研究發現:銀河系內複雜生命的可居住區域比我們想象的要狹窄!

自從開普勒太空望遠鏡被髮射到太空以來,太陽系以外已知行星(系外行星)的數量呈指數級增長。目前,2918個恆星系統中已有3917顆行星被確認,3368顆正在等待確認。其中,大約有50個行星軌道位於其恆星周圍的可居住帶內,即行星表面液態水存在的適宜距離帶。

然而,最近的研究提出,我們認為宜居帶的可能性過於自我了。根據一項名為“複雜生命的有限可居住區域”的新研究,可居住區域可能比最初設想的要窄得多。這些發現可能會對科學家認為“可能適合居住”的行星數量產生重大影響。

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其實根據之前基於開普勒數據的估計,科學家們已經得出結論,僅在銀河系就可能有400億類地行星,其中110億類地行星的軌道可能與我們的太陽恆星類似。而其他研究表明,這個數字可能高達600億甚至1000億,不過這取決於我們用來定義宜居帶的參數。

但是這些結果無疑是令人鼓舞的,因為它們表明銀河系可能充滿生命。不幸的是,最近對太陽系外行星的研究對這些先前的估計提出了質疑。特別是在m型(紅矮星)恆星周圍的潮汐鎖定行星的情況下。

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此外,對地球上生命進化過程的研究表明,水本身並不能保證生命的存在,同樣,氧氣的存在也不能保證生命的存在。除此之外,科學家還考慮了另外兩種對我們所知的生命至關重要的生物特徵——二氧化碳和一氧化碳。這些化合物過多會對複雜生命產生毒害,而過少則意味著早期原核生物不會出現。如果地球上的生命要進化出更復雜、耗氧的生命形式,基本的生命形式是必不可少的。出於這個原因,科學家不得不修正適居帶的定義,以考慮到這一點。

因為紅矮星,尤其是年輕的紅矮星的猛烈爆發,可能會使它們所謂的可居住帶內的行星無法居住。公平地說,計算宜居帶的範圍從來都不是件容易的事。除了與恆星的距離外,行星表面的溫度還取決於大氣中的各種反饋機制,比如溫室效應。最重要的是,傳統的宜居帶定義假定存在“類地”條件。

這意味著大氣中含有豐富的氮、氧、二氧化碳和水,並由地球上存在的相同的碳酸鹽-硅酸鹽地球化學循環過程來穩定。在這一過程中,沉積和風化作用使硅酸鹽巖變成碳質,而地質活動又使碳酸鹽巖變成硅酸鹽基。

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這就形成了一個反饋迴路,可以確保大氣中的二氧化碳水平保持相對穩定,當然,最終也會發生溫室效應。但是地球離宜居帶的內邊緣越近,發生這種情況所需的二氧化碳就越少。在早前的一項研究稱,對於宜居帶的中部和外部地區,大氣中的二氧化碳濃度需要高得多,才能維持有利於液態水存在的溫度。

為了說明這一點,研究小組以開普勒-62f為例,它是一顆超級版地球,圍繞著距離地球約990光年的k型恆星(比我們的太陽略小且暗)運行。這顆行星圍繞其恆星運行的距離與金星繞太陽運行的距離差不多,但恆星質量較低意味著它處於可居住帶的外圍。

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在2013年被發現時,人們認為這顆行星是外星生命的一個很好的候選者,前提是存在足夠的溫室效應。然而,科學家經過計算,與複雜生命形式首次進化時(約18.5億年前)地球上存在的二氧化碳相比,這一過程需要的二氧化碳量要多1000倍。這麼多的二氧化碳顯然對地球上大多數複雜的生命形式來說都是有毒的。因此,開普勒-62f並不適合生命存在,即使它足夠溫暖,有液態水。因此一旦我們把這些生理上的限制因素考慮進去,複雜生命的可居住區域一定要窄得多,科學家估計只有之前估計的四分之一。

科學家還計算出一些系外行星可能有更高水平的一氧化碳,因為它們圍繞著冷卻的恆星運行。這對紅矮星的宜居帶構成了很大的限制,紅矮星恰好佔宇宙恆星的75%,而且被認為是最可能發現類地行星(即岩石行星)的地方。

這些發現可能會對科學家們認為的“潛在宜居區”產生重大影響,更不用說恆星的宜居帶的邊界了。因為科學家並不希望在M矮星晚期軌道上的行星上,或者在靠近宜居帶外邊緣的潛在宜居行星上,找到智慧生命或技術特徵的跡象。僅在2019年,就有研究表明,紅矮星系統可能沒有生命形成所需的原材料,而且紅矮星可能無法提供足夠的光子進行光合作用。

所有這些都表明,我們銀河系的生命可能比我們之前認為的要稀少。當然,要確切地知道什麼是可居住性的極限還需要更多的研究。幸運的是,我們不用等太久就能找到答案,因為幾臺下一代望遠鏡將在未來十年投入使用。

其中包括詹姆斯韋伯太空望遠鏡(JWST)、特大望遠鏡(ELT)和巨型麥哲倫望遠鏡(GMT)。這些和其他先進的儀器有望對系外行星進行更詳細的研究和描述。屆時我們就能更好地瞭解生命存在的可能性。


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