在不同时期被灭绝,最近的一次是从6500万年前一颗巨大的小行星撞击而来,但地球上存在生命从未动摇过。随着时间的推移,地球上生命的存在也将继续。

图为在各种时间间隔内灭绝的物种百分比。已知最大的灭绝是大约2.5亿年前的二叠纪 - 三叠纪边界,其原因尚不清楚。6500万年前最近发生的极端大规模灭绝导致世界上大约30%的物种灭绝。图片:Wikimedia Commons user Smith609, with data from Raup & Smith (1982) and Rohde and Muller (2005)


然而在地球所具有的所有特征中,哪些是生命所必需的?哪个星球的生命历史和地球不同,但一切都是可能的?直到我们真正找到地球以外的生命之前,在太阳系以外的行星上,像这样的问题不可避免地会基于推测。但这不仅仅是猜测,这些都是可以利用人类目前掌握最好的科学作出理论陈述。基于人类所知道的一切,使生命成为可能的条件似乎比大多数人想象的要多样化和灵活得多。


图为当地球的北极最大程度地偏离太阳时,它最大程度地倾向于满月,位于地球的另一侧。月球稳定了地球的轨道,但也减缓了地球的自转速度。目前尚不清楚这样的月球(卫星)是否是地球发展或维持生命所必需的。图片:国家天文台ROZHEN


以地球的卫星月亮为例,随着时间的推移引力使地球在同一轴上旋转。地球目前的轴向倾斜度为23.5度,但这将在未来很长的时间尺度内变化,介于22.1°和24.5°之间。另一方面,像火星这样的行星具有与地球几乎相同的轴向倾斜:大约25°。但是在数千万年的时间里,它的变化量将是地球的十倍:从最小13°到最大40°。


这将导致火星上不同纬度的气候发生巨大变化,远远超过任何冰河时代将在地球上传播的气候。但只要生命能够在长期温度变化中存活或迁移到更温和的气候区,这不应该是一个破坏者。有趣的是,来自月球的潮汐力也减缓了地球一天的时间:在过去40亿年中从大约8小时减缓到24小时(自转周期),这似乎根本没有影响生命,或者说没有特别强烈的影响,也或者生命在这个过程中逐渐适应了这样的变化。

图为主带中存在的小行星和木星周围的特洛伊小行星可以被巨行星引导,但是木星是否会导致更多或更少的小行星穿过地球轨道路径,而不是没有这样的巨行星所能看到的太阳系?图片:Nature


这与太阳系中木星的情况非常类似,当然,传统观点认为木星会“清除”小行星带,使小行星与地球碰撞的可能性大大降低。但实际上围绕这个问题存在很多争论。例如,考虑以下问题:木星引力的存在是否会增加或减少小行星飞往地球的可能性?木星的行为就像一种扰动力,随机地向附近任何天体施加额外力导致加速,许多小行星将被踢出,但许多其他稳定的小行星可能会变得有潜在危险。在生命的宇宙方程中,并不确定这是净正还是负的。

图为银河系和周围天空中的恒星密度图,清晰显示银河系,大小麦哲伦云,如果你仔细观察,可以看到SMC左侧的NGC 104,NGC 6205略高于左侧和左侧银河核心,NGC 7078略低于此。总而言之,银河系在其盘状范围内包含大约200-400亿颗恒星,太阳距中心约25000光年。图片:ESA/GAIA


此外关于哪些恒星可以支持生命存在巨大的争论,不仅不需要过于庞大和短暂,而且可能需要比某个临界值更大。宇宙中大多数恒星(大约80%)是红矮星。它们具有低光度,可以快速锁定行星,并发出频繁的大型耀斑。周围的生命是否可能,还是生命需要一颗质量更大、更像太阳的恒星?


那地球在银河系中的位置呢?可以合理地谈论一些事情,比如重元素的存在和丰富度。为了让岩石行星具有有利于生命的成分,相信生命需要足够的重元素存在。没有这些重元素,也只能是气态行星,而地球不可能拥有创造生命所需的碳基化合物多样性。

图为银河系中心多波长视图显示了恒星,气体,辐射等。那里有大量的物质,包括重元素和有机化合物,它们是生命必需的前题。然而它们也必须存足够多的丰富,否则生命将是不可能的。图片:NASA/ESA/SSC/CXC/STScI


但那里的临界值是多少?是否需要丰富的重元素才能使其发挥作用?一半的丰度仍然可以吗?10%呢?1%?可以绘制出重元素丰度图(天文学家称之为金属性),相对于恒星在银河系中的位置,天文学家发现,或许令人惊讶的是,只要恒星靠近银河系的平面并且离中心不太近或太远,就会像太阳系(地球)一样或多或少。假设需要跨越一定的临界值以使生命成为可能,重元素的正确平衡实际上是在今天创建银河系中大多数恒星中找到的。

恒星位于银河系中的位置与它们金属度或重元素的存在之间的关系。银河系中心盘约3000光年内的恒星,在数万光年的距离范围内,具有极其类似太阳系的丰富元素。图片:Zeljko Ivezic /华盛顿大学/ SDSS-II协作


尽管如此,还是应该有条件过于暴力以至于不能支持生命的地方。一颗太大的恒星,可能超过太阳的50%,不会活得足够长(恒星生命周期),以达到它在地球上达到的复杂程度。一个有生命星球太接近暴力灾难性事件(就像超新星或伽马射线爆发一样)可能会使生命灭绝,尽管这是有争议的,因为生命有可能存活下来。而一个恒星密度过大的地方,就意味着一个行星可能会从其自身的恒星系中被逐出,或者轨道会受到灾难性的干扰。在地球所在的地方,这种几率非常低,但在银河系中心将会大大增加。

在星系的中心,存在恒星,气体,尘埃和(正如我们现在所知)的黑洞,所有这些黑洞都与银河系中的超大质量中心相互作用。这里的成员不仅对弯曲的空间作出反应,它们自身也会弯曲空间,引力相互作用以及被“弹射”的恒星和行星非常普遍。图片:ESO/MPE/Marc Schartmann


为了让生命在数十亿年的时间内取得成功,科学家认为生命需要三个主要因素:生命诞生,如地球生命条件下保持足够的稳定性,并避免导致100%的事件灭绝。很容易想象一科行星,比如火星,也许是生命开始的地方。但是,如果行星条件改变使其不适合生命,或者如果发生灾难导致每个生物灭绝,就不可能拥有类似地球的行星。

整个银河系和整个宇宙都会发生灾变事件,从超新星到活跃的黑洞,再到合并中子星等等。这些可能会使一些星球的境在行星上变得苛刻,这些行星可能会有生命,但要完全排除这种可能性需要一些超出我们目前所知道证据。图片:J. Wise/Georgia Institute of Technology and J. Regan/Dublin City University


然而对于所有这些,可能性只是针对最密集和最稀疏的银河系环境。银河系中心周围是年轻的大质量恒星,生命受到的威胁最大;最稀疏的银河系“郊区”是生命很可能是不可能从一开始就开始的地方。就我们所知,一旦生命开始于一个星球,并开始进入行星的表面之下,它就很难被消灭。


可以很肯定的说:自地球生命诞生以来在地球上所拥有的条件已经导致生物圈蓬勃发展,但推测,非常不同的条件仍可能导致类似的结果。在生命的宇宙方程式中,即使在极其多样化的环境中也不要赌注生命的繁荣和生存。毕竟,热带雨林,热液喷口和南极洲的雪都充满了生机(有生命)。一个外星球可能不适合人类,但它可能适合在那里生长的外星生命。


博科园-科学科普|文:Ethan Siegel/Forbes Science/S.W.A.B

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