用“类地”条件寻找外星系生命,这样的方式对吗?

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在过去的十年中,我们对除恒星外的恒星周围存在什么行星加不断地加深了理解。已知的系外行星数量,已知的系外行星数量已经从10年前的几十颗增加到了4000多颗,这由NASA开普勒任务取得巨大成功所开创。它们的大小,轨道距离和各种类型的恒星都有各种各样的形式。我们终于可以用数据来谈论母星外的情况,而不仅仅是推测。

我们什么时候才能找到太阳系以外的第一颗有人居住的行星?有没有人类可能居住的系外行星?哪个类太阳系的行星最像地球?但是,我们研究的越多,就越清楚地得出一个结论:问一个系外行星的"类地"是一个错误的问题。宇宙是迷人的,多样的,最适合生命存在的地方可能并不是地球。

用“类地”条件寻找外星系生命,这样的方式对吗?-第1张图片-IT新视野

当我们环视太阳系周围的行星、卫星和其他世界时,很显然地球是一个很特别的星球世界,生命在这里生长、延续和繁荣,改变了生物圈,并变得复杂、智能和技术先进。当科学家们说他们正在寻找“地球2.0”或“类似地球”的系外行星时,他们在寻找与我们有幸经历的情况相似的条件。

但是这种思维方式内在地存在着偏见。我们假设地球经历(并继续经历)的条件最有利于我们期望的结果。但是随着我们对宇宙的了解越来越多,我们有充分的理由挑战这一假设。 这可能体现五种方式。

地球大小恰到好处,不是吗? 如果太大,我们将挂在巨大的氢气和氦气包层上(例如海王星或天王星); 如果我们太小,我们将根本无法很好地保持大气层(如火星或水星)。 因此,地球大小是必经之路,不是吗?

只是,土星的卫星土卫六比火星小,但它的大气层比地球还要厚。金星比地球小,质量比地球小,其表面的气压是我们的90倍。木星的大型水世界欧罗巴可能拥有海底生物的理想条件。这些例子,甚至仅限于我们自己的太阳系,提醒我们生命的可能性存在于许多大小不一的世界,而“地球大小”并不是一种特殊的属性。

如果一颗系外行星具有地球大小,且大气层与地球的大气层相似,那么从母星到有合适的温度让液态水出现在该行星表面的正确位置是什么?这个问题的答案,尽管是任意的,但我们是如何得出我们在“可居住区”图表中常用的定义的?

但事实是,距离恒星远得多的行星可能有更厚的大气层,导致气候温和。一颗反照率低得多或具有特定云层特性的行星可能更接近它的母星,并且仍然具有温和的条件。较热的行星可能在其上层大气中繁衍生息;较冷的行星可能在冰下繁衍生息。“可居住区”是一个有偏见的起点,科学已经发展到这种天真的定义不再有用的地步。

宇宙中绝大多数恒星都是红矮星:低质量恒星稳定而缓慢地燃烧燃料,而只有大约20%的恒星将与太阳共命运:燃烧数十亿年,成为一个红巨星,结束它们作为行星星云的生命。尽管一些(主要在质量范围的低端)耀眼的红矮星会闪耀,而且大多数绕着红矮星运行的行星也会被潮汐锁定,但这些条件并不一定会禁止生命。

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这里确实有把精华和糟粕一起丢掉的危险。是的,在某些红矮星系中生命不可能存在,但是直到我们对这些行星系统进行普查,并测量这些行星系统的性质,如果它们拥有大气,我们就不能臆断在该些行星上不存在生命的结论。

这是我们没有足够的答案的另一个关键问题:一个仅仅由于物理和化学过程而变得不适宜居住的行星,是否真的能够通过早期简单生命的存在,在漫长的天文时间尺度上保持适宜居住?

我们知道地球上有许多反馈机制,能量输入的巨大外部变化可能只会转化为生物圈内的微小变化。一个星球上早期生命的存在,也许是因为出现了更有利的条件,是否掌握着开启一个星球上生命长期稳定的钥匙?如果是这样的话,我们将无法从根本上理解是什么使一个行星具有潜在的可居住性(更不用说长期的可居住性),除非我们对这个问题有更好的理解。

对于第一代恒星来说,只有氢和氦可以制造它们。在我们的太阳系中,所有物质总质量的1-2%是由较重的元素(如氧、碳、氮和其他生命所必需的元素)构成的。没有足够重元素的恒星不能产生岩石行星和产生生命所需的原始分子。

但是,线是从哪里划出来的?太阳系中一半的重元素能产生一个有生命和有机物的行星吗?10%的人可以吗?1%怎么样?另一方面,500%呢?当我们的样本量为1时,我们不知道我们是否幸运,也不知道我们是否是成功几率最大的典型例子。这些只是一些悬而未决的问题,使我们无法对“类似地球”的真正含义进行有用的定义。

令人不安的事实是,宇宙真的在和我们玩数字游戏。当我们观察宇宙时,的确是这样:仅在银河系中,就有大约100亿个地球大小的行星,围绕着我们通常称为可居住区的恒星运行,这些恒星的质量和温度与我们的太阳相似。很大一部分的重元素也与我们的太阳系相似,这表明这些类型的系外行星(我们可能会想将其称为“地球2.0”的候选者)确实非常丰富。

但是,还有许多其他类型的系外行星不能满足所有这些条件,其中可能存在许多可宜居的星球的数量,远比我们天真的形容为像我们自己的星球的数量还要丰富。 寻找“类地”行星可能会让我们错过银河系中许多甚至大部分的行星,而实际上这些行星上的生命已经扎根并茁壮成长。

相反,一种更好的方法是查看我们能够查看的所有内容,并对可能找到的内容保持开放的态度。当然,很容易得出这样的结论:

生命在地球上活得很好

因此,这些条件至少必须允许与地球条件相似的世界才会有生命,

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正是这种想法使我们在执行的任何搜索中都得到有偏见的结果。如果我们在观察之前就决定,红矮星周围不可能存在生命,那么大小或轨道错误的系外行星或系外卫星永远无法孕育生命,或者缺乏重元素的恒星不可能拥有维持生命的行星,那么我们不仅有可能错过宇宙中的许多生命实例,而且还会失去绝大多数可宜居的星球的风险。。

事实是,银河系中近80%的恒星是这些低质量的红矮星。火星大小或水星大小的世界比地球大小的世界要多得多。可能存在无数种大气条件,它们可能会在各种轨道距离上诞生生命。甚至可能有更多的大型系外卫星——特别是在富含气体的大型系外行星周围——比地球大小的系外行星还要多。

我们很容易认为,如果我们有一个成功的例子(地球),那么我们就应该寻找能模仿已知成功的例子。但这不是正确的科学方法;正确的方法是寻找尽可能多的看似合理的世界,包括但不限于与地球条件相同的行星。很可能大多数与地球条件相似的行星根本不适合生命,而许多与我们条件不同的行星甚至可能更适合生命。在测量结果揭示答案之前,认为“类地球”具有超出我们假设的偏见的任何科学意义还为时过早。

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