稀有地球假說,是不是像我們地球這樣的行星太少……
2021年05月09日10:20

  來源:中科院高能所

  EP4 稀有地球假說|超越費米悖論

  費米悖論來源於恩里科·費米在基於宇宙漫長年齡和龐大的星體數量的基本假設,經過一系列的計算後發現——地外文明存在性的過高估計與缺少地外文明存在的相關證據相矛盾,於是在1950年夏天的某個午餐的閑談中提出了“外星人它們都在哪裡?”的著名問題。

  簡單來說,費米悖論指的是外星智慧生命(extraterrestrial intelligence, ETI)存在的高概率估計和明顯缺乏證據。今天,讓我們一起研究能夠維持生命的行星太少的可能性吧!

  什麼是稀有地球假說?

  1950年,美籍意大利裔物理學家恩里科·費米(Enrico Fermi)與洛斯阿拉莫斯國家實驗室(Los Alamos National Laboratory)的一些同事共進午餐。五年前,費米曾在這裏工作,參與曼哈頓計劃(Manhattan Project)。根據各種說法,談話內容轉向了外星人和最近一連串的不明飛行物。為此,費米發表了一份足以載入史冊的聲明:“大家(外星人)都到哪裡去了?”

  這成為了費米悖論的基礎,費米悖論指的是外星智能生命存在的高概率估計,但明顯缺乏證據。70年後,我們仍然沒有回答這個問題,這引發了許多關於“大沉默”為何持續這樣的理論。今天,我們要討論另一個問題——像地球這樣有生命存在的行星到底有多罕見?

  這就是眾所周知的“稀有地球假說”,該假說認為,生命的出現和複雜的進化需要天體物理和地質條件的結合,而這些條件在我們的宇宙中是不常見的。這與之前著名科學家和SETI研究人員的觀點相矛盾,他們認為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設與各向同性宇宙的觀點是一致的,這意味著在宏觀尺度上,宇宙在各個方向都是相同的。這也符合哥白尼原理,即隨機抽樣的東西,很可能代表大多數情況。在天文學和宇宙學領域,這一原理認為,類地行星在我們的宇宙中很常見。

  但如果事實並非如此呢?如果地球實際上並不能代表整體,只是屬於少數行星的一類,那該怎麼辦?如果地球是一個異常值呢?如果我們所熟知和喜愛的“淡藍點”比我們所認為的更加稀有和珍貴呢?考慮到我們還沒有在宇宙中發現任何外星智能(ETI)的證據,這難道不是更有可能的情況嗎?

  起源

  “稀有地球”一詞的名字來自於《稀有地球:宇宙中複雜生命為何罕見》 (Rare Earth: Why Complex Life Is Uncommon in The Universe, 2000)一書,作者分別是華盛頓大學古生物學和天文學教授彼得·沃德(Peter Ward)和唐納德·E·布朗利(Donald E。 Brownlee)。兩人都是華盛頓大學天體生物學項目的成員,布朗利甚至是美國宇航局“星塵”小行星采樣返回任務的首席研究員。

  正如作者所描述的那樣,關於稀有地球的爭論可以歸結為兩個中心假說:第一,微生物生命在行星系中很常見;第二,高級生命(動物)在宇宙中是罕見的。當這兩個假說結合在一起時,必然會得出這樣一個結論:類地行星是由一系列本身相當罕見的事件和環境演變而來的,這使得地球成為一個非常特殊的地方。

  這一論點是對兩位作者在德雷克方程(由天文學家弗蘭克·德雷克和著名的天文學家/科學傳播者卡爾·薩根提出的)中發現的固有假設和偏見的回應,德雷克方程本質上主張有智慧的生命應該是豐富的。沃德和布朗利表示,這一假設的確令人驚歎,但他們質疑其可信度:

“德雷克方程的解包含了一些需要驗證的隱藏假設。最重要的是,它假設一旦生命起源於某一顆行星,它就會朝著更高的複雜性去發展,在許多行星上最終發展成文化。這就是我們地球上發生的事情。

  大約40億年前,生命起源於這裏,然後從單細胞生物進化成有組織和器官的多細胞生物,在動物和高等植物中達到頂峰。這種特殊的生命歷史——一部日益複雜化,達到動物進化程度的歷史——是進化的必然結果,還是說只是普通的結果?或許事實上,這是一種非常罕見的結果?“

  概率問題

  回顧一下,1961年,弗朗西斯·德雷克(Francis Drake)在格林銀行(Green Bank)的一次會議上分享了以他名字命名的等式。這次會議的主題是尋找地外文明(SETI),這在當時是一個新興的領域。根據德雷克的說法,這個等式源於他試圖創建一個議程,解決SETI研究人員需要知道的一切問題。

  數學上,方程可以表示為:

  其中是我們銀河系中可以交流的文明的數量,是恒星形成的平均速率,是有行星的恒星的比例,是能夠維持生命的行星的數量,是將發展生命的數量,是將發展智慧生命的數量,是技術先進的文明的數量,是它們將信號傳輸到太空的時間。

  雖然廣泛的研究和調查幫助天文學家對德雷克方程施加了更嚴格的限製,但它的大多數變量仍然受製於大量的猜測和不確定性。例如,天文學家現在估計,在我們的銀河系中有2500億到5000億顆恒星,這些恒星以大約每年增加3倍的太陽質量的速度形成新的恒星。

  在過去的幾十年里發現了4000多顆太陽系外行星,這也讓天文學家能夠更好地瞭解有多少恒星有行星,以及有多少行星可能適合居住。事實上,根據開普勒望遠鏡的數據,2013年進行的一項研究估計,可能有多達400億顆地球大小的行星在其恒星的宜居帶運行,其中110億顆行星將圍繞類太陽恒星運行。

  然而,德雷克方程仍然有很多不確定性,特別是當它涉及到生命的出現、產生智能生命的速度,以及隨之而來的一切的時候。當然,這個方程是用來作為概率論證的,主要通過識別不確定變量來說明SETI研究人員面臨的挑戰類型。

  稀有地球方程

  正因為如此,沃德和布朗利在書的末尾提出了一個修正的方程式。

  是銀河系中恒星的數量 是恒星HZ內行星的平均數量 是銀河系HZ中恒星的比例 是銀河系中恒星與行星的比例 是岩石行星的比例 是微生物產生的可居住行星的比例 是行星中進化出複雜生命的比例 是存在複雜生命的行星壽命的比例 是擁有一個大衛星的可居住行星的比例 是具有大型氣態巨星的星系的比例 是滅絕事件較少的行星中的比例

  正如您可以想像的那樣,這些相同的參數中有許多也需要猜測。但是,以地球為模板,再以哥白尼原理為依據,很容易看出,要找到符合上述所有標準的行星是多麼困難。此外,沃德和布朗利列出了地球特有的三個其他因素,據信這些因素促成了生命的出現和進化。

  首先是板塊構造的存在,這是地球氣候穩定的基礎。由於在地殼下面有大量的放射性同位素,有足夠的熱量來保持地幔處於粘性狀態並驅動板塊構造。這個過程允許碳封存(以碳酸鹽岩的形式)和通過火山活動週期性地釋放二氧化碳。

  隨著時間的推移,這確保了大氣中二氧化碳的相對穩定水平,這有助於確保一定程度的氣候穩定,並使平均氣溫保持在可容忍的範圍內。其次,沃德和布朗利引用地質證據表明,在我們星球的歷史上,地球曾兩次非常寒冷,被冰雪覆蓋。

  這些“雪球地球”時期分別發生在大約22億年前和6.35億年前,這兩個時期都與陸地生物的重要發展相一致。對於前者來說,冰川作用與光合作用生命的進化相吻合,光合作用生命通過代謝和釋放氧氣(也就是氧氣),大幅減少了大氣中的溫室氣體。即大氧合事件(約24億至20億年前)。

  後一個雪球時期正好與寒武紀大爆發相吻合(約570萬至5.3億年前),當時的特徵是物種多樣化的爆發,幾乎所有現存的動物譜系都出現了。換句話說,地球上生命進化的兩個關鍵事件似乎是在雪球地球時期之後(或與之相關)發生的。

  第三,沃德和布朗利論證了當時流行的觀點,即火星上的細菌生命可能先於地球進化,因為火星溫度較低。由於火星也有較低的重力,小行星撞擊產生的噴出物可能以隕石的形式到達地球,從而給地球播下生命的種子。如果這是真的,那麼一個沒有類似火星的行星的岩石行星就不太可能發展出生命。

  批評

  儘管稀有地球假說在很多方面都很有吸引力,但批評者也指出了一些缺陷。首先,自從沃德和布朗利分享了他們的理論以來,已經發現了數千顆系外行星,這使得天文學家能夠更好地瞭解外面存在什麼樣的行星。

  例如,在3109個恒星系統中被證實存在的4197顆系外行星中,1456顆是岩石行星——1296顆“超級地球”和160顆地球大小的行星。就紅矮星而言,岩石行星似乎非常常見。例如比鄰星b(Proxima b),它是離我們太陽系最近的系外行星,以及TRAPPIST-1的7顆岩態行星(其中3顆圍繞恒星的宜居帶運行)。

  第二,對太陽系內的系外行星和天體的研究表明,沃德和布朗利關於板塊構造的一些假設是不正確的。例如,他們聲稱在太陽系內的物體上沒有類似活動的證據,但是新視野號的任務揭示了冥王星和冥衛一(它最大的衛星)的特徵,表明了冰構造的存在。

  也有多種證據表明,火星在今天基本上被認為是地質活動不活躍的,但在過去也經曆過板塊構造。這一證據包括“火星二分法”,即北半球和南半球之間高度的強烈對比。像木衛二這樣的衛星也被發現在其冰冷的表面經曆了俯衝和更新。

  此外,目前還不清楚板塊構造是否對生命的存在是必要的。儘管它在30億年前開始的生命進化中扮演著重要的角色,那時光合作用生物已經出現了。類似的情況是,最近的研究發現,沒有板塊構造的行星(又名“停滯型”行星)可以保留足夠的熱量以適合居住。

  第三,目前還不清楚存在一個大衛星是否對岩石行星上出現生命是否是必要的。此外,最近的研究表明,創造月球的撞擊者(與大碰撞假說一致)可能是在地球的拉格朗日點的穩定軌道上形成的,這意味著大衛星的存在可能並不像之前認為的那麼罕見。

  另一個關鍵參數,木星大小的行星是否存在於外部系統,也受到了密切關注。在過去,天文學家認為木星的軌道阻止了大型撞擊物到達地球(因此阻止了滅絕事件)。但最近的研究表明,木星的引力影響實際上可能造成了更多的撞擊。

  最重要的是,近年來,科學家們對“可居住帶”的定義提出了質疑,一些人認為,“可居住帶”的範圍可能比之前認為的要窄得多。其他研究表明,也可以在更長的軌道上發現可居住的行星,這表明HZs實際上更寬。也有可能地球並不代表可居住性的頂峰,可能存在一類“超可居住”的世界。

  相當多的研究也致力於去研究我們的宜居性概念是如何完全基於地球當前的地質時期的。在過去的許多時刻,地球上的大氣和氣候條件與今天有很大的不同。然而,這些條件被認為是生命在不同階段進化的必要條件。

  總結

  就像德雷克方程、費米悖論,以及所有解決這些問題的嚐試一樣,稀有地球假說也存在不確定性。原因很簡單:人類只知道有生命存在的一個星球(地球)。只有這一種模板嚴重限製了我們尋找生命的能力,而生命可能存在於各種環境和化學條件下。

  首先,生命需要水才能茁壯成長是不爭的事實,因為地球上就是如此。然而,對系外行星(特別是圍繞紅矮星運行的行星)的研究表明,這些行星上可能存在過剩的水。同樣,氧氣的存在也不能保證一顆行星上有生命,特別是因為氧氣對許多生命形式都是有毒的。

  一些科學家以土星的衛星土衛六為模板,認為在我們的宇宙中可能存在產甲烷生命。生活在海底熱液噴口附近的極端微生物也表明,生命可以在極端環境中出現並茁壯成長。在我們的太陽系中存在的許多“海洋世界”也可能表明岩石行星可能不是尋找生命的最佳地點。

  最後,直到我們開始尋找生命,我們才能確定那裡是否存在生命(以及在什麼條件下存在生命)!令人高興的是,我們只需要找到它一次就可以解決費米悖論。除此之外,我們發現的每一種生命形式和孕育生命的環境,要麼會擴展我們對生命的定義,要麼會強化它。

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