科学之谜:宇宙遍布外星人

透过望远镜的镜头,我们看到无数的天体,太阳和地球不过是宇宙中普通的沧海一粟。其实,太阳系这样的天体系统并不算“普通”,从恒星的类别上看,太阳之类的恒星只是银河系中的“少数民族”。所以当我们寻找外星人的时候,不能只盯住类似太阳系的天体系统,首先应该考察考察银河系中最主要的“民族”——红矮星。

没有大气层,一切免谈

当我们抬起双眼,仰望夜空的时候,我们其实遗憾地错过了银河系恒星中数量最多的一类,即红矮星。我们的银河系中70%多的恒星都是红矮星,或者叫做M型矮星,它们比我们旁边的这颗光芒四射的太阳体积小,温度低,也更加暗淡。它们的光芒实在是太微弱了,如果不借助望远镜,我们不可能看到任何一颗红矮星。

实际上,其他星系的情况与银河系类似,各个星系中“人口”最多的“民族”毫无疑问是红矮星。但是长期以来,很少有天文学家投身到红矮星的研究中,几十年来,科学家认为红矮星附近根本不可能有智慧生命。

让科学家如此“看不起”红矮星的原因,是这类天体的体积和亮度与我们的太阳相差甚远。大多数红矮星的直径和质量不到太阳的三分之一,它们的表面温度低于3500K(开氏温度),而太阳的表面温度则是6000K。于是,红矮星释放出的光芒比太阳弱很多,有时它们的光度甚至只有我们太阳的万分之一。

恒星没有足够的光能释放,它周围的行星只能是冰冷死寂的世界,比如在2006年,天文学家曾经发现了一颗与地球大小差不多的行星,它围绕着一颗红矮星旋转,到红矮星的距离是2.6个天文单位(1天文单位就是地球到太阳的距离,大约是1.5亿千米),比火星到太阳的距离稍微远一点儿,可是这颗系外行星的表面温度却是-220℃!

红矮星周围也并非不可能存在温暖的行星,但前提是,行星必须和红矮星十分“亲密”,两者之间的距离非常小。比如2005年人们首度在红矮星旁边发现了行星,这颗行星的质量与海王星接近(相当于16个地球),到红矮星的距离只有0.04个天文单位(约600万千米),受到红矮星光芒的恩泽,这颗行星表面的温度达到了150℃,虽然比水的沸点还高,但毕竟让人们看到了红矮星旁边出现温度适宜行星的希望。

可惜,有些天文学家连这点儿希望的火苗也给掐灭了。他们指出,如果要让红矮星的旁边出现类似地球这样的温暖行星,行星与红矮星将靠得非常近,它会被红矮星的引力完全锁定,也就是行星的一面永远正对着红矮星,而另一面永远背对着红矮星。

这一幕我们其实并不陌生,看一看夜空中的月亮,它永远以一面示人,直到太空时代人们发射了绕月球的探测器,月球另一面的真容才被人们了解。这种锁定其实是潮汐力造成的,地球的引力会让月球发生变形,这样的变形会减缓月球最初的自转速度。长此以往,导致月球的自转周期和公转周期变得一样,于是我们在地球上就只能看到月亮的一面了。

红矮星旁的行星也是如此,潮汐力最终让行星的自转周期和公转周期一致了,它面向恒星的一面,完全暴露在红矮星的照射之下,而另一面则被永恒的黑暗笼罩。在地球上以分子形式存在的气体,比如氧气、氮气等,到了红矮星旁边的行星上,要么被辐射分解,要么被彻底冻住了,这样的星球上不可能出现真正意义的大气层。而且由于行星旋转速度过低,行星的磁场会很微弱,没有自身磁场对红矮星射线的防御,大气层就更不可能出现了。实际上,地球大气层能够形成,是因为强大的地磁场阻挡了太阳辐射,保护了气体不被分解。

没有大气层对温度的调节和对地表的庇护,红矮星旁行星生命的诞生只能是痴人说梦。

臭氧层不是地球的专利

被红矮星锁定的行星注定就不可能有大气层吗?天文学家曾经很悲观地这样想,但如今他们已经不那么悲观了,希望来自两个发现,其中一个发现是,在一颗红矮星旁边的行星上面,天文学家居然观察到了臭氧层!

臭氧层名字虽然不雅,但却是很宝贵的东西。臭氧是三个氧原子构成的分子,臭氧层可以阻挡恒星的紫外线。地球大气层中就存在着臭氧层,它大幅度减少了太阳紫外线的强度,保护了在地表活动的生物,当然也包括我们人类。近些年来,由于人类的工业活动,地球臭氧层遭到了一定程度的破坏,在极地上空甚至出现了臭氧层空洞,对空洞下面的动植物的生存构成了很大的威胁,这让人们非常担忧,还因此全球禁止使用过去冰箱所使用的一种制冷剂——氟利昂,因为这种化学物质会分解臭氧。在红矮星旁的行星上居然发现了臭氧,这真是个天大的喜讯!

现在推测,正是红矮星的紫外线分解了行星上的氧气,氧原子再重新“洗牌”,形成了臭氧,大量的臭氧升空,反过来阻挡了红矮星的紫外线。臭氧层会大大增加行星上出现生命的概率,让人们对在红矮星附近寻找新的生命形式有了更大的信心。

另一个发现来自美国宇航局的研究人员,他们计算后认为,包含了二氧化碳气体和水蒸气的行星大气只要达到了地球大气密度的10%,就足以把行星白昼一面的能量输送到黑夜一面,虽然还不足以让这颗行星“寰球同此炎凉”,却会让行星白昼与黑夜交界处相当大的范围内出现温度比较适宜的区域,给生命诞生提供适宜的温度条件。

虽然在行星黑夜的一面,水可能还是会以固态存在,但如果海水足够深,加上可能存在的大气层从白昼一面输送来的热量,在黑夜一面冰盖的下面,也许会存在液态的水。行星的地热能也会让海洋底部保持一定的温度,甚至是高于冰点的温度。

听上去这样的行星环境依然很残酷,其实如果把它和早期的地球放在一起,让原始生命在两个星球中选择一个作为家园的话,地球还真不一定胜算。早期的地球同样只有稀薄的大气层,和可怜的一点点原始海洋。两个星球的自然环境可谓半斤八两。

生命需要的只是时间

也许“唯地球独尊”派的门徒们会搬出现在的地球来叫板红矮星旁的行星,如今地球上花红柳绿、草长莺飞,红矮星旁边的那些冰冷行星和我们温暖的蓝色家园相比,真是相形见绌。然而,地球能有今天的风光,和几十亿年来生命对地球环境的改造是分不开的。如果地球上没有生命出现和繁衍,地球今天会是什么模样呢?

火星的模样!

美国送到火星表面的火星探测车已经发现了火星上有水的痕迹,比如有些火星矿物只能在水环境中形成;绕火星飞行的探测器也拍摄了大量的火星照片,上面清晰地显示了流水冲刷的沟渠模样。当然,这些水的痕迹并不代表火星表面现在还有河流纵横,火星只不过“曾经沧海”,在这个星球最开始的10亿年中,火星表面的确有河流、湖泊,还会发洪水,一切都和那时的兄弟星球——地球的面貌类似。

但是,由于地球上有生物,特别是古老厌氧生物氰细菌,它们吸收二氧化碳,释放出氧气,经过复杂的过程,不仅改变了地球大气层的成分,还让地球大气层变得更浓厚了。反观火星,始终没有形成足够浓厚的大气层,其大气压力只有地球大气压力的1/150,在这么低的大气压下,火星表面的液态水会在很低的温度沸腾,大部分变成气体跑掉,其余一点残存的水分只能转入地下,或成为深藏不露的地下水,或变成地下永冻层。而火星地表则变得永远荒凉干燥。

所以,生命并非在被动地适应环境,生命实际上是宇宙最伟大的发明,它们具有主动改造环境的能力,而且也的确能把环境改造得更适合自己生活。所以当我们看到红矮星旁行星上的残酷环境时,不必太过悲观,只要给生命足够的时间,它们就可以改天换地,打造出一片乐土。

是的,只要有时间!时间是红矮星旁行星最大的优势,是我们的太阳系和地球绝对无法相比的优势!

同我们的太阳相比,红矮星体积和质量都要小许多,这导致它的内部虽然也在发生核聚变,产生出能量,但核聚变的速度明显比太阳要慢,红矮星内部的引力也不足,所以不能把氦元素聚合,产生更重的元素,也不可能像太阳暮年时那样,会膨胀成红巨星。因此,红矮星的寿命可以达到几百亿年甚至更长,比宇宙现在137亿年的寿命还漫长,所以直到现在,我们在宇宙中还看不到任何一颗死亡的红矮星。

我们的太阳现在已经50亿岁了,正到中年,再过50亿年的时光,太阳就寿终正寝了。可是距离太阳系最近的恒星——比邻星虽然比太阳年长几亿年,在太阳死亡时它却还处在其生命的少年时期,因为它就是一颗核聚变缓慢的红矮星,估计其寿命可以达到千亿年以上!

红矮星寿命如此之长,在它虽不强烈、却足够持久的光芒照耀下,周围的行星中诞生生命的可能性,甚至可能比太阳一类的恒星周围的行星还要大。在我们寻找外星人的活动中,其实我们不要目光只局限在类似太阳的恒星周围,宇宙中数量众多的红矮星旁边,同样对生命敞开了空间。我们不必把望远镜只对准类似地球的行星,那些和红矮星靠得很近的行星上,说不定早已是生机盎然。

该死的耀斑爆发

等一下,我们会不会过于乐观了?生命若想在红矮星旁边安营扎寨,就不得不面对一个非常要命的问题——红矮星频繁的耀斑爆发。

想不想欣赏一下上万亿颗氢弹爆炸的景象?这一幕当然不可能发生在地球上,小小的地球承受不住这样的打击。我说的是恒星的耀斑,也就是恒星表面出现的大爆炸。一次耀斑爆发释放的能量非常巨大,会在几分钟内向外释放出大量的辐射,范围从无线电波到X射线,集中轰炸周围的行星和卫星。

相对来说,我们的太阳还算客气,它只是偶尔来一次耀斑爆发,能量释放也有限。但是红矮星则不然,它的另一个名号叫做“耀星”,其实说它是“妖星”更合适。耀星出现耀斑爆发时,亮度会在几分钟内增大几个星等(每差1个星等,亮度差2.5倍)。比如1948年鲸鱼座的一颗耀星的亮度在3分钟内增强了11倍之多;在1952年,这颗耀星更是在20秒之内亮度就增加了75倍!离太阳系最近的比邻星是一颗耀星,而第二近的巴纳德星,许多学者怀疑它也是耀星。

为什么暗淡的红矮星脾气会如此暴躁?这还得怪罪它的核聚变。我们已经知道,红矮星由于体积和质量小,仅仅刚达到发生核聚变的及格线,所以它的核聚变过程不仅缓慢,而且还不稳定,于是红矮星总是时不时地来那么一次耀斑爆发,这对于红矮星的寿命没有什么影响,但却对行星上可能孕育的生命有致命的破坏。

强烈的辐射会摧毁有机分子内的化学键,让有机分子解体,红矮星旁边的行星会在很长的一段时间里频繁遭受耀斑爆发的打击,行星表面暴露在强烈辐射之下的地方,是不可能允许有机大分子出现的,因此也就不可能出现生命形式,毕竟生命是由许多有机大分子构成的。

如果生命抵御不了红矮星的频繁耀斑,我们在寻找外星人的时候,只好把所有的红矮星都排除在外了。

奥里利亚星球

天无绝人之路,耀斑也阻挡不了生命的顽强。让我们来看看奥里利亚星球上的生物。

这是科学家假想的一颗星球,它和地球的大小差不多,围绕银河系中的一颗红矮星运动。这个假想的世界其实有一个比较真实的版本,那就是距离我们20光年处天秤座方向的一颗恒星和它旁边的一颗行星。这颗行星是2009年被发现的,质量大概是地球质量的7到14倍,算是一颗超级地球,从它和恒星的距离判断,这颗行星上可能有液态水。

在假想的奥里利亚星球上,白昼一面和黑夜一面的温度差造成了永无休止的飓风,如果星球上有液态的水,飓风会在液态水形成的海洋中掀起巨浪。暴风雨洒向陆地,制造出河流和沼泽地,给生命的出现创造了条件。

在我们的地球上,有些生命生活在海底的热泉附近,比如一些类似小螃蟹的生物。还有一些生物在阴暗、潮湿的洞穴中生活。我们可以有把握地猜测,至少在一部分的红矮星旁的行星上,会出现海底热泉和洞穴环境。

假如一些生物在洞穴中诞生,它们将有机会逐渐适应从洞穴深处到洞口的环境。耀斑爆发是最大的麻烦,而洞穴生命有充足的时间去演化出防御结构。比如,这些洞穴中的生命可以演化出不透明的保护壳,当外界环境突然变得明亮无比时,它们会迅速躲入自己的壳中。当防御能力逐渐提高后,洞穴生物甚至可以走到洞穴的外面活动。

除了洞穴之外,行星的群山中也会有一些永远处于阴影的地区。别忘了,行星已经被红矮星完全锁定,站在行星上观察,天空中的“太阳”是静止不动的。在这些永久阴影地区会有一些山峰反射过来的光线,让生命得以利用,而且在耀斑爆发时,这里受到的影响也相对较小,这就给生命提供了灾难来临时的避难之所。

海底热泉附近的生命可能会更加艰难,因为热泉一般位于深海的底部,虽然巨大的水体帮助它们阻挡了耀斑爆发的辐射,但在热泉和海面之间,隔着深深的海水,它们没办法一步步适应环境,最终冲出海面。难道它们就只能永远地在热泉旁边“生老病死”吗?

没那么悲观。看看我们地球,在夏威夷群岛或者冰岛这样的地区,岛屿旁边会出现一些浅水环境,如果红矮星旁的行星上也存在这样的环境,海底热泉生物就有了逐渐适应环境的机会。它们可以在浅水区逐渐磨练自己,演化出抵抗耀斑爆发的身体结构。当能力逐渐增强后,它们最终会从海洋冲出,走向陆地。

在地球上,许多植物有坚韧的表皮层保护内部结构;一些爬行动物进化出了厚厚的鳞片;即使是哺乳动物,在皮肤的表面也有一层死皮,哺乳动物的毛发其实也是死的。由此可见,生物进化出防御结构并不是多么困难的事情,在自然选择的作用下,没有防御结构的生物被淘汰,有防御结构的生物存活下去,并把防御结构逐渐发扬光大。在红矮星旁边的行星上,厚厚的鳞片层或者死皮层就可以在耀斑来临时保护动物的身体,又不影响它们的日常活动。

也许有人会对红矮星旁生命的后代担心,那些“娇嫩”的小家伙们能否在猛烈的耀斑爆发中活下去呢?在地球上,一些动物把自己的蛋产在泥土中,后代在泥土中孵化出来。对于红矮星旁的生物来说,它们的后代可以在泥土或者任何能阻挡耀斑辐射的地方成长,先呆在那里,直到自己也长出了防御结构后,再到阳光普照的地方活动。当然,也许会有一些小家伙一出生,身上就自带了防御结构,即使在出生第一天就遭遇到耀斑袭击,它们也可以安然无恙。

我们应该对红矮星旁边出现生命充满信心。根据天文学家的观点,红矮星不会永远暴躁,随着年龄的增大,红矮星发生耀斑爆发的频率也逐渐下降,直到完全停止。

所以,就算惹不起红矮星的耀斑,但生命总躲得起吧!那些中老年的红矮星偶尔还会有耀斑爆发,但往往要几万年到几百万年才会出现一次,而此时红矮星的余生依旧悠长,足以让旁边行星上从容演化出生命,让生命进化出智慧生命。

我们会不会高估了这些生命对抗耀斑爆发的能力呢?说实话,我们并没有赋予奥里利亚星球的生命什么超能力,只是设想它们同样具备一部分地球生物的能力,比如鳞片这样的防御结构、在泥土中孵化后代的习性,等等,只要有这些很普通的能力,就足以对抗耀斑了。因此,我们确实没有高估它们的能力。

生命在红矮星旁边萌发,注定不会是一帆风顺的,行星被锁定,耀斑频繁爆发,要适应这样糟糕的环境并不容易。但地球早期的生命就容易吗?早期地球的氧气含量很低,从天空中倾泻下来强烈的紫外线,但许多靠呼吸氧气维生的生物还是生存了下来,并等来了发展机遇,还演化出了我们人类这样的智慧生命。

也许此时此刻,在恒星中最大的“民族”——红矮星旁边的一些行星上,生命之树正在萌芽并茁壮成长。既然在红矮星旁边,生命完全可以诞生并演化,那么我们完全可以自信地宣布,外星人遍布在宇宙中。