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银河系内侧为生命宜居带 人类迁移或存多样选择

http://www.kexue.com 2011-09-30 09:23:19 新浪科技  发表评论
 
这张示意图显示的是行星HD 85512b正围绕它的太阳HD 85512运行。这是一颗类似太阳的恒星,距离地球约35光年。行星HD 85512b的质量约为地球的3.6倍。关键的一点是它运行的位置大致位于宜居带的边缘,这就意味着它的表面或许存在着液态水,也因此可能会存在适合生命生存的环境  这张示意图显示的是行星HD 85512b正围绕它的太阳HD 85512运行。这是一颗类似太阳的恒星,距离地球约35光年。行星HD 85512b的质量约为地球的3.6倍。关键的一点是它运行的位置大致位于宜居带的边缘,这就意味着它的表面或许存在着液态水,也因此可能会存在适合生命生存的环境
这是银河系核心位置的多波段图像。这里是银河系中恒星和行星密度最高的区域,但是这里同样有着更高频率的超新星爆发  这是银河系核心位置的多波段图像。这里是银河系中恒星和行星密度最高的区域,但是这里同样有着更高频率的超新星爆发
这是一张想象图,显示一次近距离的超新星爆发将摧毁一颗宜居行星上的所有生命形式这是一张想象图,显示一次近距离的超新星爆发将摧毁一颗宜居行星上的所有生命形式

  北京时间9月30日消息,据美国太空网报道,我们当然可以确信银河系中存在着生命,那就是我们自己。长期以来科学家们一直在致力于更多的了解我们最初是如何出现在这颗星球之上的,以及我们的生存需要满足哪些条件,还有更重要的一点:在宇宙的其它角落,这样的条件是否可以复制?我们在宇宙之中是孤独的存在吗?实践显示,当进行这样的探寻时,应当将目光放眼整个星系,而非仅仅局限于某些可能适合生命存在的行星,或者只盯着我们自身所在太阳系中的宜居带不放。

  银河系宜居带

  我们的行星距离太阳距离的远近,我们的行星上的大气环境,碳循环模式以及液态水的存在,所有这些都告诉了我们诸多有关生命在这样一颗岩石行星表面起源和生存的重要信息。行星距离太阳的这一适当距离被称为“宜居带”,这样称呼是因为位于这一距离范围内的行星表面的水可以以液态形式存在。相比之下,如果距离过远,水会结冰,如果太近,则会蒸发。

  哥白尼的理论告诉我们,我们的行星只不过是一个典型的行星系中的一颗典型的行星而已,毫无特别之处。这一概念启发了天文学家,他们开始从更宏观的角度着眼,目光所及越过了我们这个小小行星系的边界,投向了更加深邃的太空。

  具体的说就是,天文学家们开始在更高层次上思考宜居带的概念:是否存在某种银河宜居带,在这样一个区域内更加容易形成适宜生命存在的行星系?出现这样的想法应当是非常符合逻辑的:既然太阳系中距离太阳的适当距离可以定义为太阳系层面的“宜居带”,那么在更高级别上,距离银河系中心的适当距离也应当可以定义一个“银河宜居带”。

  有关这一概念,最早是由地质学家和古生物学家皮特·伍德(Peter Ward)以及天文学家和宇宙生物学家唐纳德·布朗利(Donald Brownlee)在他们合著的《孤独地球》(Rare Earth)一书中提出的。但这一概念实际上却是和哥白尼理论体系相对立的。

  一些杰出的天文学家如卡尔·萨根和弗兰克·德雷克都倾向于采纳基于哥白尼理论模型的“生命普适”观点,这一理论支持这样一种观念,即宇宙中可以存在其它形式的复杂生命体。而伍德和布朗利则坚持认为在我们的银河系中,我们的地球以及允许生命存在的环境是罕见的,因此生命将是极其不寻常的现象。他们的这一观点基本上符合著名的费米佯谬的描述。即:如果银河系中充满了生命,那么为什么我们到现在还没发现它们的任何蛛丝马迹?如果它们真的存在,它们在哪?对于这一著名的“费米之问”,伍德和布朗利给出的答案是:进化到微生物阶段以上的外星生命本就极其稀少,向复杂生命的进化需要极端苛刻的条件,而每一样这样的条件出现的可能性都是极其微小的,也就是说:生命根本不是普遍存在的,生命是罕见的现象。

  简单的说,伍德和布朗利认为银河系中绝大多数区域是根本不适合生命生存的。他们认为银河系中仅有很窄的一道环状区域可能适合生命存在,即“银河系宜居带”。

  自从这一理论被提出之后又许多天文学家对这一观点进行思考,看来并不是所有专业天文学家都同意伍德和布朗利有关“孤独地球”的观点。

  银河中心部位更适合生存?

  最近美国宇航局宇宙生物学研究所的麦克·古瓦洛克(Michael Gowanlock)博士和他的同行,加拿大特伦特大学的大卫·帕顿(David Patton)以及萨宾·麦克康奈尔(Sabine McConnell)进行了一项有关银河宜居带的研究就显示,尽管银河系靠近核心的区域确实环境险恶,但是却可能成为最适宜生命生存的环境区域。

  他们的相关论文后来发表在了《宇宙生物学》杂志上,他们有关生命宜居的概念主要基于三个基本参数:超新星爆发率,金属性(即除去氢和氦之外的重元素丰度,这是形成行星的基本材料)以及复杂生命进化所需要的时间。他们的研究发现,尽管由于在银河系内侧(即距离银心8100光年以内),这里的恒星密度要比外侧高得多,因而这里的超新星爆发频率也高得多。这样的爆发会摧毁很多行星上可能存在的生命,但是这里让生命存在下去的可能性却要比银河系外缘高出10倍。

  这一研究结果和之前的很多研究结论是冲突的,如银河宜居带理论指出,只有距离银心大约2.28万~2.93万光年之间的区域才是可能适合生命存在的。我们的太阳系运行轨道距离银河系中心大约2.6万光年,正好位于银河宜居带之内,却远远位于古瓦洛克小组提出的最有可能存在生命的区域之外。

  那么为何古瓦洛克小组会得到这样的结论呢?古瓦洛克本人解释说:“我们将金属丰度和行星形成速率进行了关联。”重元素(天文学上称之为“金属”)是由死亡的恒星产生的,而恒星诞生和死亡,这样的循环发生的次数越多就会有越多的重元素被制造出来。从星系历史的角度看,恒星诞生和消亡过程发生频率最为剧烈的区域是靠近银河系核心的位置。

  古瓦洛克说:“银河系内侧是金属丰富最高的,而银河系外侧这一指数就要低得多。因此银河系内侧位置行星的数量也应当远多于银河系外侧。因为重元素是形成行星的原始建筑材料,而在银河系核心区域这样的材料密度是最高的。”

  然而在这一区域隐藏着一个巨大的风险,那就是超新星爆发。古瓦洛克的小组考虑到了这一因素并进行了计算机模拟演算。他们对两种最常见的超新星爆发模式进行了模拟,即两颗白矮星合并所引发的Ia型超新星爆发,以及大质量恒星塌缩引发的II型超新星爆发。

  铝26是II型超新星爆发的常见副产品,通过对银河系中铝26同位素丰度的测量让天文学家们得以计算出这一区域II型超新星爆发的频率大约为每50年发生一次。而根据以往的计算数据,一次超新星爆发将彻底摧毁距离其半径30光年以内的所有生命。

  古瓦洛克说:“在我们的模型中,我们假定氧气的积聚以及臭氧层的出现是保障生命存活的必要条件。超新星爆发可以摧毁行星大气上空的臭氧层,于是生命便会处于危机之中。”

  研究小组进行的计算显示,我们银河系中的大部分恒星至少在其生命史中的一部分时间里将是沉浸在附近超新星爆发的辐射中度过的。只有大约30%的恒星可以幸免于难并具备发展出生命的环境条件。

  古瓦洛克表示:“超新星爆发将可以摧毁距离其6.5~98光年范围内的生命,具体要取决于超新星爆发的规模和形式。在我们的模型中,这种毁灭起作用的距离并非固定不变,因为一些超新星爆发的威力要远大于另外一些。”

  正是依据这些判据,古瓦洛克指出,尽管由于较低的恒星密度,以及更少的超新星爆发,在银河系外侧会更加安全。但是银河系内侧的高金属丰度意味着更高速率的行星形成,计算显示在银河系内侧找到幸存的,没有被摧毁的有生命行星的几率要比银河系外侧高出10倍。然而古瓦洛克小组的理论中没有排除银河系内任何一个区域存在生命的可能性,只是说其它区域“比较不可能出现生命”。

  这样便解释了为什么我们的太阳系远远位于古瓦洛克圈定的范围之外。同时这一理论也给了“搜寻外星智慧生命”(SETI)项目以新的希望:他们现在已经开始将搜寻的目光投向银河系的核心地带。

  孰是孰非?

  然而,并非所有人都赞同这一理论观点。如伍德和布朗利便指出,太阳系所在的位置要比古瓦洛克模型中指定的区域安全的多,宜居的多。因为在银河系内侧,由于恒星密度过高,围绕恒星运行的行星轨道很容易遭遇从过于接近的距离上通过的其它恒星体引力的影响而偏离轨道,从而导致毁灭性的结果。其它科学家也对这一理论体系中所作的一些假设的合理性提出了质疑,如银河系内宜居行星的比例,以及处于潮汐锁定状态下的行星是否真的可以存在宜居环境等等。

  吉姆·卡斯滕(Jim Kasting)来自宾夕法尼亚州立大学,是《如何找到宜居行星》一书的作者。他说:“他们所作的一些假设可能太过自信了。他们似乎远远走在了其他人的前头,因为到目前为止我们仍在考虑这些问题,而他们已经给出了具体的假设。”

  然而,也有支持这一理论的科学同行。列维·达特尼尔(Lewis Dartnell)就是其中一位。他是一位来自伦敦大学学院的宇宙生物学家,他说:“这是迄今为止针对银河系宜居带问题所作的最为详尽的研究。它的结论是很有趣的,他们指出白矮星超新星爆发对宜居行星上复杂生命体的危害是大质量恒星塌缩引发超新星爆发的5倍,这很有意思。”

  银河宜居带并非是一条静止的环带,古瓦洛克小组的论文指出随着时间的推移,银河系的高金属丰度区域将逐渐向外侧扩展。他说:“这也是为什么形成时间较晚的恒星更加容易拥有类地行星。”这样看起来,或许我们银河系中生命活动的高峰期还没到来呢!(晨风)

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