太空探索－指定教材

第八章 探索太空的秘密

8.4  探索宇宙的奥秘（3）

8.4.3 探索地外生命

1. 人类探索地外生命的活动

地球以外是否有生命存在，这是一个与人类同样古老的问题。早在17世纪初，伽利略用新发明的望远镜仰视夜空，辨认出了月球上的山脉。大约60年以后，其他天文学家观察到火星上的极冰盖以及该行星上的颜色变化，他们认为那是随季节改变而发生的植被变化(现在已经知道那些颜色是尘暴的结果)。在20世纪后期，一些太空飞船上的照相机拍摄了火星的图像，在它的上面有一些由已经消失的长河切开的渠道，提供了生命曾经可能在那里存在的希望。但是在20世纪70年代，海盗号着陆器获得的火星土壤标本缺乏任何生命存在的物质证据。

探索地外生命一直是人类探索太空的重要内容。在20世纪90年代以后发射的月球探测飞船，都将月球上是否有水冰作为重要内容。探测木星的Galileo飞船，收集了Europa表面冰层的大量数据，以判别Europa冰层下面是否存在液体水。在Cassini飞船于2004年飞临土星后，将向Titan发射Huygens探测器，对Titan的大气层进行分析。2003年6～7月，美国发射了两个火星漫游者，其重要任务是确定火星过去和现在是否存在液体水，以进一步揭示火星上是否存在生命。

现在，人类对地球以外生命的研究范围已经扩大了，能够将注意力转到太阳系以外的行星上，而且已经发现了100多颗太阳系外行星。

现在最大的太空望远镜是HST，它恰好能辨认火星上的山脉。但是拍照不是研究遥远行星的最好方法。人们以光谱学技术来获取它们的大部分信息。此外，人们并没有放弃地面探测的努力，而是继续扩大规模。寻找地外智慧生命(Search for Extraterrestrial Intelligence，简称SETI)计划就是一例。该计划利用无线电频谱技术，搜索来自地外智慧生命发出的各种无线电信号。1960年，射电望远镜就开始巡天。现在参加SETI计划的组织和望远镜有澳大利亚的Parkes望远镜、美国俄亥俄州立大学的射电望远镜、澳大利亚和新西兰的SETI研究与发展研究所、美国哈佛大学的SETI研究小组、美国伯克利加州大学的地外文明搜寻计划、世界上最大的单天线射电望远镜Arecibo(是美国国家天文和电离层研究中心的一部分，由康奈尔大学管理)等。今后的SETI计划预计建造各式各样的地基探测仪器和设备，其灵敏度会更高，频率覆盖范围会更广，探测的时间会更多。例如，关于一公顷望远镜(简称 1 ht)的工作已经开始，该望远镜建成后，研究人员可以同时利用整个微波波段进行研究。

2. 宇宙中的可栖居区

寻找地外生命遇到的一个重要问题是到哪里去寻找。在太阳系内，目前认为可能有生命存在的地方有火星、木星大气内部、木星的卫星Europa、土星的卫星Titan和Enceladus等。

在太阳系外，哪些区域可能是生命存在的最佳区域呢？

(1) 恒星周围可栖居区

在某一行星系统内，人们常用“恒星周围可栖居区”(Circumstellar Habitable Zone，简称CHZ)这一术语来描述适合生命存在的最佳区域。虽然CHZ的具体定义多种多样，但一般认为CHZ应该是恒星周围的一个特殊区域，其中液态水是稳定的，能够在类地行星的表面存在数十亿年之久。这个区域是环形的，它的内边界应该是行星围绕其母恒星运转而又不会使行星海洋的水散失到空间的最近一条轨道。在最极端的情况下，恶性发展的温室效应将占支配地位，使海洋的水蒸发殆尽(金星上就发生过这种情况)。CHZ的外边界则应是行星的海洋不致完全冻结的最远的一条轨道。最理想的情况是恒星及其周围的行星在银河系内运行的轨道到银河中心的距离在一定的范围内。距离太远，形成恒星的星云就会缺乏重元素，而行星的产生需要这些元素。距离太近，种种不利因素，例如轨道的不稳定性、彗星的撞击以及恒星的爆炸等，将扼杀萌芽阶段的生态系统。太阳的位置也应不远不近，刚好合适。

很显然，其他许多因素也对行星是否适宜居住有所影响，包括其轨道的偏心率、是否有大卫星相伴以及是否有巨行星存在等。然而，如果一颗恒星的轨道在CHZ之外，那么上述所有因素便可能无足轻重了。类似地，如果整个行星系统位于银河系一个不适宜生命发展的区域内，那么CHZ的位置也就无关紧要。

(2) 星系可居住区

1999年，人们把CHZ的概念推广到星系上，提出了“星系可居住区”(Galactic Habitable Zone，简称GHZ)这一新概念。GHZ界定了银河系中最适宜居住的地方，即距银心既不太近也不太远的区域。近年来这方面出现了一项重大的突破——在类日恒星周围发现了木星大小的巨行星。并非每个类日恒星都有这样一种行星。事实上，迄今为止所发现的巨行星主要存在于富含比氦重的化学元素的恒星周围(天文学家把比氦重的元素一概称为“金属”)。这种相关关系意味着金属含量是形成巨行星的一个重要因素。目前主要的搜索方法还不能探测出地球大小的行星。同时，天文学家对于银河系的恶劣环境也有了新的更清醒的认识——事实上银河系到处都有爆炸的恒星，常常发生近距离的恒星相遇。即使行星的确存在，它们也不一定适合复杂形式的生命生存。

HZ的边界由两个条件确定： 第一是要有物质来形成一个适合生物栖居的行星，第二是要能避开来自宇宙的种种威胁。化学元素如何组合成地球的过程已经被现代宇宙学、恒星天体物理学以及行星科学所阐明。大爆炸基本上只产生氢和氦。其后100亿年间，恒星把这一原始混合物加工成丰富多彩的各种元素。在星际介质内，金属原子数目与氢原子数目之比——即所谓“金属度”——逐渐增加到其现今的值。

这些金属是类地行星的基本结构单元，它们的丰度影响着可能形成的行星的大小。而行星的大小又决定了它能否留住大气并维持地质活动。此外，没有足够的金属，就不可能形成巨行星，因为巨行星是围绕具有某一最小尺寸的岩质核心凝聚而成的。对太阳系外行星的观测已开始逐步界定形成巨行星所需的金属度。通过观测发现，任何恒星的金属度只要小于太阳金属度的40％，其周围就不存在巨行星。2001年发表的一项研究报告指出： 哈勃太空望远镜未能在杜鹃座球状星团47中发现任何行星，而该星团的恒星金属度只有太阳金属度的25％。

反之，金属度过高可能也是一个问题。此时类地行星将更大，而且，由于其引力更强，它们的挥发性化合物含量将较高，但地形的起伏却较小，这些因素合起来将使得类地行星完全被水覆盖的可能性更大，而这种情况对生命是不利的。在地球上，陆地与海洋的适当搭配对于大气温度控制和其他过程起着很重要的作用。金属度过高也会使原行星盘密度增大，从而使巨行星移动位置。这一轨道迁移的后果之一是，它将把所有较小的类地天体完全赶出太阳系外，或者把它们推进太阳中。这正如大象四处游荡时，蚂蚁便遭了殃一样。

根据太阳系外行星的统计资料，推断出巨行星迁移的概率随着金属度的增加而急剧增大。当其金属度为太阳金属度的300％时，巨行星的迁移就是不可避免的了。这些计算只是初步的，但这些结果表明，对于形成具有稳定轨道的地球质量的行星来说，接近太阳金属度的金属度值可能是最理想的。

银河系的可栖居区不包括银河系危险的内侧区域以及缺乏金属的外侧区域。这种可栖居区与太阳系的可栖居区相似，只是后者的规模要小得多。这两种可栖居区都没有非常清晰的边界。

银河系中只有部分区域满足这一条件。天文学家通常将银河系分为四个有重叠的区域，即银晕、银鼓、厚银盘与薄银盘。每个区域中的恒星都绕着银心转动，就像太阳系中的行星绕着太阳转动一样。银晕和厚银盘中的恒星通常是老年的贫金属恒星。这些恒星的周围不大可能形成像地球这样大的类地行星。银鼓中的恒星其金属度分布在一个较宽的范围上，但该区域的宇宙辐射强度也相当高。

薄银盘是太阳的所在地。薄银盘气体的金属度随着到银心距离的增加而递减。在太阳的位置上(距银心为8.5千秒差距，即2.8万光年)，金属度以每千秒差距17％的速度下降。现今形成的其金属度为太阳金属度的60％到200％的恒星通常都位于距银心4.5千秒差距到11.5千秒差距这一区域内，而这一区域中的恒星仅占银河系恒星总数的20%左右。此外，太阳附近一带的典型恒星直到距今50亿至60亿年前，其金属度才达到60％这一阈值。太阳本身的金属含量则比银盘中同一时间和同一地点形成的其他恒星高出40%。这一高出来的金属含量可能使地球上的生命发展占了先机。

为了使行星适于生物栖息，金属度并不是化学成分方面惟一的一项前提。不同元素的相对丰度也起着重要作用。地球上最丰富的元素主要是在超新星爆炸中产生的，而超新星爆炸有两种基本类型。I型超新星绝大多数是白矮星爆炸的结果，它主要产生铁、镍和钴。II型超新星则是大质量恒星内爆的结果，它主要产生氧、硅、镁、钙和钛等。II型超新星也是极重元素(如钍和铀等)的惟一天然来源，这一点非常关键。

由于银河系中的恒星形成正在减弱，因此超新星爆发的总的速率随之下降，而II型超新星对I型超新星的比例也在减小。II型超新星与短寿命的大质量恒星有关，因此它们的发生速率紧随着恒星形成速率的变化而变化。另一方面，Ｉ型超新星的发生速率依赖于长寿命的中等质量恒星的产生情况，因此它对恒星形成速率的变化的响应就慢得多。

由于超新星比例的变化，新形成的类日恒星其含铁量比50亿年前形成的恒星要丰富。这就意味着在其他条件相同的情况下，今天形成的一颗类地行星其铁核也相应地大于地球的铁质地核。此外，在45亿年的时间里，它从钾、钍和铀等元素的放射性衰变中获得的热量也要少40％。这些放射性同位素产生的热量是推动板块构造的动力，而板块构造在调节二氧化碳含量的地球化学循环中起着至关重要的作用。或许今天形成的类地行星同金星与火星一样是单板块行星。

金星上缺乏板块构造是造成金星上极端恶劣条件的原因之一。但是我们还不了解行星的地质特性与其内部热流之间的相关关系的每一方面。

生命栖居还有一个条件是必须让行星处于安全状态，避开所有可能的威胁。这些威胁可以分为两类，即小行星和彗星的撞击以及辐射的冲击。

在太阳系内，小行星撞击的频度取决于木星轨道及其形成过程的细节；银河系的其他区域对此并无直接影响。但是彗星的威胁则与星系环境关系极大。据资料，彗星聚集在两个长期存在的彗星区域内，其中一个是开珀带，另一个是奥尔特云(它一直延伸到太阳至最近一颗恒星的中途)。其他恒星可能也有类似的区域。对周边年轻恒星所作的红外观测表明，大多数这类恒星都被过量的尘埃围绕着，这与存在开珀带天体是吻合的。不久前在高度演化的明亮恒星IRC+10216周围探测到水蒸气的事实被认为是彗星正在蒸发的证据。绘架座β星——一颗有尘埃盘的年轻恒星——的某些谱线形状的变化可能就是由坠入该星的彗星造成的。

由于奥尔特云的彗星与太阳的联系非常微弱，因此不费多大的力便可改变其方向，使它们直奔内太阳系的行星而来。星系的潮汐力、巨大分子云或从恒星附近路过等对彗星的扰动都可能使其方向改变。这类扰动发生的频率与我们在银河系中的位置有关。距银心越近，恒星密度便越大，因此与恒星的密近会合也就越多。此外，从富金属云团中形成的行星系统，其所包含的彗星可能比从金属含量较低的云团中形成的行星系统所包含的彗星更多。因此，内银河系的行星系统所遭遇的彗星流将比太阳系更强。虽然这样一个行星系统的外奥尔特云将会更快地耗尽，但它也能更快地从内奥尔特云得到补充。

在银河系内侧区域中，高能辐射问题更严重。行星的磁场可以挡住一定强度以下的多数粒子辐射，而其臭氧层则可以挡住危险的电磁辐射。但是能量足够高的辐射可以使大气层电离，产生数量足以破坏臭氧层的氮氧化物。进入大气层的高能辐射也能释放出致命的次级粒子簇射。危害最大的辐射事件按其持续时间由长到短排列依次是活动星系核爆发、超新星以及γ射线暴。银河系的核目前正处于相对不活跃的状态，银河系中心的超大质量黑洞似乎也在休眠期。但是对其他星系的观测结果表明，当一个恒星或星团游荡到距星系的中心黑洞太近以致被拖进这个死亡陷阱时，中心黑洞有时会活动起来，其结果是爆发一次强烈的高能电磁辐射及粒子辐射。大多数辐射以喷流的形式沿着银河系的旋转轴喷出，但是许多带电粒子将会在银河系磁场的作用下沿螺旋形轨道运动，从而充满银河系各个角落。在这样一次辐射爆发中最危险的地方是银鼓。这个区域不仅总的辐射强度很高，而且其中的恒星通常具有高度倾斜的椭圆形轨道，这样的轨道可能使恒星接近银核或射流。

由于银河系内侧的恒星密度较高，因此超新星爆发与γ射线暴的威胁也更大。对超新星残骸的观测表明，在太阳到银心距离的3/5的位置上，超新星爆发的频率最大，相当于太阳系这个位置上超新星爆发频率的1.6倍。来自γ射线暴的威胁则仍然不甚明朗。人们尚不了解是什么事件触发了这些猛烈的爆炸，也不知道它们发出的辐射的密集程度。只是我们的运气实在是好，至今未遭到这样一种死亡射线的袭击。

可栖居区的位置必须兼顾两方面的条件，一方面它必须有足够的行星构建物质，另一方面它又必须尽量避开种种危险。离银河中心愈远，行星构建物质便越少，但恒星的密度也越低，这就意味着恒星爆炸及密近会合之类的危险也越小。在中间的某一区域上，这两个条件可以实现比较令人满意的折衷，但目前人们还无法确定这一区域的精确位置。

辐射也可能从一开始就阻止生命的出现。类日恒星并不是孤立地形成的，它周围通常还有其他低质量与高质量的恒星。大质量恒星发出的紫外辐射也较强，这些紫外辐射会侵蚀围绕近邻恒星的星周盘，从而降低巨行星形成的机会。

所有这些威胁综合起来后，意味着星系可居住区的范围还是相当宽的，其边界则比较模糊。但是如果我们把接近共旋转圆(corotation circle)也作为GHZ的一项要求，那么GHZ就非常狭窄了。共旋转圆是恒星轨道周期与银河系的旋臂的转动周期相等的区域。当恒星轨道在共旋转圆或非常接近共旋转圆时，它穿过银河系旋臂的次数便较少。它需要较长时间才能穿越旋臂，但更重要的是它两次穿越旋臂之间的间隔期也相当长。最近对太阳附近恒星的动力学特性所作的测量表明，太阳轨道非常接近共旋转圆。银河系旋臂看起来可能很漂亮，但我们最好还是站在远处欣赏它为妙，因为旋臂内部频繁的恒星形成和巨大的分子云将使复杂生命所面临的危险大增。

GHZ的观念对于寻找地外智慧生命有重要的作用。例如，它可以确定复杂形式生命最有可能形成的区域，这样研究人员就能相应地调整自己的搜索方向。现在已经能够相当有把握地说，球状星团、外银盘和银心不是理想的搜索目标。

Douglas Adams曾对过去的几个世纪的天文学研究成果作了下面的概括： “银河系西旋臂终端一个毫不起眼的偏僻的地方，就是我们那小小的、黄黄的、不起眼的太阳之所在。”

但情况往往是这样，时髦的东西未必舒适。而我们居住的地方，却是宇宙的一块“黄金宝地。”

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