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  • 如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    在Smithsonian Books的作品中,James Trefil和Michael Summers探索了令人眼花缭乱的系外行星生命的可能性

    有一个耳熟能详的故事“金发女孩和三只熊(Goldilocks and the Three Bears)”。 我们很高兴告诉我们的子孙后代,爸爸熊的粥太热了,妈妈熊的粥太冷了,但是婴儿熊的粥刚刚好。 因此,科学家认为星球海洋必须保持数十亿年生命才能生存就不足为奇了,行星的温度不必太热也不是太冷,而恰到好处-这样的星球科学家将其命名为第一个“金发姑娘(Goldilocks)星球”。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    图:新墨西哥州的一个射电天文台

    寻找宇宙中外星生命的科学家正在寻找所谓的费米悖论的答案:“大家都在哪里?”

    (注:金发女孩和三只熊讲述了一个金发小女孩来到棕熊一家偷偷喝粥偷偷享受家具的故事,其中,熊爸爸和熊妈妈的东西都不适合小女孩,只有熊宝宝的东西适合她,最后被棕熊一家发现睡在熊宝宝的床上后便逃走了,自此以后原本淘气的小女孩不再淘气了)

    从另一个角度来看,与其他同类恒星一样,自形成以来的45亿年中,我们的太阳变得更亮。 大约40亿年前,当海洋首次在地球上形成时,太阳比现在暗了约30%,因此地球必须保留更多的太阳能,以防止海洋冻结。随着时间的流逝,太阳向地球上辐射了更多的能量,行星大气的组成也发生了变化,并通过温室效应影响了温度。 尽管如此,在整个地球历史上,海洋似乎都比“冰点”高出几度。 不太冷,也不太热。

    以大气变化为例,总所周知,三十五亿年前,地球的海洋是蓝细菌繁衍生息的栖息地,就像我们所谓的绿塘泥一样。 当时,大气中几乎没有游离氧,而细菌释放出的氧气是光合作用的排出物(就像今天的植物一样)。 起初,这种氧气是通过化学反应除去的,例如表层岩石中铁的生锈,但是大约25亿年前,某些科学家称之为“大氧化事件”,其(氧气)丰富度开始增加。 如此一来,地球上许多无法忍受氧气的原始居民开始灭绝,淹没在自己的排出物中。 然而,一些生命则适应了这种环境并能够使用氧气来驱动呼吸循环,从而使人类和如今地球上的所有其他动物得以存活。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    1978年,德克萨斯州三一大学的天体物理学家迈克尔·哈特(Michael Hart)发表了有关地球大气历史的计算机模型。 在该模型中,大气中氨和甲烷产生的温室效应(像更熟悉的二氧化碳一样,两者都是温室气体)助长了早期太阳的微弱热热效应。 随着太阳变得越来越亮,生物体产生的氧气改变了原本的大气成分,从而降低了温室效应,从而抵消了太阳辐射的增加。 最终,在二氧化碳和水蒸气的作用下,我们当前的大气层出现了温室效应。 本质上,地球是走在一边是变成失控的温室而另一边是冻结的刀尖上。

    然而,我们从另一个角度来看,哈特模型中最重要的部分是关于地球距太阳距离与实际距离不同时会发生的情况。 根据他的模型,如果地球距太阳近1%,或者离太阳更近百分之五,那么使海洋保持液态的微妙平衡就会被破坏。 因此,考虑到地球大气的演变,导致人们想到在恒星周围存在一个空间带,在该空间带中,星球表面海洋可以保持数十亿年的液态。 这个空间带被称为绕星宜居带(circumstellar habitable zone, CHZ),而且这已经成为科学家有关系外行星生命的思考的中心思想之一。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    像所有同类恒星一样,我们的太阳自形成以来的45亿年中逐渐变得明亮。 大约40亿年前,当海洋首次在地球上形成时,太阳比现在暗了约30%,因此地球必须保留更多的太阳能,以防止海洋冻结。(John Greim/LightRocket via Getty Images)

    绕星可居住区和可居住性

    关于绕星宜居带CHZ,我们可以确定的第一件事是每颗恒星都会有一颗。 换句话说,恒星周围总是存在一个带,在该带中,能量平衡可使行星表面的温度保持在水的冰点和沸点之间。 对于暗淡的小恒星,绕星宜居带狭窄且接近。 例如,许多已知的系外行星的CHZ比水星离太阳距恒星更近。 同样,大型明亮恒星的CHZ范围更广,距离更远。 就和上面讨论过的一样,恒星的能量输出随恒星年龄增加而增加,因此,随着恒星老化,可居住区域会实际上向外移动。 但是,重要的一点是,由于每颗恒星在某处都有CHZ,因此我们希望,偶然地,在这些区域中会形成一些(可居住的)行星。

    尽管如此,我们必须补充一点,在过去的一两十年中,科学家已经认识到,必须比对温度平衡的简单计算更为仔细地考虑CHZ。 正如麻省理工学院的天体物理学家萨拉·西格(Sara Seager)所指出的那样,在可居住带的一颗行星不能保证实际上是可居住的。 实际上,有太多因素可以影响CHZ中生命的可能性。

    随着系外行星的探索不断发展,在CHZ中找到一颗类地行星已成为天文界所寻求的圣杯。 但是今天我们已经意识到,行星的可居住性不仅仅是其轨道的位置。 例如,研究人员研究的区域不在其恒星的CHZ中,没有地表海洋的液态水,但它们仍然是生命甚至先进文明的家园。 诸如此类的考虑使科学家对生命出现所需的条件有了更广泛的了解。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    如果地球距离太阳较远1%或离太阳5%,那么使海洋保持液态的微妙平衡将丢失。 (Universal History Archive/ Universal Images Group via Getty Images)

    涉及的星球类型

    行星绕其旋转的恒星类型可能会对生命的发展产生重要影响,甚至对CHZ中的行星也是如此。 例如,小的暗星被称为红矮星,是银河系中占最大比例的恒星,通常会经历一些极端活动。 恒星耀斑和大量带电粒子的喷射将使任何行星表面的生活都非常困难,无论该行星是否位于CHZ中。 在这种系统中,生命可能必须留在海底或地下才能生存。 在这种情况下,CHZ变得无关紧要

    科学家开始摒弃生命必须进化并持续存在于行星表面的想法。 例如,许多当前的论断得出的结论是:火星上的任何活生物体都将在地表下发现。 此外,如果生命存在于外部太阳系的地下海洋中,例如欧罗巴和土卫二的海洋中,那么根据定论,生命将位于海面以下。 即使在地球上,行星表面下的生物量似乎也可能比其上更大。 因此,与小恒星相关的强烈辐射环境不会阻碍生命的发展,即便使用我们目前的技术可能无法直接检测到生命。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    另一方面,质量更大的恒星提供了更良性的辐射环境,但是它们的寿命相对较短。 在某些情况下,它们的寿命可能只有3000万年。 除了简单的微生物生命,不可能有生命会在这么短的时间内在星球上进化。 此外,这些恒星会在称为超新星的大规模爆炸中终止生命,这肯定会摧毁附近的所有行星。 因此,即使在这种恒星的CHZ中设法有了生命,当恒星死亡时,所有的痕迹也会被抹去。

    由于这些限制,系外行星猎人将注意力集中在像太阳这样的中型恒星的CHZ上的行星上。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    麻省理工学院的天体物理学家萨拉·西格(Sara Seager)指出,在宜居地带的行星并不能保证实际上是宜居的。(Win McNamee/Getty Images)

    大气的演变

    在讨论可居住性时,另一个复杂性的源头是不稳定的行星大气, 其主要系统不变,而会随着时间的推移而演化。 地球的重大氧化事件只是这种过程的一个例子。

    对于像火星这样的小行星,大气层的引力逃逸起着重要作用。 它是这样运作的:构成行星大气的分子始终处于运动状态,温度越高,它们移动得越快。 但是,无论温度如何,总会有一些分子的移动速度快于平均速度,而有些分子的移动速度慢于平均速度。 如果运动较快的分子获得足够的速度并且恰好在垂直于行星表面的方向上运动,那么它们就可以克服行星的引力并逃逸到太空中。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    行星越大,其引力越强,拴住大气的难度就越大。 例如,在地球上,一个分子必须以每秒移动约7英里(11公里/秒)的速度才能逃脱。 重要的是要注意,将重分子提高到高速度比增强轻分子更困难。 这意味着,较轻的分子比重的分子更有可能因重力逃逸而丢失。 例如,地球已经损失了大量的原始氢和氦(大气中最轻的元素),而火星则损失了更重的气体,例如氧气和氮气。

    一种称为光解离的相关损失机制对水分子特别重要。 如果行星表面上有水,那么大气中就会有一些水蒸气。 来自行星恒星的紫外线辐射将分解发现位于大气层上游的水分子。 所产生的轻质氢将通过重力逃逸而损失,并且氧将与表面上的原子结合以产生各种氧化的矿物质。 我们认为一个很好的例子就是火星如何失去了历史悠久的海洋,并且为什么火星的红色表面是其表层岩石中铁的氧化(生锈)产物。

    另一种重要的变化涉及二氧化碳,二氧化碳是地球大气中一种重要的温室气体(水蒸气也是温室气体)。每次火山喷发时,二氧化碳都会从地幔深处释放出来,并排放到大气中。在一个称为深层碳循环的复杂过程中,二氧化碳被带入海洋,并被掺入石灰石等材料中,然后会被带回地球内部。因此,行星的大多地质变化会影响其大气中二氧化碳的含量,进而会影响其温度。我们认为,因为太靠近太阳,金星历史早期存在的任何表层海洋都会由于行星的高温而蒸发掉。因此,金星无法从其大气中清除二氧化碳,而且由于缺乏深层的碳循环,该行星在所谓的失控温室效应中导致了这种气体(二氧化碳)的积聚。

    这些例子表明,系外行星大气的变化(我们必须指出,我们用当前的望远镜仪器无法观测到的变化)可能会对它的可居住性产生深远的影响。 仅举一个例子,一颗位于恒星绕星宜居CHZ内但水分很少的行星可能会受到失控的温室效应的影响并像金星一样失去“生命力”。 而且从远处看,很难知道这是否发生过。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    随着系外行星的探索不断发展,在CHZ中找到一颗地球型行星已成为天文界的圣杯。 但是今天我们已经意识到,行星的可居住性不仅仅是其轨道的位置。

    (The LIFE Picture Collection via Getty Images)

    智能与技术

    我们对一个金发姑娘Goldilocks星球(地球)上的生命的发展方式和时间有了很不错的了解,这一成就消除了有关这类行星生命发展的讨论中的一些猜测。 尽管外星生命的化学性质不必与地球生命相同,但是假设其他Goldilocks星球的生命形式将同样依赖于大型碳基分子中包含的复杂信息并不是一个很大的飞跃。 碳可以形成牢固,稳定的原子链和环,非常适合用作携带信息的生物分子。

    此外,我们不必假设由会说英语的两足动物所组成的标准科幻星系,以了解自然选择在其他Goldilocks星球上的运作方式。 我们可以通过研究地球上智能技术的发展,得出与银河系中类似的金发姑娘Goldilocks行星可能性。

    我们必须要注意的关于自然选择的关键点是:这不是一个选择美观或道德价值的过程。 一个老笑话说了这一点:

    山上的两个旅行者遇到了一只饥饿的灰熊。一个人开始脱下他的背包。

    另一个说:“你在做什么? 你跑得不可能比那只熊还快。”

    “我不必比熊跑得快,我只需要比你跑得快。”

    如果慢跑者是一个善良的人,可以帮助马路对面的老太太,那就不会有什么影响。 自然选择不会关注这些,唯一重要的是他的同伴更快。 这些是使生命得以延续的基因。

    如果真有外星人的话,他们会做些什么?

    科学家开始摒弃生命必须进化并持续存在于行星表面的想法。 例如,许多当前的论断得出的结论是,火星上的任何活生物体都将在地表下发现。 (NASA/JPL-Caltech/Malin Space Science Systems)

    Goldilocks行星上的生命形式

    那么,这如何告诉我们关于Goldilocks世界的不同生命形式呢?我们担心答案不是很令人鼓舞,因为最有可能的结果是,它们可能不会比智人温柔和友善。纵观我们物种的历史以及化石记录中发现的20多种原始人种的消失,我们对无法对待遇到比我们更和平的先进技术物种的可能性持乐观态度。我们发现,这些消失的原始人在道德上或战争性上都不会比我们友善或和平。真的恐怖!

    这样看:如果我们将宇宙的历史压缩为一年,地球和我们的太阳系在劳动节前后形成,科学的发展只占过去的几秒钟。在智人出现之前的整个“一年”中,没有其他生物能够发展出科学是极不可能的。物理和化学定律不是模糊不清或隐藏的,任何中等智能的文明都可以发现它们。至少在那些Goldilocks文明中,有些这样做是必须的。某个地方的外星人艾萨克·牛顿(Isaac Newton)一定已经开始朝着先进的技术文明迈进。最令人不安的事实是,我们找不到任何这种文明的证据。即使没有比光速快的翘曲驱动器,而且我们也没有在技术上取得重大进步,但计算结果表明,在三千万年之内(比一天还短的一天),人类可能会扩散到整个银河系中。如果我们能够做到这一点,那么任何其他像我们这样先进的文明也将如此。

    那么这些其他文明在哪里?这个问题表达了所谓的费米悖论(以20世纪最主要的物理学家之一恩里科·费米(Enrico Fermi,1901年至1954年)命名)。曾经有人向他提到过计算结果,表明银河系中有数百万个先进文明。费米思考了一会儿,然后问:“每个人都在哪里?”换句话说,为什么他们还没有在这里?就外星人而言,为什么我们会经历科学家所说的“伟大的沉默”?

    拥有富有想象力的灵魂的科学家和科幻作家提出了许多可能的解释。以下是一些最受欢迎的内容:

    动物园假说:外星人宣称地球就像是一个受保护的荒野。

    星际迷航假说:外星人采用了主要指令,以防止他们干扰我们自己这样的文明发展。

    天堂假设:外星人在理想的环境中既胖又快乐(译者注:快乐肥宅),对探索没有兴趣。

    替代假设:有机生命已被智能机器(人类通常会想到的未来)取代,并且机器对接触有机生命没有兴趣。

    然而,问题在于,尽管我们可以想象在任何几种外星文明会出现的情况,但实际上很难将其中任何一个视为生活发展的必然结果。

    他们的恒星CHZ中必须有数以百万计的地球大小的行星,这一推测得到了事实的支持,因为我们已经在几千个系外行星的小样本中找到了其中的几十个。例如,他们全采用《星际迷航》的《最高指令》之类的方法是不可能的。(最高指导原则禁止星际舰队人员或航天器干扰任何社会的自然发展;并强制要求星际舰队的船只和船员都是可以牺牲的,以防止违反这一原则。)我们担心为什么我们不知道先进的地球外文明存在的问题,最合乎逻辑的答案是这些文明不存在。据我们所知所见,对此的唯一的解释就是其取决于自然选择。

    这使我们对Goldilocks世界的命运感到非常渺茫的可能性。考虑到自然选择会产生攻击性物种(例如智人)的趋势,有可能整个宇宙的历史都被进化过程所占据,这一进化过程在一个Goldilocks星球上一个又一个地产生智能生命形式,而发现科学后便会消灭自己。换句话说,可能有许多文明到达了我们的境界,但是它们都在摧毁附近的恒星之前就已经摧毁了自己。这个世界末日的场景是费米悖论的常见解释。

    作者: James Trefil and Michael Summers

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