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宇宙漫漫长寂寞,只怪行星水太多

时间:2021/8/17 20:20:57 点击:

  核心提示: 来源:中科院高能所 水世界假说|超越费米悖论 费米悖论,是恩里科·费米提出的一个基本假设,它是基于宇宙的漫长年龄和庞大的星体数量,经过一系列的计算后发现——地外文明存在性的过高估计,与缺少地外文明存...

来源: 中科院高能所

水世界假说|超越费米悖论

费米悖论,是恩里科·费米提出的一个基本假设,它是基于宇宙的漫长年龄和庞大的星体数量,经过一系列的计算后发现——地外文明存在性的过高估计,与缺少地外文明存在的相关证据相矛盾。于是在1950年夏天的某个午餐的闲谈中,费米提出了“外星人它们都在哪里?”的著名问题。

简单来说,费米悖论指的是外星智慧生命(extraterrestrial intelligence, ETI)存在的高概率估计和缺乏明显的证据。

那么今天,我们来研究费米悖论的又双叒叕一种可能性——许多行星的水都太多了!

这叫做“水世界假说”,这个理论认为,许多系外行星是“水世界”,在那里,水是如此丰富,以至于生命不太可能出现和发展。

“水世界”一词用来描述表面有大量的水的陆地(岩石)行星,这些行星的水构成了它们的主要的质量和组成部分。水世界假说的核心,是关于我们的宇宙中生命存在条件的关键假设。

艺术家对Kepler-22b的概念图——一个可能的“水世界”。来源:NASA/Ames/JPL-Caltech

以我们地球,以及所有在地球上进化的物种为参考,科学家们不得不假设,水是生命存在的关键成分。在所有已知的溶剂中,水是生命能生存的唯一溶剂,地球上几乎所有已知的生物都依赖水而生存。

这提出了一个关于搜寻地外生命的基本观点:在寻找外星生命的过程中,水被视为一种“生物特征”。当然,理论上说,水过多地存在也会干扰生命发展的一些至关重要的过程。要了解具体内容,首先,让我们快速了解一下相关术语。

生物特征

术语“生物特征”指的是那些可以证明过去或现在有生命存在的证据。它们可以是某些化合物、同位素或一个反应过程。更具体地说,它们表明了存在消耗自由能和产生有机废物的复杂过程。包括氢气、氧气、二氧化碳、甲烷、水以及一些硫磺和磷化合物。

水当然是最受欢迎的生物特征之一,因为它是唯一已知的生命存在的溶剂,对地球上几乎所有已知的生命形式都至关重要。但是,尽管水覆盖了地球表面的71%,它却只占地球总质量的0.02%。如果这一质量占比更高,将意味着一颗行星完全被深度巨大的海洋所覆盖,这便可能会对宜居性产生影响。

这和“暂时宜居的行星”类似,在那些岩石行星上,可以观察到似乎有着丰富的氧气,而这些氧气在起源上不是生物活动的结果。相反,氧气被认为是化学解离的结果,即紫外线辐射导致大气中的水蒸气分解,进而产生氢气和氧气。

当更轻的氢气散失到太空时,氧气会被行星的引力留住。但是由于氧气对许多基本的生命形式都是有毒的——比如像蓝藻细菌这样的光合生物,因此这些氧气的存在实际上可能会阻止生命的出现。

也许同样的道理也适用于过量的水。

起源

虽然水世界假说主要是最近发现的系外行星的产物,但它的基础可以追溯到几十年前。例如,大卫·布林在他1983年的开创性研究中总结了这一假说背后的思想:

“水覆盖了地球表面的70%以上。然而,也许地球正处于宜居世界中最干燥的阶段。如果陆地面积更小,或者根本没有陆地,那么就很难有机会进化出能够使用工具的物种。开个玩笑地说,宇宙中最聪明的物种可能只是拥有鲸鱼的外貌,但它们可从来没有想到过用无线电,也没有想过到其它星球上去旅行。”

根据三个系外行星的排列,基于化学成分和传入通量,来探索大气为什么看起来如此地不同。作者:Jack H。 Madden,经许可使用

来自哈佛史密森天体物理中心(CfA)和哈佛大学理论与计算研究所(ITC)的两位研究人员马纳斯维•林加姆(Manasvi Lingam)和亚伯拉罕•勒布(Abraham Loeb)也提出了类似的观点。在2018年的一项研究中,这两位研究人员考察了海洋和大陆在生命出现过程中所扮演的角色。

最后,他们得出了两种可能的答案。一方面,他们的计算表明,海洋和陆地之间的谨慎平衡对复杂生物圈的出现至关重要。另一方面,他们认为像地球这样陆地面积与海洋面积比例为3:7的行星,在我们的宇宙中可能相当罕见。

近年来,天文学家也观察到有迹象表明,水在行星的质量和组成中所占的比例可能比以前认为的还要大。一方面,调查发现,许多在恒星的宜居带(HZ)内运行的系外行星似乎完全被水覆盖。

同时,在过去的十年里,还有大量属于m型(红矮星)恒星系统的岩石行星。包括比邻星b——离太阳系最近的系外行星(4.24光年),它的轨道以其恒星的宜居带为单位。在2016年的一项研究中,Bastien Brugger和Pale Red Dot团队创建了一系列内部结构模型,这些模型显示了这些行星主要是由水组成的。

这是艺术家对“眼球”行星的刻画,这是一个水世界,它面向太阳的一面存在液态水的海洋。来源:eburacum45/ DeviantArt

假设比邻星b是一颗岩石行星,没有大质量的大气层,布鲁格和他的同事们得出结论,这颗行星的最大半径可能是地球的1.4倍,质量是地球的1.46倍。然而,这些参数还包括高达50%的水的质量占比,这意味着它很可能是一个“海洋行星”,并且有一个冰冻的冰壳。

随后,伯尔尼大学的研究人员进行了一项类似的研究,该研究检查了小质量恒星(又称红矮星)周围行星的形成。他们的结果显示,这些行星的半径为地球半径的0.5-1.5倍(平均半径为1倍地球半径),在90%的情况下,水占行星质量的10%以上。

2017年,天文学家证实,在TRAPPIST-1周围存在7颗岩石行星,其中3颗在该恒星的宜居带范围内。从那时起,多项研究表明,该系统可能拥有丰富的水资源。然而,2018年由亚利桑那州立大学地球和空间探索学院(SESE)领导的一项研究计算了TRAPPIST-1行星的含水量,并得到了类似的结果。

基于他们的“质量-半径-组成”模型,他们发现最内侧行星(b和c)是“干燥的”——只有15%的质量水,而最外层行星(f和g)有超过50%的质量水。2018年,由哈佛大学研究人员李增(Li Zeng,音译)领导的一个国际科学家小组检查了来自开普勒太空望远镜和盖亚(Gaia)任务的数据,以确定“水世界”到底有多普遍。

这幅艺术家的作品展示了比邻星b围绕着距离太阳系最近的红矮星——比邻星运行。来源:ESO/M。 Kornmesser

由此,李增和她的同事能够创建一个模型来显示质量和半径之间的关系。他们发现,半径是地球的2.5倍(质量是地球的10倍左右)的行星可能是水世界——水大约占其质量的50%。简而言之,他们发现在所有已知的比地球大的系外行星中,大约35%的行星应该富含水。

影响

对于寻找生命来说,不太可能有很多系外行星是水世界。例如,水的质量高达50%的行星,其海洋深度可能达到几公里。也就是说,这些行星将由位于岩石核周围的高压冰层之上的液态海洋组成。

岩石内核和海洋表面之间的冰会阻止通过地热活动进行的能量交换。在地球上,地核-地幔边界的地热喷口被认为是生命出现的关键。在像木卫二和其他冰质卫星这样的海洋星球上,这种活动被认为是海洋中任何生命存在的必要条件。

考虑到它们的共性,有没有可能因为水世界的稀少而导致宇宙中生命的稀少呢? 也就是说,我们所知的生命之所以罕见,不是因为关键的生物特征太少了,而是因为它的数量太多了。这和许多天文学家所期望发现的完全相反,但它确实为费米悖论提供了一个可能的解决方案。

批判

虽然这个假设对于费米悖论来说很有吸引力,但它确实排除了水世界上存在生命的可能性。例如,在2018年地球物理学家埃德温·凯特(Edwin Kite)和天体物理学家埃里克·福特(Eric Ford)的一项名为“系外行星水世界的可居住性”的研究中,两人认为水世界可以在没有地质活动或陆地块的情况可以下保持碳循环,因此也适宜居住。

在地球上,由于大气中相对稳定的二氧化碳水平,温度一直保持稳定。这是由于碳循环中,温室气体通过地幔的对流被矿物质吸收,然后通过火山活动周期性地释放回大气中。在这种情况下,地质活动对维持可居住性至关重要。

这样的过程在水世界是不可能的,因为星球的整个表面由水和地热活动组成,无法将物质或能量转移到大气中。但根据凯特和福特所做的模拟,水世界将能够在大气和海洋之间循环足够的碳,以维持几十亿年的稳定气候。

此外,宾夕法尼亚州立大学(Pennsylvania State University)的地球物理学家布拉德福德·弗利(Bradford Foley)和安德鲁·斯迈(Andrew Smye)在2018年的一项研究显示,板块构造对于维持行星上的宜居条件并不是必要的。在这里,研究小组也表明,碳循环可以在没有火山活动的地壳对流的情况下维持(前提是地幔中有足够数量的放射性元素)。

哥白尼原理和人择原理

另一个需要考虑的重要问题是,这一假设提出了关于地球和陆地生命性质的问题。特别是,它再次引发了关于地球是一个典型的宜居行星还是一个罕见的(甚至是独特的)案例的争论。前一种可能性是哥白尼原理(也叫平庸原则)的一个例子,即地球和人类在观察宇宙方面并没有特权地位。

与此相反,人择原理认为科学观察是可能的,因为宇宙的法则与有知觉的生命的发展是相容的。在宇宙学方面,人择宇宙学原理认为,人类和地球确实处于特权地位,而不是常态的一个例子。

从这方面来说,水世界假说可能表明,像地球这样的行星在宇宙中实际上是相当罕见的。考虑到它们是否适宜居住,这可能意味着像人类这样的物种(陆地的,使用工具的,等等)是极少数的,或者仅仅是独一无二的。不管怎样,这可能解释了为什么我们没有任何人的消息!

虽然科学家们不能完全确定水世界是否真的无法维持生命,以及水世界在太阳系以外的行星中所占的比例是否足够多,但这个假设确实反映了近年来我们对系外行星的认识有了显著增长。这也提醒我们,哥白尼原理与人择原理之间的争论远未结束。

这幅艺术家的作品展示了几颗围绕超冷红矮星TRAPPIST-1运行的行星。来源:ESO

不过,它还是相当耐人寻味的。也许大卫·布林(David Brin)说得最好:

作者:不详 来源:网络
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