探寻宇宙中的生命
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科学
2024-07-07 11:38
吉林
在天体物理领域里面，有一个名字叫天体生物学的分支，它是研究地球以外的天体上是否能存在生物的学科。发现有人居住的系外行星的现代天文学与天体生物学的主要目标。当我们的文明到达一定程度的时候，我们就会思考在地球之外是否存在生命？或者说，宇宙中是否存在第二个地球？我们的地球是不是独一无二的？为什么地球会出现生命呢？生命的起源是什么？在地球上，不仅仅生存着人类，还有非常多的动物、植物、微生物等众多生命形态，并且生命几乎遍布地球的每一个角落。地球很幸运，它在几十亿年内都处在一个稳定的空间环境中，而就在这几十年的时间内，地球演化出了一个奇妙的能保障生命存在和繁衍的内部环境；我们也很幸运，因为我们就生活在这样的一个环境中。在20世纪50年代以后，人类进入空间时代，发射了很多空间探测器，到过太阳系内很多星球的表面，发现火星和地球很相似，很可能存在生命，不过到目前为止，我们并没有发现太阳系内的行星及其卫星上存在任何的生命形式，但在火星以及土星和木星的几颗卫星上发现了生命存在的潜在可能性。1957年前苏联发射的世界上第一颗人造地球卫星用的运载火箭，名为卫星号运载火箭地球作为目前唯一“地球型生命”样本，很孤独，科学家也无法通过这个唯一的样本确定生命的起源，大多数科学家认为生命是从最简单的有机分子开始演化的（氨基酸，核苷酸等），然后变成大分子（蛋白质，DNA等），再到原始的生命形态。但在20世纪60年代之后，天文学家在星际空间中发现了100多种有机分子，这意味着，有机分子不一定要起源于类地球的环境，在星际空间中可以直接产生。如果条件足够，那么是不是就可以产生氨基酸、嘌呤等生物大分子，然后落到某个适宜星球产生生命呢？然而这些猜测并没有观测到证据。20世纪70年代以后，科学家在海底发现了上百个海底热泉和“黑烟囱”，这种环境非常极端，温度高达300℃、压强高达200Pa、并且缺氧偏酸、甚至没有阳光，然而这附近却是一片生机勃勃，这里的生物组成了一个封闭的生态系统。虽然这很令人惊讶，但是却给人们关于生命起源提供了新的启示。如果其他天体上也存在相似的环境，那么就可能存在生命。但存在着什么样的生命就不一定了，在地球上是碳基生命，在其他天体上就有可能是氨基生命、硅基生命、硼基生命等形式的了，不过这些也都仅仅是猜想了。现在天文学家都在试图寻找可能存在生命的天体，在宇宙中寻找生命的过程中，凌日系外行星是我们的最佳目标，凌日系外行星又是什么？又为什么是凌日系外行星？凌日这个词肯定不是第一次听说了，从地球上看在太阳系内就存在着水星凌日、金星凌日以及月球凌日现象，月球凌日就是日食。行星是不发光的，所以远处的行星我们是不能直接观测到的，但可以通过一些特殊方法来发现它们，而生命的演化需要一个稳定的空间环境，就如同长达几十亿年都处于适宜轨道上的地球，那么这个行星的周围就需要一个稳定的类似太阳的恒星存在，于是，我们就可以通过凌日现象来寻找行星（凌日测光法）。这个方法是目前探测系外行星最有效的方法，但也有弊端，这颗行星必须要在其主星和地球之间穿过，意思就是地球必须在该行星的轨道平面附近，这个条件只有少数恒星系统会满足，另一个问题是如果行星有着很长的周期，那么就很难观测到它，如果要确定它是不是一颗行星，需要观测这颗星体发生的多次时间间隔相同的凌日现象才行。所以凌日测光法观测短周期的行星会非常有效，而这样的行星大多都处于宜居带，所以，我们就可以在这些凌日行星中来寻找可能存在生命的行星。而对这些行星的宜居性的研究也是一个有趣的话题，系外行星的宜居性是通过比较行星的半长轴与其主星的宜居带的位置来评估的，宜居带就是以恒星为中心的能使类地行星拥有液态地表水的一个壳层，人类的开普勒太空望远镜、K2、TESS和PLATO等任务都探测到了一些候选行星，虽然数量很少，但都具有研究价值。相反，如果我们能看到那个类地行星的凌日现象，那么如果那颗行星上有文明存在，那么也能看到地球的凌日现象。当然我们假设的是他们的文明程度与地球一样。与此同时，关于我们应该积极发出信号还是隐蔽我们的存在也在讨论中，我们的信息技术发展的时间很短，发射无线电波的技术也不过一百年，但是它们已经达到了我们附近的75颗恒星了，如果那里有文明存在，就会探测到这种来自地球发出的无线电波信号。上面也提到了，要看到凌日现象也是有条件的，宇宙是动态的，星系也都是在运动的，我们也只是恰好处在能看到某些恒星系统的行星凌日现象的一段时间内，经过几千年之后，它们的相对位置改变了，也就无法看到凌日现象，反过来对于“系外文明”看地球也是一样的，可以参考“宇宙中的双星系统”。[1] I. A. G. Snellen. A new method for probing the atmospheres of transiting exoplanets[J]. MNRAS, 2004, 353:L1-L6.[2] I.A.G. Snellen1, R.J. de Kok2, R. le Poole, etc. Finding extraterrestrial life using ground-based high-dispersionSpectroscopy[J]. ApJ, 2013, 764:182.
[3] Rory Barnes, Victoria S. Meadows, Nicole Evans. COMPARATIVE HABITABILITY OF TRANSITING EXOPLANETS. ApJ, 2015, 814:91.[4] L. Kaltenegger, J. K. Faherty. PAST, PRESENT AND FUTURE STARS THAT CAN SEE EARTH AS ATRANSITING EXOPLANET[J]. Nature, 2021, 505-507.
