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  • 1 # 天體生物學

    目前為止一直都以行星是否處於宜居帶這個條件來尋找適合生命存在的行星,而實際上僅僅處在宜居帶這樣一個條件是遠遠不夠的。

    適合生命存在的行星還需要擁有什麼樣的條件

    以地球為例能夠發展出像人類這樣的文明,還是有著許多獨特的條件的,比如對太陽的要求就有很多,首先它的質量不能太大也不能太小,恆星都會有一個穩定的熱核反應階段,稱之為恆星的主序星階段,像太陽這樣質量的恆星都可以穩定燃燒上百億年,而質量為70倍太陽的恆星僅僅只能燃燒50萬年左右,太陽質量10倍的恆星也只能燃燒幾百萬年。

    從生命的產生到進化,再到文明的出現需要幾十億年的時間,這需要恆星的壽命也要跟得上,而不是在文明產生之前就將它們扼殺在搖籃中,宇宙中只要是太陽質量1.4倍以上的恆星,其附近都不太可能產生文明,太陽質量過小的也不行,小質量的恆星(紅矮星)它附近的行星是目前找到最多的行星,但是因為潮汐鎖向恆星的活動比較劇烈,它的宜居帶會向內收縮,因此以比鄰星b為代表的紅矮星附近的行星上存在生命的可能性似乎還是低了那麼一些。

    即使這些行星都處於宜居帶之上,此外太陽還不能是一顆第1代恆星,第1代恆星及其星系中只有氫和氦等宇宙大爆炸之初產生的氫元素,沒有重元素(碳,氧,氮)這樣的生命所必須的元素都是在第1代恆星內部產生的,而一些更重的元素是由第1代恆星進入暮年發生了超新星爆發後產生的,這些重元素隨著超新星的爆發而散落在宇宙空間中,成為了組成第2代恆星及其周圍行星的元素。

    圖解:第1代恆星

    位置是其中一個重要因素

    地球的位置也相當重要,根據定義的宜居帶,地球恰恰處於宜居帶的中心,平均溫度是20℃左右,不冷也不熱,除此之外,地球公轉軌道的偏心率也是一個非常重要的引數,偏心率用來描繪軌道形狀,取值範圍在0和1之間,這個值越大就表示軌道越偏離圓形,地球公轉軌道的偏心率很低只有0.017,公轉軌道基本上是一個圓,近日點和遠日點的差別不大,因此地球表面一年內的溫度範圍變化不會很大,然而許多行星的偏心率極大,在這樣的行星上地表的溫度在一年中變化的範圍十分大。

    圖解:宜居帶

    太陽系的其他天體也能決定地球生命的存在

    除了太陽和地球的相關引數,月球也很重要,月球為我們擋住了無數的天外飛彈,它的背面所遭受的隕石撞擊頻率比地球要高得多,如果沒有月亮,恐怕地球被彗星和小行星撞擊的機率會大得多,這就為低等動物進化為高等動物提供了寶貴的時間,如果經常受到撞擊,地球的環境會極其的不穩定,這是不利於進化的。

    木星的位置也很重要,它就是生命的保護傘,作為太陽系最大的行星,它的體積是地球的1316倍,質量是地球的318倍,木星有著比地球大的多的引力,木星以強大的引力來清理太空的垃圾,如果沒有木星許多彗星和小行星將會直接撞向地球。

    舉例說明:

    1994年7月16日至22日,蘇梅克列維9號彗星,這塊5公里大小的彗星,先是被木星強大的潮汐力撕裂成了21個碎塊,然後依次撞向木星,最大的碎片直徑2公里,小的也有數百米撞擊發出的巨大光亮,把木星的衛星都照亮了,木星上騰起巨大的塵雲,直衝上2000多米的高空,撞擊坑裡面就可以裝下一個地球,僅僅是第1個碎塊撞擊釋放出的能量就相當於40000顆(小男孩)的能量。任何一次這樣規模的撞擊,如果發生在地球上的話,那麼地球上的生命都將消失殆盡,然而由於木星強大的吸引力,許多太空危險分子紛紛栽進了木星的懷抱,這樣保護了地球的安全。

    圖解:蘇梅克列維9號彗星撞擊木星

    條件總結

    上面所述太陽的大小,地球的位置,月球和木星的作用,所有這些巧合加起來才有了我們的今天,科學家在尋找系外行星的時候,總是拿著地球當模板,因為據我們所知一顆行星上是否具備或者可能具備生命存在的條件,在很大程度上取決於這顆行星與地球的相似程度,因此一直都在尋找著那些母恆星是一個太陽質量的,自身是一個地球質量與地球體積相同,公轉週期是365天,有大氣層的,有水的第2個地球,但是世界上沒有兩片相同的葉子,宇宙中也沒有兩個一模一樣的行星,科學家使用地球相似指數來標定其他行星與地球的相似程度,它的取值範圍在0和1之間,地球自身的相似指數是1,指數越大表示該行星與地球的相似程度越高。

    圖解:地球相似指數計算公式

    地球相似指數主要由半徑,密度,逃逸速度和表面溫度等引數決定,並透過一定的公式計算而來,在太陽系中水星,金星和火星的地球相似指數分別是0.60,0.44和0.70,這顯然都不夠高,太陽系外比這些數值高的行星也有不少,比如說2015年NASA釋出的新發現的號稱第2個地球的開普勒452b,一顆距離我們1400光年的行星。

    開普勒452b的基本引數

    開普勒452b的軌道半徑是1.046個天文單位,幾乎和地球一模一樣,公轉週期是385天,一年不到13個月,它的母星(開普勒452)是一個1.037倍太陽質量的恆星,開普勒452b的大小是1.59倍的地球半徑,這個差別沒有地球和火星的差別大,雖然還無法獲得它的質量,無法獲知其是否具有延時地質,但是這已經和地球非常像了,它和地球相似指數是0.83。

    雖然它的地球相似指數並不是所有系外行星中最高的,但是相比於其他的類地行星,它圍繞著一顆與太陽同類型的恆星旋轉而不是紅矮星,這就大大擴大了開普勒452b上生命存在的可能性。這顆與地球大小相近的行星極有可能擁有大氣層和流動的水,因此也被稱為地球2.0。

    這個重要的發現十分令人振奮,因為探測技術的原因,人們之前發現的類地行星大多數都是小質量的恆星紅矮星附近的星星,而開普勒452b的母恆星是一顆幾乎與太陽一樣的恆星,相似到質量差異範圍在3.7%,體積差異在11%,表面溫度為5757K,誤差是85K,這與太陽5770K的差距也不大,所有資料都顯示這是一顆與太陽極為接近的恆星,只是半徑稍大,金屬元素的含量比太陽高60%,年齡超過了60億年,比太陽還略大一些。

    開普勒452b上有生命嗎?

    這個問題還不能過早的下結論,目前開普勒452b有一個重要的引數是未知的,那就是該行星的質量,一般而言,獲得行星質量的辦法就是當其圍繞五恆星公轉時,根據行星造成的母恆星在視線上帶來的多普勒效應而計算的,根據推算開普勒452b所能引起的視向速度振幅在45cm/s左右,這已經超出了現有的技術極限,因此開普勒452b的質量一直是個未知數,只能透過與其他行星建立的半徑質量關係來進行估算,開普勒452b最可能的質量是地球的5倍。

    即便如此開普勒452b是否具有岩石地質也是一個未知數,沒有岩石地質,類似於人類這樣的生命是無法存活的。此外,根據開普勒452處於的生命階段以及兩者之間的距離來看,開普勒452b很可能進入了失控的溫室效應階段,換句話說,即使它的表面擁有液態水,也可能會因為溫度逐漸升高而在地表蒸發,最終消散在太空中。

    太陽系裡我們的鄰居金星就提供了鮮活的例項,高溫高壓的地表氣候成為了生命的禁區,簡而言之,開普勒452b很有可能不是另一個地球,而是另外一顆金星,即便開普勒452b中的環境和地球完全一樣,那對於我們來說1400光年的距離是目前無法逾越的,以新視野號在藉助木星引力加速後的峰值7.5萬千米每小時來進行估算,飛到開普勒452b需要2000多萬年,在星際飛行理論沒有突破的情況下,如果依靠傳統火箭而不借助時空穿越,人類基本上不可能到達這些系外星。

    結語·人類探索宇宙的一個小插曲

    以目前的情況來看這個所謂的第2個地球或者說地球2.0,很可能並不是我們夢寐以求的行星,也很難成為我們的第2個家園,它的發現也許只是人類探索宇宙的一個小插曲,由於開普勒望遠鏡只是觀察了天空中一個小小的天區,採用的系外行星探測辦法是凌日法,這種方法只能發現行星軌道平面正對著我們的那一部分行星,至少有99%的系外行星是無法透過這個方法被發現。

    即便是這樣,目前就已經發現了幾千顆系外行星,而且還發現了一顆和地球如此相似的行星,那麼如果我們把天區全部都掃一遍,如果我們的觀測技術升級能夠探測剩下99%的行星,一定會有更多和地球雷同的行星被發現。

    此外,開普勒452b它的母恆星是一顆非常接近太陽的恆星,而且年齡是60億年,因此這個行星系統代表著我們太陽系將來的樣子,根據恆星演化理論,像太陽和開普勒452這樣的恆星在主序階段大概會有100億年的時間,主序階段後太陽和開普勒452都將會在短時間內迅速膨脹變成紅巨星,到了那時由於光度增加,宜居帶的範圍將會大大的向外移動,開普勒452b和地球將會變得太熱而不適宜居住。

    開普勒452b還將有35億年的時間處在宜居帶,而我們的地球還將要有更長的時間,假如人類文明可以延續足夠長的時間,我們的後代就可以透過觀察開普勒452b的變化來預演我們未來的命運,茫茫宇宙發現外星生命還有很長很長的路要走,但是相信以人類的智慧未來一定會有更多的驚喜。

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