稀有地球假说,是不是像我们地球这样的行星太少……

稀有地球假说,是不是像我们地球这样的行星太少……
2021年05月09日 10:20 新浪科技综合

  来源:中科院高能所

  EP4 稀有地球假说|超越费米悖论

  费米悖论来源于恩里科·费米在基于宇宙漫长年龄和庞大的星体数量的基本假设,经过一系列的计算后发现——地外文明存在性的过高估计与缺少地外文明存在的相关证据相矛盾,于是在1950年夏天的某个午餐的闲谈中提出了“外星人它们都在哪里?”的著名问题。

  简单来说,费米悖论指的是外星智慧生命(extraterrestrial intelligence, ETI)存在的高概率估计和明显缺乏证据。今天,让我们一起研究能够维持生命的行星太少的可能性吧!

  什么是稀有地球假说?

  1950年,美籍意大利裔物理学家恩里科·费米(Enrico Fermi)与洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的一些同事共进午餐。五年前,费米曾在这里工作,参与曼哈顿计划(Manhattan Project)。根据各种说法,谈话内容转向了外星人和最近一连串的不明飞行物。为此,费米发表了一份足以载入史册的声明:“大家(外星人)都到哪里去了?”

  这成为了费米悖论的基础,费米悖论指的是外星智能生命存在的高概率估计,但明显缺乏证据。70年后,我们仍然没有回答这个问题,这引发了许多关于“大沉默”为何持续这样的理论。今天,我们要讨论另一个问题——像地球这样有生命存在的行星到底有多罕见?

  这就是众所周知的“稀有地球假说”,该假说认为,生命的出现和复杂的进化需要天体物理和地质条件的结合,而这些条件在我们的宇宙中是不常见的。这与之前著名科学家和SETI研究人员的观点相矛盾,他们认为地球是宇宙中典型的岩石行星。

  哥白尼原理

  普遍存在智慧生命的假设与各向同性宇宙的观点是一致的,这意味着在宏观尺度上,宇宙在各个方向都是相同的。这也符合哥白尼原理,即随机抽样的东西,很可能代表大多数情况。在天文学和宇宙学领域,这一原理认为,类地行星在我们的宇宙中很常见。

  但如果事实并非如此呢?如果地球实际上并不能代表整体,只是属于少数行星的一类,那该怎么办?如果地球是一个异常值呢?如果我们所熟知和喜爱的“淡蓝点”比我们所认为的更加稀有和珍贵呢?考虑到我们还没有在宇宙中发现任何外星智能(ETI)的证据,这难道不是更有可能的情况吗?

  起源

  “稀有地球”一词的名字来自于《稀有地球:宇宙中复杂生命为何罕见》 (Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in The Universe, 2000)一书,作者分别是华盛顿大学古生物学和天文学教授彼得·沃德(Peter Ward)和唐纳德·E·布朗利(Donald E。 Brownlee)。两人都是华盛顿大学天体生物学项目的成员,布朗利甚至是美国宇航局“星尘”小行星采样返回任务的首席研究员。

  正如作者所描述的那样,关于稀有地球的争论可以归结为两个中心假说:第一,微生物生命在行星系中很常见;第二,高级生命(动物)在宇宙中是罕见的。当这两个假说结合在一起时,必然会得出这样一个结论:类地行星是由一系列本身相当罕见的事件和环境演变而来的,这使得地球成为一个非常特殊的地方。

  这一论点是对两位作者在德雷克方程(由天文学家弗兰克·德雷克和著名的天文学家/科学传播者卡尔·萨根提出的)中发现的固有假设和偏见的回应,德雷克方程本质上主张有智慧的生命应该是丰富的。沃德和布朗利表示,这一假设的确令人惊叹,但他们质疑其可信度:

“德雷克方程的解包含了一些需要验证的隐藏假设。最重要的是,它假设一旦生命起源于某一颗行星,它就会朝着更高的复杂性去发展,在许多行星上最终发展成文化。这就是我们地球上发生的事情。

  大约40亿年前,生命起源于这里,然后从单细胞生物进化成有组织和器官的多细胞生物,在动物和高等植物中达到顶峰。这种特殊的生命历史——一部日益复杂化,达到动物进化程度的历史——是进化的必然结果,还是说只是普通的结果?或许事实上,这是一种非常罕见的结果?“

  概率问题

  回顾一下,1961年,弗朗西斯·德雷克(Francis Drake)在格林银行(Green Bank)的一次会议上分享了以他名字命名的等式。这次会议的主题是寻找地外文明(SETI),这在当时是一个新兴的领域。根据德雷克的说法,这个等式源于他试图创建一个议程,解决SETI研究人员需要知道的一切问题。

  数学上,方程可以表示为:

  其中是我们银河系中可以交流的文明的数量,是恒星形成的平均速率,是有行星的恒星的比例,是能够维持生命的行星的数量,是将发展生命的数量,是将发展智慧生命的数量,是技术先进的文明的数量,是它们将信号传输到太空的时间。

  虽然广泛的研究和调查帮助天文学家对德雷克方程施加了更严格的限制,但它的大多数变量仍然受制于大量的猜测和不确定性。例如,天文学家现在估计,在我们的银河系中有2500亿到5000亿颗恒星,这些恒星以大约每年增加3倍的太阳质量的速度形成新的恒星。

  在过去的几十年里发现了4000多颗太阳系外行星,这也让天文学家能够更好地了解有多少恒星有行星,以及有多少行星可能适合居住。事实上,根据开普勒望远镜的数据,2013年进行的一项研究估计,可能有多达400亿颗地球大小的行星在其恒星的宜居带运行,其中110亿颗行星将围绕类太阳恒星运行。

  然而,德雷克方程仍然有很多不确定性,特别是当它涉及到生命的出现、产生智能生命的速度,以及随之而来的一切的时候。当然,这个方程是用来作为概率论证的,主要通过识别不确定变量来说明SETI研究人员面临的挑战类型。

  稀有地球方程

  正因为如此,沃德和布朗利在书的末尾提出了一个修正的方程式。

  是银河系中恒星的数量 是恒星HZ内行星的平均数量 是银河系HZ中恒星的比例 是银河系中恒星与行星的比例 是岩石行星的比例 是微生物产生的可居住行星的比例 是行星中进化出复杂生命的比例 是存在复杂生命的行星寿命的比例 是拥有一个大卫星的可居住行星的比例 是具有大型气态巨星的星系的比例 是灭绝事件较少的行星中的比例

  正如您可以想象的那样,这些相同的参数中有许多也需要猜测。但是,以地球为模板,再以哥白尼原理为依据,很容易看出,要找到符合上述所有标准的行星是多么困难。此外,沃德和布朗利列出了地球特有的三个其他因素,据信这些因素促成了生命的出现和进化。

  首先是板块构造的存在,这是地球气候稳定的基础。由于在地壳下面有大量的放射性同位素,有足够的热量来保持地幔处于粘性状态并驱动板块构造。这个过程允许碳封存(以碳酸盐岩的形式)和通过火山活动周期性地释放二氧化碳。

  随着时间的推移,这确保了大气中二氧化碳的相对稳定水平,这有助于确保一定程度的气候稳定,并使平均气温保持在可容忍的范围内。其次,沃德和布朗利引用地质证据表明,在我们星球的历史上,地球曾两次非常寒冷,被冰雪覆盖。

  这些“雪球地球”时期分别发生在大约22亿年前和6.35亿年前,这两个时期都与陆地生物的重要发展相一致。对于前者来说,冰川作用与光合作用生命的进化相吻合,光合作用生命通过代谢和释放氧气(也就是氧气),大幅减少了大气中的温室气体。即大氧合事件(约24亿至20亿年前)。

  后一个雪球时期正好与寒武纪大爆发相吻合(约570万至5.3亿年前),当时的特征是物种多样化的爆发,几乎所有现存的动物谱系都出现了。换句话说,地球上生命进化的两个关键事件似乎是在雪球地球时期之后(或与之相关)发生的。

  第三,沃德和布朗利论证了当时流行的观点,即火星上的细菌生命可能先于地球进化,因为火星温度较低。由于火星也有较低的重力,小行星撞击产生的喷出物可能以陨石的形式到达地球,从而给地球播下生命的种子。如果这是真的,那么一个没有类似火星的行星的岩石行星就不太可能发展出生命。

  批评

  尽管稀有地球假说在很多方面都很有吸引力,但批评者也指出了一些缺陷。首先,自从沃德和布朗利分享了他们的理论以来,已经发现了数千颗系外行星,这使得天文学家能够更好地了解外面存在什么样的行星。

  例如,在3109个恒星系统中被证实存在的4197颗系外行星中,1456颗是岩石行星——1296颗“超级地球”和160颗地球大小的行星。就红矮星而言,岩石行星似乎非常常见。例如比邻星b(Proxima b),它是离我们太阳系最近的系外行星,以及TRAPPIST-1的7颗岩态行星(其中3颗围绕恒星的宜居带运行)。

  第二,对太阳系内的系外行星和天体的研究表明,沃德和布朗利关于板块构造的一些假设是不正确的。例如,他们声称在太阳系内的物体上没有类似活动的证据,但是新视野号的任务揭示了冥王星和冥卫一(它最大的卫星)的特征,表明了冰构造的存在。

  也有多种证据表明,火星在今天基本上被认为是地质活动不活跃的,但在过去也经历过板块构造。这一证据包括“火星二分法”,即北半球和南半球之间高度的强烈对比。像木卫二这样的卫星也被发现在其冰冷的表面经历了俯冲和更新。

  此外,目前还不清楚板块构造是否对生命的存在是必要的。尽管它在30亿年前开始的生命进化中扮演着重要的角色,那时光合作用生物已经出现了。类似的情况是,最近的研究发现,没有板块构造的行星(又名“停滞型”行星)可以保留足够的热量以适合居住。

  第三,目前还不清楚存在一个大卫星是否对岩石行星上出现生命是否是必要的。此外,最近的研究表明,创造月球的撞击者(与大碰撞假说一致)可能是在地球的拉格朗日点的稳定轨道上形成的,这意味着大卫星的存在可能并不像之前认为的那么罕见。

  另一个关键参数,木星大小的行星是否存在于外部系统,也受到了密切关注。在过去,天文学家认为木星的轨道阻止了大型撞击物到达地球(因此阻止了灭绝事件)。但最近的研究表明,木星的引力影响实际上可能造成了更多的撞击。

  最重要的是,近年来,科学家们对“可居住带”的定义提出了质疑,一些人认为,“可居住带”的范围可能比之前认为的要窄得多。其他研究表明,也可以在更长的轨道上发现可居住的行星,这表明HZs实际上更宽。也有可能地球并不代表可居住性的顶峰,可能存在一类“超可居住”的世界。

  相当多的研究也致力于去研究我们的宜居性概念是如何完全基于地球当前的地质时期的。在过去的许多时刻,地球上的大气和气候条件与今天有很大的不同。然而,这些条件被认为是生命在不同阶段进化的必要条件。

  总结

  就像德雷克方程、费米悖论,以及所有解决这些问题的尝试一样,稀有地球假说也存在不确定性。原因很简单:人类只知道有生命存在的一个星球(地球)。只有这一种模板严重限制了我们寻找生命的能力,而生命可能存在于各种环境和化学条件下。

  首先,生命需要水才能茁壮成长是不争的事实,因为地球上就是如此。然而,对系外行星(特别是围绕红矮星运行的行星)的研究表明,这些行星上可能存在过剩的水。同样,氧气的存在也不能保证一颗行星上有生命,特别是因为氧气对许多生命形式都是有毒的。

  一些科学家以土星的卫星土卫六为模板,认为在我们的宇宙中可能存在产甲烷生命。生活在海底热液喷口附近的极端微生物也表明,生命可以在极端环境中出现并茁壮成长。在我们的太阳系中存在的许多“海洋世界”也可能表明岩石行星可能不是寻找生命的最佳地点。

  最后,直到我们开始寻找生命,我们才能确定那里是否存在生命(以及在什么条件下存在生命)!令人高兴的是,我们只需要找到它一次就可以解决费米悖论。除此之外,我们发现的每一种生命形式和孕育生命的环境,要么会扩展我们对生命的定义,要么会强化它。

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