銀河系“宜居報(bào)告”

南方周末特約撰稿　盧昌海

2012年10月8日，Bio-kovo山（海拔1200米）上空的銀河?？茖W(xué)家們對銀河系的行星進(jìn)行了一次普查，結(jié)果顯示銀河系的適居行星至少有5億顆。視覺中國?圖

★一個(gè)意大利研究小組通過分析銀河系中恒星的形成和演化以及重元素的演化，得出了一份有關(guān)智慧生物的最新“宜居報(bào)告”。

宇宙中有沒有其他智慧生物？有的話會(huì)是什么樣子的？　這是很多人都想知道答案的迷人問題。不過，連“有沒有”都沒搞清就問“什么樣子”顯得有些“冒進(jìn)”，不如轉(zhuǎn)而問一個(gè)更務(wù)實(shí)的問題：在宇宙的什么地方最有可能找到其他智慧生物？

兩個(gè)生存條件

這個(gè)問題本質(zhì)上是探究宇宙中什么地方最有可能滿足智慧生物的生存條件。而為了探究這個(gè)問題，首先當(dāng)然得知道智慧生物的生存條件是什么，對此，一般認(rèn)為有兩個(gè)條件是必須滿足的：一是必須有表面存在液態(tài)水的行星環(huán)境；二是行星環(huán)境必須有以十億年計(jì)的非常長期的穩(wěn)定性。

當(dāng)然，這兩個(gè)條件都是從地球生物及其演化中歸納出來的。由于我們迄今只有地球生物這一個(gè)樣本，由此歸納出的條件是否會(huì)因樣本太小而陷入某種以偏概全的誤區(qū)，是可以商榷的。但探究離不開前提，本文就姑且以這兩個(gè)條件為前提。若哪天發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)條件需要修正，本文自然也會(huì)需要修正。但那樣的修正背后將是非常激動(dòng)人心的科學(xué)進(jìn)展，與之相比，本文的需要修正不僅微不足道，甚至是值得慶賀的。

但在那一天到來之前，我們且言歸正傳。

既然明確了智慧生物的生存條件，那么就可以探究宇宙中什么地方最有可能滿足那些生存條件了。由于宇宙——確切說是可觀測宇宙——是由上千億個(gè)星系組成的，星系間的平均距離極其遙遠(yuǎn)，一個(gè)星系里的智慧生物極不可能依賴于其他星系。因此，探究時(shí)可將空間范圍由宇宙縮減為星系——具體地說，則當(dāng)然是縮減為我們生活于其中的銀河系，以之為代表。

因此，我們將以銀河系為范圍，來探究什么地方最有可能滿足智慧生物的生存條件。

有人也許會(huì)問：依照這樣的邏輯，是否可將探究范圍進(jìn)一步縮減為某個(gè)具體的恒星及環(huán)繞該恒星的行星系統(tǒng)呢？　初看起來，這似乎是可以的。因?yàn)槌ブ腔凵锼幍男行窍到y(tǒng)及其所環(huán)繞的恒星之外，任何其他恒星都不過是夜空中的一些美麗亮點(diǎn)，詩情畫意上的啟迪容或有之，卻似乎并不會(huì)對智慧生物的生存產(chǎn)生影響。我們在地球上的經(jīng)驗(yàn)似乎也佐證了這一點(diǎn)：除去源自蒙昧?xí)r代的某些迷信外，從未有任何其他恒星對人類的生活產(chǎn)生過哪怕最微不足道的影響，更遑論對生存產(chǎn)生影響。

但我們在地球上的經(jīng)驗(yàn)跟生物演化所需的漫長時(shí)間相比，實(shí)在太短暫了，參考價(jià)值也就極為有限。若將時(shí)間拉長到智慧生物的第二個(gè)生存條件所要求的以十億年計(jì)的漫長尺度上，情況就完全不同了。

因?yàn)樵谀菢拥穆L尺度上，恒星除了作為夜空中的美麗亮點(diǎn)穩(wěn)定地發(fā)光外，還可以發(fā)生非常劇烈的變化。事實(shí)上，那樣的變化不僅“可以發(fā)生”，而且是必然會(huì)發(fā)生的——因?yàn)槿魏魏阈嵌急厝粫?huì)死亡，而恒星的死亡并不是“安樂死”，在死前會(huì)發(fā)生某種相對于平時(shí)而言非常劇烈的變化。

那種變化說白了就是爆炸——恒星越大，爆炸就越劇烈。其中最劇烈的是超新星和伽馬射線暴。

超新星和伽馬射線暴是如此劇烈，其短時(shí)間內(nèi)釋放的能量甚至能超過整個(gè)星系。相應(yīng)地，影響范圍也絕不限于特定的恒星及環(huán)繞該恒星的行星系統(tǒng)，而是會(huì)對一個(gè)巨大天區(qū)內(nèi)的所有行星造成影響。

以破壞力最大的伽馬射線暴為例，它是一種可在宇宙學(xué)尺度上被觀測到的現(xiàn)象，短時(shí)間內(nèi)釋放的能量甚至比普通超新星還要高出若干個(gè)數(shù)量級。那樣的伽馬射線暴一旦發(fā)生，哪怕遠(yuǎn)在幾千光年之外，也足以對像地球這樣的行星造成巨大影響。比如它所帶來的大流量的伽馬射線，會(huì)在近乎瞬息之間就對地球臭氧層造成毀滅性的破壞。而臭氧層一旦被破壞，則太陽紫外線就能長驅(qū)直入，對很多生物造成危害。

同時(shí)，在臭氧層遭破壞的過程中，會(huì)生成諸如二氧化氮之類的有色氣體，這種氣體會(huì)阻隔一部分陽光，使地球陷入“全球冷化”。這些效應(yīng)的綜合結(jié)果，被認(rèn)為是足以引發(fā)大規(guī)模的生物滅絕。事實(shí)上，有些研究者認(rèn)為，發(fā)生在距今約4.4億年前的地球歷史上五大生物滅絕事件之一的“奧陶紀(jì)大滅絕”就有可能是距地球幾千光年的某一次伽馬射線暴造成的。

幾千光年雖比星系之間的平均距離小得多，在星系之內(nèi)卻不是一個(gè)小范圍。

因此，以智慧生物的第二個(gè)生存條件所要求的漫長時(shí)間尺度來衡量，星系之外的影響確如前文所述可以忽略，星系本身則在一定程度上參與締造著智慧生物的生存環(huán)境。也因此，探究宇宙中什么地方最有可能滿足智慧生物的生存條件時(shí)，可以如前文所述將空間范圍縮減為星系——譬如銀河系，卻不能進(jìn)一步縮減為某個(gè)具體的恒星及環(huán)繞該恒星的行星系統(tǒng)。

既然這樣，我們就以銀河系為例，來介紹一份“宜居報(bào)告”，看看智慧生物究竟適合生活在哪里。

這份報(bào)告——乃至其他同類報(bào)告——本質(zhì)上是通過兩方面的因素來確定“宜居”范圍。一者可稱為“環(huán)境因素”，這一因素得高分的條件是像伽馬射線暴和超新星那樣的災(zāi)難性事件，在幾千光年的范圍內(nèi)最好是稀有的——之所以只是“最好是稀有的”而不要求完全沒有，是因?yàn)槟菢拥臑?zāi)難性事件雖會(huì)造成生物的大規(guī)模滅絕，卻不一定是徹底滅絕。就好比“奧陶紀(jì)大滅絕”若確如某些研究者認(rèn)為的那樣，是伽馬射線暴造成的，它終究也未曾徹底滅絕地球上的生物。但災(zāi)難性事件一旦多了，每次都幸存畢竟是小概率的，因此“最好是稀有的”。

另一者可戲稱為“房源因素”，它得高分的條件是在“環(huán)境因素”好的區(qū)域——所謂的“宜居”區(qū)域——里必須有較多的“宜居”行星及適合“宜居”行星環(huán)繞的恒星。因?yàn)槟菢拥男行呛秃阈窃蕉?，智慧生物出現(xiàn)的土壤才越豐厚；反之，則哪怕“環(huán)境因素”再好，若“宜居”行星及適合“宜居”行星環(huán)繞的恒星太少，依然會(huì)大大降低智慧生物出現(xiàn)的可能性。這就好比一個(gè)再好的地段若住宅稀少一房難求，也終究算不上宜居。至于“宜居”行星及適合“宜居”行星環(huán)繞的恒星該是什么樣子的，我們最熟悉的地球和太陽自然是“樣板屋”，但可以有一定程度的偏離——比如恒星和行星的質(zhì)量稍大些或稍小些，行星與恒星的距離稍遠(yuǎn)些或稍近些，等等，都是可以的。

新的研究

在綜合考慮這兩個(gè)因素的基礎(chǔ)之上，很多研究者對銀河系里什么區(qū)域最適合智慧生物生活進(jìn)行了研究，其中較新進(jìn)的一項(xiàng)研究于2021年3月發(fā)表在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》雜志上。這項(xiàng)研究是由一個(gè)意大利研究組完成的，它通過分析銀河系中恒星的形成和演化（這跟“環(huán)境因素”有直接關(guān)系，因?yàn)橘ゑR射線暴和超新星主要源自大質(zhì)量恒星的死亡，從而跟恒星的形成和演化密切相關(guān)），以及重元素的演化（這跟“房源因素”有直接關(guān)系，因?yàn)闃?gòu)成“宜居”行星的質(zhì)料多為重元素，從而跟重元素的演化密切相關(guān)；同時(shí)，這跟“環(huán)境因素”也有某種微妙關(guān)系），得出了一份“宜居報(bào)告”。

這份報(bào)告不僅提供空間信息，而且包含了時(shí)間信息。

也就是說，這份報(bào)告不僅告訴我們銀河系里哪兒最“宜居”，而且還告訴我們什么時(shí)段最“宜居”。

這份報(bào)告顯示：在銀河系演化的早期（具體地說，是從距今約135億年的銀河系形成之初到距今約60億年前），核心及中間區(qū)域的恒星形成遠(yuǎn)比外圍頻繁，相應(yīng)地，恒星的死亡也多，像伽馬射線暴和超新星那樣的災(zāi)難性事件也遠(yuǎn)為頻繁。因此從“環(huán)境因素”上講，那時(shí)候銀河系的“宜居”區(qū)域是在外圍。但不利的是，銀河系外圍區(qū)域的物質(zhì)密度和恒星密度都很稀疏，作為“宜居”行星質(zhì)料的重元素的比例也很低，從而“宜居”行星及適合“宜居”行星環(huán)繞的恒星都很少，在“房源因素”方面得分很低。因此綜合地講，在銀河系演化的早期，整個(gè)銀河系都并不“宜居”。

最宜居的時(shí)間

這一狀況自距今約60億年前開始出現(xiàn)轉(zhuǎn)變。

意大利研究組的“宜居報(bào)告”顯示，自距今約60億年前開始，像伽馬射線暴和超新星那樣的災(zāi)難性事件的發(fā)生頻率在銀河系的核心及中間區(qū)域都開始下降，在外圍則開始升高。具體地說，“宜居報(bào)告”顯示，在距銀河系中心約6,500-26,000光年的區(qū)域里，像伽馬射線暴和超新星那樣的災(zāi)難性事件逐漸下降到了平均每5億年不超過1次的頻率，是整個(gè)銀河系里最低的。這一區(qū)域也因此成為了這一階段銀河系里“環(huán)境因素”最好的區(qū)域。同時(shí)，跟外圍區(qū)域不同的是，這一區(qū)域的恒星密度及作為“宜居”行星質(zhì)料的重元素的比例都較高，從而“宜居”行星及適合“宜居”行星環(huán)繞的恒星都較多——在“房源因素”方面也可以得高分。這兩個(gè)因素合在一起，就締造出了銀河系歷史上迄今唯一的“宜居”區(qū)域及時(shí)段：即距銀河系中心約6,500-26,000光年的區(qū)域及最近60億年的時(shí)段。

由于這一“宜居”區(qū)域和時(shí)段是銀河系歷史上迄今唯一的，因此意大利研究組干脆將“宜居報(bào)告”的標(biāo)題取為了“在銀河系生活的最佳地點(diǎn)及時(shí)間”。

最宜居的地點(diǎn)

那我們的太陽系處在什么位置呢？　太陽系距銀河系中心約有27,000光年，比報(bào)告里“宜居”區(qū)域的外邊界26,000光年略遠(yuǎn)。這是不是說太陽系沒有處在“宜居”區(qū)域里呢？　不是的。因?yàn)椤耙司印眳^(qū)域的邊界是漸變而不是截然的，離銀河系中心比6,500光年略近或比26,000光年略遠(yuǎn)的區(qū)域的“宜居”程度也并不差。而且，對“宜居”區(qū)域的估計(jì)有無可避免的粗略性，對邊界的估計(jì)更是馬虎，往往采取簡單取整（即將數(shù)據(jù)簡化為整數(shù)）的做法——比如6,500-26,000光年這一邊界估計(jì)乃是來自2-8千秒差距這一簡單取整的做法（1秒差距約合3.26光年，2-8千秒差距約合6,500-26,000光年），細(xì)致的數(shù)據(jù)其實(shí)是將太陽系包含在當(dāng)前的“宜居”區(qū)域之內(nèi)的。

更何況，不同研究者對“宜居”區(qū)域的估計(jì)往往彼此略有不同——比如有些研究者給出的銀河系“宜居”區(qū)域的外邊界距銀河系中心約為33,000光年，就穩(wěn)穩(wěn)地將太陽系包含在內(nèi)了。因此，太陽系的位置跟“宜居”區(qū)域是完全相容的。這一點(diǎn)，再加上太陽系形成于過去60億年之內(nèi)，從而時(shí)間上也在“宜居”時(shí)段之內(nèi)，使我們可以并不浮夸地宣稱，我們的太陽系也位于“在銀河系生活的最佳地點(diǎn)及時(shí)間”。

當(dāng)然，這是毫不意外的，因?yàn)閾嵊巳祟愡@一智慧生物的太陽系當(dāng)然是“宜居”的，它位于范圍并不狹小的“在銀河系生活的最佳地點(diǎn)及時(shí)間”的可能性當(dāng)然會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于位于一個(gè)不“宜居”的區(qū)域和時(shí)段的可能性，因?yàn)楹笳咭馕吨栂当仨毷悄莻€(gè)區(qū)域和時(shí)段里的另類——一種偶然現(xiàn)象，從而按定義就是小概率的。