宇宙里有多少外星文明?

宇宙里有多少外星文明?這是開普勒-186f的設想圖。開普勒-186f是首顆被證實在宜居帶,圍繞著遙遠的恒星運行的行星,與地球大小相仿。所謂宜居帶,指的是一顆恒星周圍的一定距離范圍,這里的行星表面的液態水可以匯聚起來。
繪制:NASA AMES/JPL-CALTECH/T. PYLE

撰文:NADIA DRAKE
 
  對于外星獵手而言,這是一個好消息:銀河系中,散布著3億個與地球環境相似的星球。一項新分析得出結論,在銀河系里,約半數類日恒星的宜居帶存在巖質行星。在宜居帶里,液態水可以在行星表面匯聚或流動。
 
  “這是我們期待已久的科學結論,”此次研究的參與者、加州大學圣克魯茲分校的天文學家Natalie Batalha說。
 
  這一發現已被《天文學期刊》(Astronomical Journal)接受發表,確定了德雷克公式中的一個關鍵數字。1961年。我的父親Frank Drake提出了這個公式,為計算銀河系中可探測到的文明的數量設立了框架。現在,公式中最初的幾個變量已經知道了,包括類日行星的生成速率、有行星的恒星比例、每個恒星系統中宜居星球的數量。
 
  擁有類似地球世界的類日恒星的數量“可能是千分之一,也可能是百萬分之一,沒人知道確切答案”,地外文明搜尋(SETI)研究所的天文學家Seth Shostak說,他沒有參與此次研究。
 
  天文學家通過NASA開普勒行星探測器的數據,估計了這些行星的數量。9年里,開普勒探測器一直在凝望著這些恒星,觀察行星繞軌道運行過程中遮擋恒星光芒時短暫的閃爍。2018年任務結束時,開普勒探測器已經發現了約2800個系外行星,其中很多與圍繞太陽運行的行星完全不同。
 
  但開普勒探測器的主要目標是確定地球這樣的行星有多普遍。這個計算過程需要歐洲航天局蓋亞探測器的幫助,蓋亞探測器負責觀測銀河系的恒星。有了蓋亞的觀測結果,科學家最終得以確定,銀河系里有數億顆地球大小的行星在圍繞類日恒星運行,而最近的那顆可能距離太陽系不到20光年。
 
緩慢接近
 
  德雷克公式利用七個變量來估計銀河系中可探測到的文明的數量,包括擁有行星系的類日恒星的比例,以及每個這樣的星系中宜居行星的數量。德雷克公式以此為基礎,計算在條件合適的世界里,進化出生命的概率,以及這些生命形式最終發展出可探測技術的概率。最初的公式假設,在類日恒星軌道運行的行星上,將會進化出技術先進的外星人。
 
  “當天文學家說起尋找這些行星時,實際上每個人都在談論德雷克公式,對吧?”賓夕法尼亞州立大學的天文學家Jason Wright說:“計算的時候,我們都會想到它。”Wright一直在研究可能的宜居星球,但沒有參與此次研究。
 
  科學家用了半個多世紀才開始確定有多少行星可能存在生命。1961年時,天文學家對圍繞太陽以外的其他恒星運行的行星一無所知,雖然行星形成理論認為,系外行星應該很普遍,但那時我們沒有觀測到它們存在的跡象。在過去幾十年里,我們清楚地看到,銀河系里的行星十分普遍,數量超過了恒星。平均而言,幾乎每顆恒星都擁有至少一個圍繞它運轉的行星世界。
 
  這個認知“確實是一大進步”,Wright說:“這告訴我們,那里有很多可能存在生命的地方。”但Batalha說,德雷克公式的另一要素則更難計算,即每個行星系統里宜居星球的數量。
 
宜居世界
 
  行星掠過恒星表面會短暫地遮住一小部分星光,導致光線變暗,開普勒探測器通過尋找這一現象來發現遙遠的世界。根據星光被阻擋的程度和頻率,科學家可以計算出行星的大小、圍繞恒星運行的時間。借助這個方法,開普勒探測器發現了幾千顆大小和軌道各不相同的系外行星。但科學家真正的目標是找到類似地球的行星:溫度相似、巖質行星、圍繞類日恒星運行。
 
  早期估計表明,大約有20%的類日恒星擁有符合這些標準的行星。現在我們知道,這個數字至少接近50%。
 
  “這比我想的更高。我總是對公眾說,四分之一,五分之一,這個結果已經很驚喜了,”Batalha說:“平均而言,每個類日恒星可能都有一顆宜居行星。”
 
  在計算這些行星出現的概率時,天文學家遇到了意想不到的挑戰。開普勒探測器觀測到的恒星比科學家預期的更為活躍,它們產生的信號可能干擾或混淆行星凌日時的特征。而且探測器本身也嬌貴,需要定期修正,這讓觀測變得更加復雜,尤其是幫助探測器保持正確方向的關鍵部件出故障之后。
 
  為了得出結論,Batalha和同事結合了開普勒和蓋亞的數據;蓋亞探測器正在追蹤和描述附近的10億顆恒星。他們發現,開普勒觀測到的行星半徑相當于地球的0.5至1.5倍,更有可能是巖質行星而非氣態行星;根據蓋亞的數據,他們獲得了這些行星圍繞的恒星的溫度和大小。
 
  研究團隊判斷了行星的宜居性,不僅根據它們與恒星的距離,還計算了每顆行星接收到了多少能量。根據這些,研究團隊選出了溫度足夠讓星球表面存在液態水的行星。
 
  有了溫度適宜、圍繞類日恒星運行的巖質行星的樣本大小后,研究團隊就可以估算整個銀河系有多少這樣的行星。他們發現,銀河系里37%至60%的類日恒星都應該有一個溫度適宜、地球大小的行星;他們放寬條件,計算需要多少能量讓行星的溫度適宜,發現多達58%至88%的類日恒星都擁有這樣的行星。
 
  當然,很多因素決定了位于宜居帶的行星是否真的適合生命。行星的各項特征,比如磁場、大氣、含水量和板塊構造都起到了一定的作用,而在遙遠的小世界里,這些很難觀察到。
 
  盡管如此,“這篇論文有助于我們弄清楚究竟有多少可能存在生命的星球”,Wright說:“他們計算出了最近的這樣的行星距離我們有多遠,最終我們如數家珍。”最近的那顆可能不到20光年,有4個應該在33光年以內。
 
從適宜居住到文明誕生
 
  既然知道了銀河系中有多少類似地球的世界,天文學家可以繼續研究德雷克公式里的其他變量。這些因素里有很多很難確定,包括一些關鍵問題:外星人發展出我們可以探測到的技術的概率,以及可被探測到的文明存在的時間長度。
 
  還有一個問題:鑒于很多地球大小的行星圍繞著更小、更冷的恒星運轉,科學家是否應該考慮非類日恒星。也許我們應該把行星之外的世界也納入考慮范圍,盡管開普勒探測器探測到的很多世界很大,而且有氣體,“它們可能有《星球大戰》里的恩多那樣的森林衛星”,Wright說:“或者,《阿凡達》里的潘多拉星球。” 
 
  天文學家很快就會計算出公式中的另一個因素:進化出生命的宜居世界的比例。在探索太陽系的過程中,我們發現宜居世界的名單很長,而且多樣。在火星或者木星的冰封衛星木衛二這樣的星球上,可能孕育著微生物,甚至金星上空的有毒云層中也可能存在某種生命形式。
 
  “如果太陽系中不止一處宜居世界,”Wright說:“那么很快我們就會得到確切數字。”
 
  只要找到地外生命存在的一個例子,就可以證明生物不是宇宙的偶然現象,而是存在這樣的可能,只要條件合適。考慮到宇宙中宜居世界的數量,很多天文學家都認為,基本可以認為一定存在生命。
 
  德雷克公式最后的那些變量將告訴我們,地球是否是銀河系里唯一的生命家園,然而想要算出這些變量卻非易事,除非如我的父親所說的那樣,聽到外星世界的低語。
 
(譯者:Sky4)
 
本文內容為國家地理中文網原創或者授權編譯,未經正式書面授權不得以任何形式轉載或使用。
喜歡
  • 微博評論
  • 網站評論
發表您的評論
lpl竞猜