去球狀星團(tuán)里找文明

□ 郭金承 邱艷麗

去球狀星團(tuán)里找文明

□ 郭金承 邱艷麗

圖1 球狀星團(tuán)杜鵑座47是個(gè)擁擠的地方，相對(duì)于宇宙中其他空曠的天區(qū)，這里的恒星與恒星之間距離更近，這將可以保證文明之間的星際通訊和轉(zhuǎn)移的可行性。在這樣一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且容易進(jìn)行星際交流和旅行的環(huán)境中，當(dāng)文明發(fā)展到一定程度，文明的延續(xù)就變得容易得多，天文學(xué)家認(rèn)為或許這類球狀星團(tuán)就是尋找地外高級(jí)文明信號(hào)的不錯(cuò)選擇。圖片來(lái)源：APOD

你相信有外星人存在嗎？

前不久上映的電影《獨(dú)立日2》，讓外星人的話題又火了一把。外星人到底存不存在，還是個(gè)沒(méi)有定論的問(wèn)題。根據(jù)網(wǎng)站space.com的網(wǎng)絡(luò)投票顯示，參與的網(wǎng)民中有高達(dá)66%的人認(rèn)為外星人是存在的，只是人類還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)他們而已。但是，如果我們真的發(fā)現(xiàn)了外星人，一定會(huì)是件好事嗎？

圖2 “Breakthrough Starshot”(突破攝星)計(jì)劃。圖片來(lái)源：breakthroughinitiatives.org。

不少科幻作品，例如《三體》，就擔(dān)心發(fā)現(xiàn)外星人的同時(shí)可能帶來(lái)的是對(duì)人類資源的掠奪和侵略。就連著名天體物理學(xué)家史蒂芬?霍金也在2010年的《探索發(fā)現(xiàn)》節(jié)目中警告說(shuō)：“外星人幾乎是肯定存在的。但如果外星人真的拜訪我們的話，人類的命運(yùn)很有可能和當(dāng)初哥倫布發(fā)現(xiàn)新大陸后的印第安人一樣?！?/p>

當(dāng)然，這些擔(dān)憂并不能阻止人類的好奇心。早期科學(xué)家就已經(jīng)做出了很多與地外文明接觸的嘗試，比如，發(fā)射帶有人類信息的探測(cè)器到外太空等。最近兩年，一直是尋找外星人問(wèn)題上的“大反派”霍金也改變了態(tài)度，積極參與了幾個(gè)重要的尋找地外文明的科學(xué)項(xiàng)目。例如，其中一個(gè)項(xiàng)目計(jì)劃利用美國(guó)的綠堤射電望遠(yuǎn)鏡和澳大利亞的帕克斯射電望遠(yuǎn)鏡，對(duì)離地球最近的一百萬(wàn)顆恒星以及銀河系中心等區(qū)域進(jìn)行大范圍掃描（甚至可能延伸到離銀河系最近的一百個(gè)星系），以此來(lái)尋找可能包含外星智慧生命的無(wú)線電訊號(hào)。另一個(gè)大膽的計(jì)劃就是“Breakthrough Starshot”(突破攝星)。這個(gè)計(jì)劃將會(huì)發(fā)射質(zhì)量為克級(jí)的自動(dòng)化納米飛行器，通過(guò)地球上光速陣列的集中光壓推動(dòng)到五分之一光速，計(jì)劃在發(fā)射后二十年后到達(dá)最近的恒星——半人馬座α星，并通過(guò)飛行器上的探測(cè)器發(fā)回該恒星系統(tǒng)中行星的圖片。

圖3 潛在宜居地外行星的位置分布。圖片來(lái)源：PHL @ UPR Arecibo, Jim Cornmell

怎樣尋找外星人？

為了尋找地外生命和文明，人類一方面分析來(lái)自外太空的信號(hào)是否包含外星人的問(wèn)候，另一方面努力地去尋找適合生命生存的地外行星。

截至2016年7月27日，通過(guò)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡找到的系外行星已經(jīng)達(dá)到了3368顆，其中多行星系統(tǒng)已有569個(gè)，另外，處于宜居帶的行星有42個(gè)。開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡探測(cè)的是行星掩食恒星時(shí)產(chǎn)生的微小光變，除此以外還可以通過(guò)測(cè)量徑向速度曲線，直接成像，引力透鏡效應(yīng)，以及脈沖星脈動(dòng)時(shí)間細(xì)微變化等特殊方法來(lái)尋找行星。無(wú)論是用什么方法探測(cè)，通常天文學(xué)家都認(rèn)為在銀盤上的恒星周圍更有可能找到智慧生命，因?yàn)橄鄬?duì)于球狀星團(tuán)里密集的恒星和復(fù)雜的相互作用，銀盤上的行星更容易形成，也能夠有更長(zhǎng)久穩(wěn)定的時(shí)間來(lái)進(jìn)化出生命，從而演化出先進(jìn)的文明。然而，最近美國(guó)哈佛-史密松天體物理中心的研究員羅贊?迪斯蒂法諾(Rosanne Di Stefano)等人對(duì)于球狀星團(tuán)的模擬研究表明，球狀星團(tuán)里面可能更有機(jī)會(huì)找到先進(jìn)文明。

什么是球狀星團(tuán)？

球狀星團(tuán)（Globular Clusters, 簡(jiǎn)稱GCs）是由幾千到幾百萬(wàn)個(gè)恒星組成的球狀天體。這些恒星被自引力束縛在很小的尺度（幾千個(gè)光年）內(nèi)，因此球狀星團(tuán)中的恒星密度非常大。球狀星團(tuán)是已知最古老的天體，被稱為星系形成早期的“化石”。最老的球狀星團(tuán)幾乎是和星系同時(shí)形成的，它們的年齡高達(dá)130億年，快趕上137億年的宇宙年齡了。

球狀星團(tuán)較多分布于星系的暈中，像衛(wèi)星一樣圍繞星系核球中心轉(zhuǎn)動(dòng)。在我們居住的銀河系中，目前已知有157個(gè)球狀星團(tuán)，它們?cè)诰嚯x銀心半徑13萬(wàn)光年或更遠(yuǎn)的地方繞轉(zhuǎn)。對(duì)于更大的星系，可以擁有更多的球狀星團(tuán)。比如仙女座星系(M31)可能有500個(gè)。一些巨大的橢圓星系，尤其是星系團(tuán)中心的星系，比如M87，可能擁有多達(dá)13000個(gè)球狀星團(tuán)。

德國(guó)的天文學(xué)家亞伯拉罕?伊賀里（Abraham Ihle）于1665年發(fā)現(xiàn)第一個(gè)球狀星團(tuán)，即位于銀河系中的M22。當(dāng)時(shí)的觀測(cè)設(shè)備還不足以分辨出球狀星團(tuán)內(nèi)單獨(dú)的恒星。直到1764年，梅西葉第一次發(fā)現(xiàn)原來(lái)球狀星團(tuán)M4是由很多顆恒星組成的。二十年后，威廉?赫歇爾用更大的望遠(yuǎn)鏡分辨出了梅西葉星表中球狀星團(tuán)的成員星。

圖4 天蝎座中的球狀星團(tuán)M4及包含行星的多星系統(tǒng)PSR B1620-26。左邊的圖片顯示了地面望遠(yuǎn)鏡拍攝的M4光學(xué)圖像；右邊的圖片來(lái)自哈勃空間望遠(yuǎn)鏡（HST），放大顯示了左圖的綠色方框部分，白色箭頭指向包含系外行星的多星系統(tǒng)PSR B1620-26。圖片來(lái)自NASA

球狀星團(tuán)與系外行星

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，到了2000年，天文學(xué)家使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，在球狀星團(tuán)M4中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)具有2.5倍木星質(zhì)量的行星。該行星位于M4星場(chǎng)密集的核心處，圍繞著一個(gè)由中子星和白矮星組成的雙星系統(tǒng)PSR B1620-26運(yùn)動(dòng)（圖4和圖5），距離我們5600光年。這個(gè)球狀星團(tuán)中的類木行星，有著上百億年的高齡，約為地球年齡（45億年）的兩倍多，是目前為止發(fā)現(xiàn)的最年老的一顆行星。

這顆行星引人注目的地方在于，它為第一代行星在宇宙大爆炸后10億年內(nèi)的快速形成提供了證據(jù)，也使得天文學(xué)家相信或許宇宙中存在數(shù)目驚人的行星。在此之前，天文學(xué)家們一直對(duì)球狀星團(tuán)中是否存在行星充滿懷疑。由于球狀星團(tuán)在宇宙早期形成，那時(shí)重金屬還沒(méi)有通過(guò)恒星的核聚變形成，因此可能由于缺乏重金屬元素而很難形成行星。另外，球狀星團(tuán)中由于恒星非常密集，彼此之間相距很近，因此靠得很近的恒星之間會(huì)產(chǎn)生比較明顯的引力作用。如果存在行星，很難能夠維持一個(gè)比較穩(wěn)定的公轉(zhuǎn)軌道。對(duì)于公轉(zhuǎn)軌道較遠(yuǎn)的行星，甚至有可能被彈出所在行星軌道，被其他恒星捕獲或者在星團(tuán)里自由漂移。1999年，哈勃空間望遠(yuǎn)鏡在杜鵑座47中尋找類木行星的計(jì)劃以失敗告終，使得一些天文學(xué)家認(rèn)為球狀星團(tuán)中可能不會(huì)有行星。但PSR B1620-26中類木行星的發(fā)現(xiàn)，證實(shí)天文學(xué)家們當(dāng)初只是找錯(cuò)了地方，由氣體組成的大行星應(yīng)該在球狀星團(tuán)中非常普遍。之后對(duì)開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡數(shù)據(jù)的研究也表明，行星是可以在密集區(qū)域中形成并且存活下來(lái)的。

圖5 球狀星團(tuán)M4中的包含行星的PSR B1620-26系統(tǒng)想象圖。圖上方藍(lán)色的星球?yàn)榫哂?.5個(gè)木星質(zhì)量的氣體行星，下方兩顆白色較亮的星球分別是PSR B1620-26系統(tǒng)中的脈沖星（左）和白矮星（右）。圖片來(lái)自NASA

文明可在球狀星團(tuán)中存活

既然球狀星團(tuán)中可以存在行星，那么只要有行星處在生命宜居帶，就可能誕生生命繼而發(fā)展出文明。

球狀星團(tuán)中的一些條件，確實(shí)適合文明的生存和延續(xù)。球狀星團(tuán)就像是性情溫和的老年人社團(tuán)，它們的成員星由于年老而表現(xiàn)得很安靜，可以在幾十億年甚至更長(zhǎng)時(shí)間里穩(wěn)定燃燒。而且星團(tuán)內(nèi)的物資很匱乏，氣體和塵埃很少，因此就不會(huì)有恒星嬰兒的誕生或者超新星爆炸這種劇烈事件影響到生命的生存環(huán)境。此外，球狀星團(tuán)中的恒星非常密集，它們之間的距離只有太陽(yáng)到比鄰星（距離太陽(yáng)最近的一顆恒星）之間距離的二十分之一，而對(duì)于銀盤中恒星之間的距離，更是短到幾百甚至幾千分之一。因此球狀星團(tuán)中恒星之間的通訊，可能只需要幾星期或者幾個(gè)月，從星團(tuán)中心到星團(tuán)邊緣的通訊也只需要幾十年。假設(shè)外星文明的天文工具和技術(shù)發(fā)展到與地球人類相當(dāng)，那么球狀星團(tuán)內(nèi)的不同行星上的外星人應(yīng)該早就開(kāi)始互相通信了。

在這樣一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定且容易進(jìn)行星際交流和旅行的環(huán)境中，當(dāng)文明發(fā)展到一定程度，文明的延續(xù)就變得容易得多。一旦某個(gè)外星文明所在的行星存在任何可能的天災(zāi)人禍，這個(gè)文明都可以通過(guò)星際旅行來(lái)繼續(xù)發(fā)展。這乍一聽(tīng)起來(lái)似乎很科幻，但哈佛-史密森天文研究中心的研究員迪斯蒂法諾和其合作者雷（Ray）通過(guò)對(duì)球狀星團(tuán)的一些理論計(jì)算，告訴我們球狀星團(tuán)確實(shí)很可能存在更為先進(jìn)的文明。

文明的“最宜居區(qū)域”

那么，是不是球狀星團(tuán)中所有的地方都適合文明生存呢？答案是否定的。

迪斯蒂法諾研究員與合作者利用理論模型對(duì)不同質(zhì)量和大小的球狀星團(tuán)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)只有在一些特殊的區(qū)域，才適合高級(jí)文明的長(zhǎng)期生存。在這些區(qū)域內(nèi)，恒星的密度剛剛好，足夠稀疏以保證行星具有穩(wěn)定的軌道而不會(huì)被近鄰的恒星踢走，但又足夠密集以保證鄰近恒星之間可以在較短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行星際轉(zhuǎn)移。這樣的特殊區(qū)域被稱為球狀星團(tuán)內(nèi)高級(jí)文明的“最宜居區(qū)域”。

文明的最宜居區(qū)域的概念，與恒星系統(tǒng)內(nèi)生命的宜居帶概念很相似。例如對(duì)于太陽(yáng)系來(lái)說(shuō)，生命的宜居帶是地球所處的這樣一個(gè)區(qū)域——離太陽(yáng)不太遠(yuǎn)以便獲得足夠的熱量，又離太陽(yáng)不那么近以免被烤焦——在這個(gè)區(qū)域里，地球表面可以有液態(tài)水存在，生命得以生存。對(duì)于不同的質(zhì)量、大小的恒星組成的球狀星團(tuán)來(lái)說(shuō)，文明的最宜居區(qū)域的大小會(huì)有所不同，但大致認(rèn)為是一個(gè)球殼狀的區(qū)域。這個(gè)球殼的內(nèi)半徑更靠近球狀星團(tuán)核心，在這里，處在生命宜居帶上的行星能夠存活像地球一樣長(zhǎng)的時(shí)間。離球狀星團(tuán)核心越近，恒星越密集，行星越容易遭到近鄰恒星的毀滅式撞擊、俘虜或者直接被踢出星團(tuán)，因此行星的存活時(shí)間越短。最宜居區(qū)域的外半徑，更靠近球狀星團(tuán)的外邊界，在這里，恒星之間的距離不超過(guò)十萬(wàn)個(gè)日地距離，可以保證星際通訊和轉(zhuǎn)移的可行性。

圖6 球狀星團(tuán)外邊緣的行星設(shè)想圖。圖片來(lái)自：RC Davison

展望

迪斯蒂法諾研究員及其合作者不僅對(duì)球狀星團(tuán)中存在最佳區(qū)域進(jìn)行了數(shù)值模擬論證，并根據(jù)對(duì)實(shí)際球狀星團(tuán)進(jìn)行最宜居區(qū)域大小的計(jì)算，得到了28個(gè)具有較大最宜居區(qū)域的優(yōu)先候選體。由于球狀星團(tuán)的成員星多為個(gè)頭較小的M型星（光譜型為M的恒星），很難通過(guò)探測(cè)行星最常用的掩食方法來(lái)發(fā)現(xiàn)行星。然而如果這些球狀星團(tuán)中毫秒級(jí)脈沖星越多的話，那么在其中發(fā)現(xiàn)行星的可能性就越大。這是因?yàn)橛^測(cè)脈沖星的周期變化相對(duì)行星掩食的方法更容易些，通過(guò)分析脈沖星的周期性質(zhì)，就可以判斷該脈沖星是否帶有行星。我們迄今已知的唯一一個(gè)球狀星團(tuán)內(nèi)的行星，正是處在脈沖星系統(tǒng)PSR B1620-26中。

雖然目前在球狀星團(tuán)中只發(fā)現(xiàn)了一顆行星，但是多項(xiàng)研究表明球狀星團(tuán)中可能普遍存在行星。對(duì)銀河系盤中系外行星的研究結(jié)果顯示，小質(zhì)量恒星可能擁有更多處在宜居帶的行星。令人高興的是，球狀星團(tuán)的大部分成員星正是小質(zhì)量的年老恒星，因此其中可能存在很多處于宜居帶的行星。并且由于球狀星團(tuán)中恒星之間距離要短得多，相比之下更加方便智慧生命的遷移，來(lái)繼續(xù)保持文明的發(fā)展和延續(xù)。因此球狀星團(tuán)中不僅更有可能存在先進(jìn)文明，而且先進(jìn)文明也極有可能已經(jīng)散布到了整個(gè)星團(tuán)。

鑒于這些研究成果，人類不如換個(gè)方向試試，對(duì)太陽(yáng)系近鄰的球狀星團(tuán)加大觀測(cè)和研究力度。這樣說(shuō)不定在不遠(yuǎn)的將來(lái)，人類就能發(fā)現(xiàn)來(lái)自星星的小伙伴了。

圖7 球狀星團(tuán)內(nèi)部的行星設(shè)想圖。圖片來(lái)自：RC Davison

題外話

愛(ài)思考的讀者也許會(huì)想到一個(gè)有趣的問(wèn)題，在星場(chǎng)如此密集的球狀星團(tuán)內(nèi)，外星人在自己的星球上能仰望到繁星璀璨的夜空嗎？圖7顯示了一種可能出現(xiàn)的景象：這是一顆距離星團(tuán)核心較遠(yuǎn)處的行星，來(lái)自眾多恒星的星光可能使該星球上夜晚變得如同地球上黎明或者黃昏一般明亮。也可能會(huì)如同艾薩克?阿西莫夫的小說(shuō)《日暮》（Nightfall）所描述那樣，生活在一個(gè)球狀星團(tuán)里的文明具有六個(gè)太陽(yáng)，他們有著持續(xù)的白晝，除非每隔2049年發(fā)生一次五星連珠，并且第六顆恒星被衛(wèi)星掩食，才會(huì)出現(xiàn)一次黑夜。我們也可以想見(jiàn)，住在球狀星團(tuán)里的外星天文學(xué)家能夠很容易地研究鄰近的恒星，但也正是因?yàn)檫@些恒星的遮擋，而無(wú)法看到球狀星團(tuán)外的更大更深處的宇宙。正所謂不識(shí)廬山真面目，只緣身在此山中。

（責(zé)任編輯 馮翀）