宇宙裡有多少外星文明？

2020-11-10 國家地理中文網

這是克卜勒-186f的設想圖。克卜勒-186f是首顆被證實在宜居帶，圍繞著遙遠的恆星運行的行星，與地球大小相仿。所謂宜居帶，指的是一顆恆星周圍的一定距離範圍，這裡的行星表面的液態水可以匯聚起來。

繪製：NASA AMES/JPL-CALTECH/T. PYLE


撰文：NADIA DRAKE

　　對於外星獵手而言，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，在銀河系裡，約半數類日恆星的宜居帶存在巖質行星。在宜居帶裡，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、加州大學聖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、有行星的恆星比例、每個恆星系統中宜居星球的數量。

　　擁有類似地球世界的類日恆星的數量「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克卜勒行星探測器的數據，估計了這些行星的數量。9年裡，克卜勒探測器一直在凝望著這些恆星，觀察行星繞軌道運行過程中遮擋恆星光芒時短暫的閃爍。2018年任務結束時，克卜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。

　　但克卜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恆星。有了蓋亞的觀測結果，科學家最終得以確定，銀河系裡有數億顆地球大小的行星在圍繞類日恆星運行，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恆星的比例，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裡，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，在類日恆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恆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。在過去幾十年裡，我們清楚地看到，銀河系裡的行星十分普遍，數量超過了恆星。平均而言，幾乎每顆恆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，那裡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，即每個行星系統裡宜居星球的數量。

宜居世界

　　行星掠過恆星表面會短暫地遮住一小部分星光，導致光線變暗，克卜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、圍繞恆星運行的時間。藉助這個方法，克卜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、圍繞類日恆星運行。

　　早期估計表明，大約有20%的類日恆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，每個類日恆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。克卜勒探測器觀測到的恆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徵。而且探測器本身也嬌貴，需要定期修正，這讓觀測變得更加複雜，尤其是幫助探測器保持正確方向的關鍵部件出故障之後。

　　為了得出結論，Batalha和同事結合了克卜勒和蓋亞的數據；蓋亞探測器正在追蹤和描述附近的10億顆恆星。他們發現，克卜勒觀測到的行星半徑相當於地球的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恆星的溫度和大小。

　　研究團隊判斷了行星的宜居性，不僅根據它們與恆星的距離，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、圍繞類日恆星運行的巖質行星的樣本大小後，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，銀河系裡37%至60%的類日恆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%的類日恆星都擁有這樣的行星。

　　當然，很多因素決定了位於宜居帶的行星是否真的適合生命。行星的各項特徵，比如磁場、大氣、含水量和板塊構造都起到了一定的作用，而在遙遠的小世界裡，這些很難觀察到。

　　儘管如此，「這篇論文有助於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裡的其他變量。這些因素裡有很多很難確定，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：鑑於很多地球大小的行星圍繞著更小、更冷的恆星運轉，科學家是否應該考慮非類日恆星。也許我們應該把行星之外的世界也納入考慮範圍，儘管克卜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》裡的恩多那樣的森林衛星」，Wright說：「或者，《阿凡達》裡的潘多拉星球。」

　　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雲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：「那麼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。

　　德雷克公式最後的那些變量將告訴我們，地球是否是銀河系裡唯一的生命家園，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）

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