在宏大的宇宙尺度上,我们存在的这个宇宙的小小角落并没有那么特别 —— 这个想法是哥白尼原理的核心。然而,我们的星球有一个主要方面确实很特别:我们的太阳是一颗黄矮星。
由于我们最熟悉的是我们自己的母星,所以很容易假设黄矮星和白矮星(FGK矮星)在宇宙的其他地方也很常见。然而,它们远不是银河系中数量最多的恒星;这种殊荣属于另一种类型的红矮星(M矮星)。
红矮星不仅占银河系所有恒星的75%,而且它们比太阳这样的恒星温度低得多,寿命也长得多,活得也更久远。
我们预计太阳的寿命在100亿年左右,而红矮星的寿命预计为数万亿年。事实上,在宇宙大爆炸以来的134亿年里,还没有哪个红矮星到达它们的主序列寿命的尽头。
既然红矮星如此丰富,如此稳定,而且我们在宇宙上的存在并不特殊,所以,我们没有围绕红矮星运行,而是围绕着一颗并不常见的黄色矮星运行的事实,反到有些令人惊讶。
根据哥伦比亚大学天文学家大卫·基平的一篇论文,这就是“红天悖论” —— 这是费米悖论的推论,费米悖论质疑为什么我们还没有在广阔的宇宙中发现任何其他形式的智能生命。
天文学家大卫·基平表示:“解决这一悖论,将为未来的远程生命传感实验和宇宙生命的极限提供指导。”
上图:围绕红矮星TRAPPIST-1运行的行星系统。
红矮星是寻找外星生命的诱人前景。它们不像类太阳恒星那样燃烧,这意味着任何围绕它们运行的系外行星都需要更近才能达到适宜居住的温度。反过来,这可能会使任何此类系外行星更容易被发现和研究,因为它们围绕恒星运行的频率要比地球围绕太阳运行的频率高。
事实上,天文学家已经发现了相当多的岩石系外行星(像地球、金星和火星)在这个宜居带围绕红矮星运行。它们中的一些甚至比较接近。这是一件诱人的事情,而且看起来红矮星至少应该在某个地方拥有生命,这就是天体生物学家正在寻找的原因。
在天文学家大卫·基平的论文中,这位科学家为“红空悖论”列出了四个解决方案。
方案一:一个不寻常的结果
首先,我们的地球可能是个怪胎。如果这两种恒星周围出现生命的速度是相似的,那么地球就是一个异常值,而我们围绕太阳运行的机会只是随机的,概率是百分之一。
这将与哥白尼原理产生矛盾,哥白尼原理认为,宇宙中没有特权的观察者,我们在宇宙中的位置是很正常的。对我们来说,特立独行意味着我们所处的地方不太正常。
这个答案并非不可能,但也不是特别令人满意的结果。其他三个解决方案提供的答案不仅更令人满意,而且实际上是可以测试的。
方案二:红天下被禁锢的生命
根据这个结论,基平认为黄矮星比红矮星更适合居住,因此,生命在红矮星周围出现的频率要低得多 —— 大约少100倍。有很多理论证据支持这一观点。例如,红矮星往往很吵闹,有大量的耀斑活动,而且往往没有类木星的行星。
基平表示:“许多理论工作都对M矮星上复杂生命的合理性提出了质疑,包括潮汐锁定和大气坍塌,恒星活动影响的增加,主序列前阶段的延长,以及潜在有益的木星大小同伴的缺乏。在这个基础上,有很好的理论理由支持方案二,从观察上看,该方案仍未得到证实。”
上图:红矮星正在释放超大耀斑。
方案三:复杂生命的截断窗口
这里的争论是,生命根本没有足够的时间出现在红矮星周围。
这看起来可能有悖常理,但它与恒星生命的前主序阶段有关,也就是在它开始聚变氢气之前。在这种状态下,恒星燃烧得更热、更亮;对于红矮星来说,它持续了大约10亿年。在此期间,任何潜在的宜居世界都可能引发失控的永久性温室效应。
这可能意味着,在白矮星和黄矮星上的岩石行星上出现复杂生物学的时间,比在红矮星上要长得多。
方案四:缺乏淡红色点
最后,尽管在拥有系外行星的红矮星中,约有16%被列为宜居带内拥有岩石系外行星,但或许这些行星并不像我们想象的那样常见。我们的调查对最大质量的红矮星进行了抽样,因为它们是最明亮、最容易研究的;但如果那些我们知之甚少的斑驳红矮星没有宜居带的岩石系外行星呢?
事实上,由于小质量红矮星数量最多,这可能意味着红矮星周围的宜居带岩石系外行星比黄矮星周围的少100倍。
基平表示:“在这种情况下,智慧生命在宇宙中很少见,普遍在M矮星和FGK矮星之间产生,但M矮星周围的宜居世界比FGK矮星至少少了两个数量级。要知道,两个数量级的差异是相当大的,这是一个特别有趣的解释。这就要求M矮星周围的绝大多数已知地球大小的温带行星,在某种程度上不适合生命生存,或者是晚期M-矮星(低质量端)很少拥有宜居世界。”
上图:想象中的围绕半人马座红矮星运行的宜居世界。
甚至,有可能答案就在其中的几个方案中,这将使任何一个领域的影响都不那么明显。我们可能很快就能确认。例如,随着技术的进步,我们将能够更好地看到质量较小的红矮星,并寻找围绕它们运行的行星。
做到这点之后,如果我们发现了岩质系外行星,我们就可以更近距离地观察它们的潜在宜居性,确定它们的轨道是否在宜居带,以及那里的生命是否可能受到恒星过程的阻碍。
天文学家大卫·基平最后总结道:“最终,解决红空悖论是天体生物学和SETI的核心兴趣所在,它意味着我们应该把我们的资源用于哪些恒星,以及提出一个关于宇宙中生命的本质和极限的基本问题。”
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