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2018-3-1

银河系的宜居带

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 4:43 pm

恒星宜居带这个名词应该可以说是众所周知了。它描述的是一个恒星系统中可以允许行星地表存在液态水体,因此宜于生命存在的区域,对于系外行星甚至生命搜索而言意义重大。虽然细究起来其定义仍有值得推敲之处,但总的来说概念还是相对明晰的。那么银河系的宜居带又是怎么一回事?难道在某些区域,哪怕行星处在恒星的宜居带内,其上也不可能有生命存在?

这个问题的答案倒不是那么确定。所谓银河系宜居带,其定义只不过是河内最有可能孕育生命的地域。早在上世纪70年代,行星科学家以及天体生物学家就开始探讨在液态水之外其他维系生命存在的必要条件了。1981年,Jim Clarke提出人类未能找到地外智慧生命的原因是银河系中心黑洞的活动星系核式爆发,只有地球因为所在区域的缘故,得以免遭吸积黑洞系统的轰击。当然,银心黑洞的活跃性离活动星系核的标准还差得很远。不过在此之后不久,银河系宜居性问题开始进入研究者的视野,其所涉及的因素也得到了一一探讨。

根据现有认知,生命的出现不仅需要水分,还要有条件适宜的行星,尤其是类地行星。而行星能够诞生的前提,就是恒星周边存在数量较多的“金属”元素,从天文学角度而言指的是除了氢和氦之外的其他重元素。当然,如果没有足够的金属,水分以及有机物的形成也都是不可能的事情了。所以金属丰度满足一定要求是探讨一个星系之中环境宜居与否的首要条件。(这里探讨的前提是我们所认知的生命,至于那些基础飘忽的纯想象能量生物……暂且就不去管它了。)

重元素在一个星系之内的分布绝非处处均匀的铁板一块。源于宇宙创世大爆炸的主要元素只有氢和氦,其他成分都是随后由恒星核反应以及超新星等天体爆发陆续形成的,恒星诞生的时间越晚,其内重元素的数量也就越多。根据铁元素相对氢的丰度比例,我们可以将银河系内的恒星分为I、II两个星族,前者主要分布在银盘附近,年龄方面较后者更加年轻,铁元素的含量也要高上许多,我们所环绕的太阳就是其中的代表。星族II则主要散布在银晕中,来自更为久远的年代。从孕育生命的角度来看,星族I所处的区域显然更加合适。

银河系中的基本星族分布,基本上越靠近银盘,金属丰度越高。(图片来源:Wikipedia

但重元素的数量并非多多益善。在一颗特定的恒星周围,过多的重元素会让气体巨行星更容易形成。倒不是说生命完全不可能出现在这样的行星上(毕竟有漂浮生物之类的设想),但它们在随后的演化过程中,有较大概率会发生迁移,变成距离主星极近的热木星。这一过程不仅会摧毁其上一切可能的生命形态,还会沿途扰动主星宜居带内其他的行星,影响它们的轨道稳定性和宜居环境。恰到好处的金属丰度其实很难估计,不过总的来说,研究者一般还是会集中关注富含铁的年轻星族的,今天的银盘绝大多数区域也不至于有重元素超标之虞。

足量的重元素对于生命的存在必不可少。这其中,相当一部分都是在超新星这样的剧烈事件期间合成并扩散到宇宙空间中的。所以超新星爆发对于生命的形成是前提和保证。但另一方面,这些事件也会释放出大量的宇宙线和高能电磁辐射,危及附近的已有生命。在产星活动剧烈、超新星爆发频繁的环境下,生物很难安全地演化下去,银河系中心就是一个例子,这里因为数十亿年前发生了过多的超新星爆发,至今余波未平。同理,活动星系核或是其他黑洞系统的近邻也不太可能有生命诞生。

考虑金属丰度和超新星因素后,银河系当今和过往的宜居性分析图。(图片来源:Lineweaver et al. 2004

此外,如果星系本身也存在非均匀的结构(包括旋臂或中央的棒状物),也可能会影响生命的存活与否。比如很早之前就有人提出,历史上的数次生物大灭绝与太阳系穿越银河旋臂,期间所受的引力扰动让奥尔特云中的彗星改变运动方向并袭击地球有关。甚至还有说地球生命之所以能够延续,是因为太阳环绕银心运行的轨道正处共转区,这里恒星的公转速度与旋臂结构本身几乎相同,因此太阳两次穿越旋臂的间隔达到了最大,所受旋臂的引力扰动也就达到了最小化。但共转区的问题在于,棒旋星系的棒状结构也要随着时间的推移而扩张,最终增长到这里,扰动附近的恒星。虽然这些假说到现在为止还只是假说,但背后的原理却值得正视。

更通用地看,星系的大小和形态也要影响其中的宜居性。总的来说,星系越大,其中的恒星数量越多,可能宜居的星球也就越多。而椭圆星系体积虽大,其中却缺乏金属成分;产星率较高的小型星系又容易发生超新星爆发,短期来看不利于生命存在。像银河系这样产星率每年只与太阳质量相当的大型椭圆星系则较为合适,如果体积再大一些、产星率再低几倍则更优。

与先前介绍过的恒星宜居带不确定性相比,银河系宜居带的争议更多。首先大多数研究者只是提出了影响星系宜居性的大原则,并未给出河内何处宜居的具体范围。虽然自2004年之后,这一情况虽然有所改观,有多种模型陆续指明了银河系宜居带的区间所在,甚至还有该区间随时间的演化情况,但如前文所述,这里的宜居性也并非像恒星那样是明确说明了生命存在的可能与否,而只是描述了生命出现概率的高低。所以银河系(以及其他星系)宜居带只是一个参考,其内的真实生命分布范围不一定局限于带内。

Lineweaver et al. (2004)预言的银河系宜居带区间,以绿色表示。(图片来源:Wikipedia

 

参考资料:

[1] Lineweaver, C. H., Fenner, Y., Gibson, B. K. 2004, Science, 303, 59

[2] Gowanlock, M. G., Patton, D. R., McConnell, S. M. 2011, Astrobiology, 11, 855

[3] Galactic Habitable Zones

[3] Giant Galaxies May Be Better Cradles for Habitable Planets

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