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最早行星或120亿年前形成 生命存在可能性增加

http://www.kexue.com 2012-09-11 09:45:34 科学网  发表评论

研究显示岩石行星可以在不同的重元素丰度环境下产生,这就意味着在更大的范围内都有可能存在宜居行星,这也大大增加了宇宙中生命存在的可能性
要想形成一颗行星,首先你需要非常大量的岩石

  据物理学家组织网站报道,要想形成一颗行星,首先你需要非常大量的岩石,这就意味着大量的重元素,也就是质量大于氢和氦的元素。当初在塌缩过程中形成太阳和太阳系行星的原始星云中包含了这样的重元素,如铁,硅和镁,这些元素构成了岩石行星体,而其中含有的其它元素,如碳,氧,氮,钾和其它类似元素则是形成生命不可或缺的基本物质。

  然而,在当时的原始星云中,这些物质仅仅占据微量成分,加起来一共仅占整个星云物质质量的2%左右,相比之下氢元素占74%,氦元素占24%。然而尽管比例很低,但其实际总量仍然相当惊人,根据现在的计算,这一原始星云中所含的重元素物质足以组成30个地球这样的行星。这些重元素——或者天文学家们所说的“金属”——在天文学中,科学家们将所有原子量大于氢和氦的元素都统称为“金属”。这些“金属”并非凭空产生,它们是恒星内部核聚变反应的结果,随后在超新星的剧烈爆发中被散播到宇宙各处,在空间中留下了形成行星的原始物质材料。要想形成如此之多的行星物质,那就意味着在此之前必须有恒星先行存在并消亡,在死亡的过程中将合成的重元素物质抛向空间之中,经过一代代恒星的不断积累,改变着宇宙中化学元素的成分分布。然而,要想形成一颗行星究竟需要多少这样的物质?宇宙中的重元素达到何种水平之后才能符合形成行星的条件?

  重金属行星

  我们生活的地球是在大约45.4亿年前由环绕太阳转动的一个原始行星盘逐渐形成的,这一说法会出现在任何天文学教科书中,人尽皆知。而我们生活的这个宇宙迄今已有137亿年,因此我们的太阳系诞生的历史仅仅只占到了宇宙整个历史的1/3。有没有可能在更加早的时期,宇宙中便已经有了岩石行星?直到最近,科学家们都不这么认为。因为主流的理论认为宇宙中不具备足够的用于构建行星的物质,直到大爆炸之后至少60~70亿年,这种可能性才开始出现。早期的系外行星研究也似乎支持这一观点,因为科学家们观察那些系外行星围绕运行的中央恒星,它们的金属度(也就是重元素含量)都和太阳相当或比太阳更高。而更高的金属度就意味着更晚的形成年龄。然而,最后的事实证明,当初阻碍我们更好地搜寻系外行星的那种偏见同样阻碍了我们对于“何种恒星周围可以形成行星”这一问题的认识。

  直到2009年,美国宇航局发射了开普勒空间望远镜之前,我们所知的绝大部分系外行星都是那种气态巨行星,它们在围绕恒星非常近的距离上运行,这当然仅仅是因为它们是所有系外行星中最容易被探测到的类型。这些行星看起来似乎更加倾向于在具有较高金属度的恒星周围形成。

  然而开普勒望远镜的观测结果完全改变了我们对系外行星的认识。开普勒望远镜可以一次将大量系外行星收入视野,从而为我们观察这些外星世界提供一个前所未有的崭新视角。到目前为止,开普勒项目已经发现了2321颗疑似系外行星目标,其中有超过1/3是体积相对较小的岩石行星体,其中木星大小的气态行星仅占大约11%,另外还有一些海王星大小的,介于两者之间的类型,而在开普勒望远镜升空之前,人类已经发现的系外岩石行星数量屈指可数。

  对于这些拥有系外行星的恒星进行的后续观察给出了让人出乎意料的结果。丹麦哥本哈根大学尼尔斯·玻尔研究院的拉尔斯·巴克哈尔(Lars Buchhave)表示:“我们发现较小行星的存在并不像那些较大行星那样和它们围绕运行的恒星的金属度之间存在那样强烈的相关性。”巴克哈尔是一个多国天文学家小组的负责人,该小组利用光谱对150颗恒星进行了研究,这些恒星周围一共有226颗疑似行星围绕运行。有关他们的工作论文在今年6月份在阿拉斯加安克雷奇召开的第220届美国天文学会会议上进行了提交,并随后发表在了《自然》杂志上。

  瑞典伦德天文台的安德斯·乔纳森(Anders Johansen)是巴克哈尔研究论文的合著者,他说:“乍看起来这些巨行星对金属度的依赖性反而高于类地行星是有悖常理的。”只有当你停下来认真思考行星的形成过程时,事情才会逐渐变得清晰起来。行星从规模较小的原始核心到最终通过吸积过程成为行星体,这一过程对于木星这样的气态巨行星仍然存在争议:它们可以直接从太阳星云中像恒星那样冷凝形成吗?或者它们需要一个较大的核心首先形成,并吸引周围的原行星盘物质并以此实现迅速成长?

  气态巨行星对高金属度恒星的“青睐”显示它们是通过核心吸积过程形成的,也就是形成一个相当于地球质量10倍的岩石内核,并用强大的引力在其周遭气体消散殆尽之前将它们积聚到了自己身上,因为在这之后大约1000万年,来自太阳的强烈星风开始吹起,将那些来不及被积聚的气体物质都吹散了。而在金属度较低的恒星周围,它将难以形成足够的重元素物质用来形成较大的原行星核,因此最终只剩下较小的岩石行星。因此乔纳森指出,对于岩石行星的另一种看法是将它们视为半途失败了的气态巨行星内核。

  生命的极限

  从这样来看,那些围绕低金属度恒星运行的行星系统似乎就成了搜寻外星生命线索的适宜场所。因为没有了气态巨行星,生命可能将拥有更好的生存条件。

  我们目前已经观测到的系外气态巨行星大多数都属于一类被称作“热木星”的类别,这些行星都位于距离中央恒星非常近的轨道上,公转一周的时间仅有数天。这些行星并非产生时就离开恒星如此之近,相反,它们是从诞生位置逐渐迁移过来的。乔纳森表示,现在正有越来越多的天文学家倾向于认为这样的迁徙动作是由于周围气体物质对其施加的引力阻滞以及摩擦作用所致,或者是由于受到了其它行星的引力摄动。这些和原始行星盘之间发生的摩擦和摄动转移了行星的一部分角动量,让其轨道逐渐向着中央的恒星靠拢。

  当这些巨行星迁徙时,那些不幸恰好位于其迁徙路径附近的较小的岩石行星就会被强大的引潮力抛出行星系。巴克哈尔表示:“如果一颗木星大小的巨行星在迁徙过程中将行星系中所有的岩石行星全部抛射了出去,那么我们就只能去其它地方搜寻这些岩石行星了。”因此生命在早期宇宙中可能生活地更加惬意,因为拜较低的恒星金属度所赐,当时的行星系中应当不存在巨行星。而没有巨行星,生命同样可以生存。而假如地球大小的岩石行星的形成并不需要较高的恒星金属度,这将具有重大的意义,并扩展生命在时间和空间中可能存在的延伸范畴。

  考虑这样一种情形:星系的化学演化是从中心向着边缘进行的,其重元素丰度最高的区域位于星系核心位置,而其外围的旋臂部分的重元素丰度就要相对低一些。根据原先的理论,星系的外缘区域是无法让生命生存的,因为这里并不存在足以构成行星和生命体的重元素。但是当后来,这一区域的金属度不再成为一个大问题时,星系宜居带的范围——即围绕星系核心呈环状分布的一片区域,这里的一些指标,包括金属度和超新星密度都恰到好处,因而成为适宜生命存在的区域。在这一时期,这一宜居带的范围突然之间被大大延展了。

  现在,设想宇宙中的重元素含量是随着历史的推移不断累积增加的。因此在遥远的过去,宇宙中的重元素含量应当是非常低的。根据之前的理论设想,在这样的早期宇宙中将是很难产生足够的重元素物质来构成岩石行星的,但是现在我们知道在这样具有较低金属度的环境中仍然可以产生出允许岩石行星形成的条件。这样一来也就意味着,可能支持生命生存环境的行星最早可能在80亿,100亿甚至120亿年前就已经出现了。系外行星探测的结果的确发现随着恒星金属度的降低,围绕其运转的系外行星数量同样出现下降,然而科学家们同时也注意到这种下降的趋势中,类地岩石行星的下降幅度要远远小于气态巨行星。

  当然,在行星形成过程中一些重元素的存在是必须的,然而问题就在于这一最低值究竟是多少仍然需要探讨。乔纳森表示:“我认为这里存在一个下限值。”他说:“原因很简单:低于这一金属度阈值,将没有足够的重元素物质用来构建地球大小的行星。”

  很显然的一点是,在一个金属度仅有太阳1/10甚至更低的环境中,要想形成任何行星体都将是困难重重的。然而每一个星系的演化历程都各不相同,因此很难断言我们的银河系究竟是在多久之前跨越了这一阈值。不过我们确实知道这一时间一定很早,属于早期宇宙范畴。因为很显然的一点是,早期宇宙中恒星寿命很短,一代一代更新非常快,这也就让重元素的快速积累成为可能。根据测量数据,在大爆炸后不到10亿年,当时的恒星形成速率大约为每年4000个太阳质量,而在今天的银河系,这一数值是每年大约10个太阳质量。

  尼尔斯·玻尔研究所的宇宙学教授约翰·费恩博(Johan Fynbo)表示:“一颗典型的大质量恒星在大约100~120亿年前发生爆发并释放出重元素时,当时的这些恒星拥有的金属度大约为今天太阳的1/10。”他说:“而一旦你拥有新一代的恒星,你就已经开始不断地向宇宙中增加着重元素的含量。”因此“费米悖论”在这里就会变得更加糟糕,更加诡异:看起来这些岩石行星正运行于远比我们原先设想的要多得多的恒星周围,运行于远远比我们设想更加久远的年代之中,不管从时间还是空间范畴上去考虑,岩石行星的数量和存在的时间范围都将大幅度地被延伸出去。

  著名的费米悖论是由美籍意大利物理学家费米提出来的一项看似简单的疑问:考虑到宇宙中如此数量众多的恒星和行星,加上宇宙如此古老的年龄,如果宇宙中存在生命,为何它们到现在还没有造访我们?它们究竟在哪里?而当你考虑德雷克方程第一项时,情况将会变得更加糟糕:这是一个计算宇宙中可能存在的智慧文明数量的估算方程式,其中的第一项指标是“恒星形成速率”。很显然,在宇宙形成初期,这一速率是非常高的,相比现在,在100~130亿年前的宇宙中恒星的新生速率要高得多,而当时宇宙中的第一批行星或许已经开始形成。

  在今天的银河系,恒星的形成速率约为每年10个太阳质量。而如果这一数值增加10倍或100倍,它将直接导致智慧文明可能存在的数量大幅增加。之前对于费米悖论的一项反驳意见是认为金属度的积累需要时间,如此一来,太阳恰好成为首批达到这一阈值的恒星,而地球也就有幸成为首批拥有生命的行星体。然而现在这一论据已经被动摇,我们知道行星,或许还有生命,是可以在宇宙历史中几乎任意一个时间点上出现的,这样的结果让我们不得不再次发问:那么其它的智慧生命在哪里呢?如果生命果真在120~130亿年前便已经出现,那么这些智慧文明(如果它们能逃过被毁灭的命运的话)现在就应该已经比我们先进数十亿年,这样的文明社会估计已经不再会为一个小小的岩石星球所局限,它们或许已经可以从黑洞获取能量,甚至已经生活在了“戴森球”中。所谓戴森球是美国物理学家弗里曼·戴森假想出的包围恒星的巨大球形结构,它可以捕获大部分或者全部的恒星能量输出用于自身使用,是一种只有极高级技术文明才能应用的获得能源的可能方式。

  然而在这个故事中间却也出现了一些转折。2010年,德国马普天文研究所的研究人员发现一颗围绕恒星运行的巨行星,这颗行星很独特,它的金属度非常低,因此它一定是在宇宙早期形成的。不仅如此,这颗编号为HIP 13044,距离地球2000光年之遥的恒星位于一条星流之中,这是一个存在于远古时期,后来被银河系吞噬的矮星系留下的遗迹。而在今年,同一个研究组又发现了两颗气态巨行星正围绕一颗低金属度恒星运行。这颗恒星编号为HIP 11952,根据其氢氦成分比例,其形成年代应为大约128亿年之前,当时距离宇宙大爆炸仅有9亿年。

  目前,对于这些气态巨行星为何可以在如此缺乏重元素的低金属度恒星周围形成,其原因尚不得而知,或许这暗示着一种新的气态巨行星形成机制。从另一方面来看,这至少说明了在宇宙中的某些区域,气态巨行星似乎可以在很早的时期便开始形成。

  元素丰度

  对于一些遥远宇宙中的暗弱星系,它们发出的光芒太过暗弱,因而无法对其光谱进行测量,但是科学家们可以利用其中自然的背景光源,如高亮度的类星体来对这些星系进行探究。当使用这种手段对一个存在于120亿年之前星系的化学成分进行研究时,一个包括费恩博在内的天文学家小组得到了一个相当令人惊讶的发现。费恩博表示:“我们对一个类星体的光进行观察,这些光照亮了一个遥远星系的背景,在那里这些光被星系物质吸收。”他说:“这样一来我们便可以查看这一星系形成的吸收光谱,我们看到了氧,硫,碳和所有在星系内部被合成的元素的吸收谱线。”

  120亿年之前的星系,其化学成分应当相当原始,然而在这个星系中情况却似乎并非如此。费恩博和他的同事们将这一结果报告给了《皇家天文学会月报》,他们报告称在这一星系中探测到了和太阳相等同水平的重元素丰度水平。实际上,在这一距离上出现这样的重元素丰度本身并不令人惊讶,但是之前的发现都局限在类星体的核心位置,而在这一案例中,科学家们利用类星体的光穿过前景星系原始行星盘的契机,观察这一行星盘的吸收线。最终观察到具备太阳等同水平重元素丰度的区域距离星系核心至少有5.2万光年,这已经位于该星系的边缘位置。相比之下,即便是在今天,我们的银河系最边缘位置上的旋臂区域也还尚未达到如此程度的重元素丰度。那么,在那么古老的年代,这个星系究竟是怎么会达到如此高的重元素丰度的?对于这一问题,目前最好的解释是星爆现象——也就是速率极高的恒星新生过程,这种狂风骤雨般的过程在星系核心位置大量合成重元素并将其扩散至星系边缘位置。这种扩散可能是通过强烈的星风或超新星爆发时的强烈冲击波实现的。

  另外,背景上的类星体光线由于这一前景星系中尘埃物质的作用呈现偏红色。尘埃本身是构建行星的最主要组成成分,它们相互结合,扩大,形成最初的原始行星核。这些尘埃还是大规模撞击作用的产物,这是所有年轻的原始行星都必须经受的一场严峻考验,费恩博表示:“要想构建一颗行星,很显然你需要金属元素,现在看起来在远离核心的星系边缘位置,在很早的历史时期便已经可以满足这样的条件,这一点让我们很惊讶。”

  然而这种高金属度的情形也将满足气态巨行星的形成条件。尽管拉尔斯·巴克哈尔在之前提到过这些气态巨行星给宜居行星带来的威胁,然而这种威胁也并不是绝对的,像我们太阳系这样气态行星和衍生行星共存的情况应当并非唯一的特例。

  他说:“在开普勒-20行星系统中拥有5颗行星。其中有3颗是土星大小的气态行星,另外两颗是岩石质的类地行星,它们相互之间的排列顺序是大-小-大-小这样间隔排列。如果那些土星大小的行星发生了迁徙,那么这些较小的行星是如何会排列到它们中间的?有一件事是清楚的,在宇宙大爆炸之后不久,产生类地行星的条件便已经成熟,这就让远比我们古老的生命在宇宙早期出现的可能性大增。或许它们生活在寿命漫长的红矮星周围,或者在它们的“太阳”熄灭之后已经在此踏上旅途寻找下一个家乡。也或许,我们真的是宇宙中第一批智慧生命,这也就意味着到目前为止在整个宇宙历史中生命仅仅还是第一次出现。那么我们的存在真的是一个奇迹,而我们所在的行星,也将因此变得非常非常与众不同。(晨风)

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