互动科普

在科幻作品中，我们常常可以看到星际旅行家拜访银河系里的奇异地方，遇到许多希奇古怪的外星人。不管旅行家们飞到哪里——银河中心、球状星团、恒星形成区、双星、红矮星等等——都早有人布置好一种文明在那里生存。科幻作家们之所以必须如此善于创造，其原因之一是由于科学家总是在泼他们的冷水，迫使他们只有不停地寻找新的生命栖身之地。

以前，猜测智慧生命在月球、火星、金星、木星甚至太阳上生存曾是再正当不过的事情，现在我们知道挖掘运河的火星人以及太阳内部凉爽的绿洲等等全都是异想天开的臆测。科学的发展迫使科幻作家把他们的主人公安放到越来越遥远的星球上，但科学家们也如影随形地紧跟其后。现在研究人员又把怀疑的目光投向了智慧生命在银河系中普遍存在这一说法。太阳系中大多数地方不适合多细胞生物生存，而银河系中的大多数地方也是如此。

在某一行星系统内，天文学家们用“恒星周围可栖居区(circumstellar habitable zone，缩写为CHZ)这一术语来描述适合生命存在的最佳区域。虽然CHZ的具体定义多种多样，但研究人员公认CHZ应该是恒星周围的一个区域，其中液态水能够在一个类地行星的表面上存在数十亿年之久。这个区域是环形的(见下页图)，它的内边界应该是行星围绕其母恒星运转而又不会使行星海洋的永散失到空间的最近一条轨道。在最极端的情况下恶性发展的温室效应将占支配地位，使海洋的水蒸发殆尽（金星上发生的就是这种情况)。CHZ的外边界则应是行星的海洋不致完全冻结的最远一条轨道。根据基本的恒星理论，天文学家们能够推断出任意质量恒星的CHZ的大小（参看本刊1988年6月号James F．Kasting，Owen B．Toon及James B．Pollack所著“类地行星气候的演化”一文）。

很显然，其他许多因素也对行星是否适宜居住有所影响，包括其轨道的偏心率、是否有大卫星相伴以及是否有巨行星存在等，更不用说其生物学特性的细节了。然而，如果一颗恒星的轨道在CHZ之外，那么上述所有因素便可能无足轻重了。类似地，如果整个行星系统位于银河系一个不适宜生命发展的区域内，那么CHZ的位置也就无关紧要。

因此，1999年，我们把CHZ的概念推广到星系上，提出了“星系可居住区”(galactic halitable zone，缩写为GHZ)这一新概念。GHZ界定了银河系中最适宜居住的地方，即距银心既不太近也不太远的区域。我们并非考虑这一更广阔范围内的可居住问题的始作俑者。过去10年来，马里兰大学与加利福尼亚大学的VirginiaTrimble一直在撰文介绍星系化学成分与生命存在的必要条件之间的联系。但是近年来这方面出现了一项重大的突破——在类日恒星周围发现了木星大小的巨行星。并非每个类日恒星都有这样一种行星。事实上，迄今为止所发现的巨行星主要存在于富含比氦重的化学元素的恒星周围(天文学家把比氯重的元素一概称为金属”)。这种相关关系意味着金属含量是形成巨行星的一个重要因素。目前主要的搜索方法还不能探测出地球大小的行星。同时，天文学家对于银河系的恶劣环境也有了新的更清醒的认识——事实上银河系到处都有爆炸的恒星，常常发生近距离的恒星相遇。即使行星的确存在，它们也不一定就适合复杂的生命形式生存。

外星生命藏在哪？

GHZ的边界由两个条件确定，第一是要有物质来形成一个适合生物栖居的行星，第二是要能避开来自宇宙的种种威胁。化学元素如何组合成地球的过程已经被现代宇宙学、恒星天体物理学以及行星科学所阐明。大爆炸基本上只产生了氢和氯。其后100亿年间，恒星把这一原始混合物加工成丰富多彩的各种元素。在星际介质内，金属原子数目与氢原子数目之比——即所谓“金属度”——逐渐增加到其现今的值。

这些金属是类地行星的基本结构单元，它们的丰度影响着可能形成的行星的大小。而行星的大小又决定了它能否留住大气并维持地质活动。此外，没有足够的金属，就不可能形成巨行星，因为巨行星是围绕具有某一最小尺寸的岩质核心凝聚而成的。对太阳系外行星的观测已开始逐步界定形成巨行星所需的金属度。通过观测发现，任何恒星的金属度只要小于太阳金属度的40％，其周围就不存在巨行星。2001年发表的一项研究报告指出，哈勃太空望远镜未能在杜鹃座球状星团47中发现任何行星，而该星团的恒星其金属度只有太阳金属度的25%（参看本刊2000年12月号Laurance R. Doyle，Hans-J?rg Deeg及Timothy M. Brown所著“寻找其他地球的影踪”一文）。

反之，金属度过高可能也是一个问题。此时类地行星将更大，而且，由于其引力更强，它们的挥发性化合物将较高，但地形的起伏却较小。这些因素和起来将使得类地行星完全被水覆盖的可能性更大，而这种情况对生命是不利的。在地球上，陆地与海洋的适当搭配对大气温度控制和其他过程起着很重要的作用。金属度过高也会使原行星盘密度增大，从而使巨行星移动位置（参看本刊1999年12月号Renu Malhotra所著“迁徙的行星”一文）。这一轨道迁移的后果之一是，它将把所有较小的类地天体完全赶出太阳系外，或者把它们推进太阳中。这正如大象四处游荡时，蚂蚁便遭了殃一样。

澳大利亚新南威尔士大学的Charles H. Lineweaver在最近的一项研究中探讨了行星形成及迁移对金属度的依赖关系。他假定形成类地行星的概念与母恒星的金属度成正比，因为恒星与行星是从同一团尘埃与气体云中生成的。根据太阳系外行星的统计资料，他推断出巨行星迁移的概率随着金属度的增加而急剧增大。当金属度为太阳金属度的300%时，巨行星的迁移就是不可避免的了。Lineweaver的计算只是初步的，但这些计算结果提示．对于形成具有稳定轨道的地球质量的行星来说，接近太阳金属度的金属度值可能是最理想的。

厚银盘与薄银盘

银河系中只有部分区域满足这一条件。天文学家通常将银河系分为四个有重迭的区域，即银晕、银鼓、厚银盘与薄银盘。每个区域中的恒星都绕着银心转动，就像太阳系中的恒星绕着太阳转动一样。银晕和厚银盘中的恒星通常是老年的贫金属恒星。这些恒星的周围不大可能形成像地球这样大的类地行星。银鼓中的恒星其金属度分布在一个较宽的范围上，但该区域的宇宙辐射强度也相当高。

薄银盘是太阳的所在地。薄银盘气体的金属度随着到银心距离的增加而递减在太阳的位置上(距银心为8．5千秒差距，即28000光年)，金属度以每千秒差距l7％的速度下降。金属度的对数(天文学家们以“dex”为单位来表示该值；按照定义，太阳金属度的对数为0dex)随距离的增加呈线性下降，其斜率为每千秒差距-0.07dex。观测人员利用不同类型恒星及星云的光谱特征来测量金属度梯度。只是在过去三四年中．用不同方法得出的指标才开始汇集到一个统一的答案上，而现在我们知道，与银河系相似的星系也具有类似的星系盘金属度梯度。

这一梯度是恒星形成速率的差异所造成的。离银心越远，气体就成比例地越少，因此形成的恒星也越少。这样银河系外部区域积累起来的金属比内部区域少。在整个银河系中，恒星形成速率大约在80亿到100亿年前达到最大值，而自那之后一直在下降。现在太阳附近地区的金属度以每10亿年8％的速度增加。随着可用气体的量的减少，金属度增长的速率将会越来越慢。把银盘金属度梯度及其变化情况考虑进去，我们可以在空间和时间上给GHZ定出大致的界限（参看54页图示）。现今形成的其金属度为太阳金属度值的60％到200％的恒星通常都位于距银心4.5千秒差距到11.5千秒差距这一区域内，而这一区域中的恒星仅占银河系恒星总数的20％左右。此外，太阳附近一带的典型恒星直到距今50亿至60亿年前时，其金属度才达到60％这一阈值。太阳本身的金属含量则比银盘中同一时间和同一地点形成的其他恒星高出40％。这一高出来的金属含量可能使地球上的生命发展占了先机。

宇宙中的“铁幕”

人们可能提出这么一种反对意见：金属度与所探测的行星二者间的相关性和因果关系并不是一回事，或许这其中的因与果其实正好颠倒了过来；不是恒星的金属度高导致巨行星的存在，而是巨行星的存在使得恒星具有较高的金属度。如果巨行星有坠入恒星的倾向，从而增加恒星的金属含量，那么这种情况就可能发生。大多数天文学家现在认为，恒星的确会吞食行星以及更小的天体。但是类日恒星的外对流层极其庞大，而且混合得非常充分，因此，要想完全解释在有行星围绕的恒星中所观察到的高金属度，这些恒星就必须吞进多得不合情理的行星物质。

另一项反对意见是，金属度与巨行星的存在之间的相关性可能是一种观测偏差。在贫金属恒星的周围找到行星的难度更大；目前搜寻行星的主要方法依靠的是恒星的谱线，而恒星的金属含量越低，谱线就越弱但是行星探测效率只有在恒星的金属度降至太阳金属度的10％以下时才会受到显著影响，而10％的金属度已远远低于形成巨行星所需的40％这一阈值。观测到的金属度与恒星的相关性是非常真实的。

为了使行星适于生物栖息，金属度并不是化学成分方面唯一的一项前提。不同元素的相对丰度也起着重要的作用。地球上最丰富的元素主要是在超新星爆炸中产生的，而超新星爆炸有两种基本类型。Ⅰ型超新星绝大多数是白矮星爆炸的结果，它主要产生铁、镍和钴。Ⅱ型超新星则是大质量恒星内爆的结果，它主要产生氧、硅、镁、钙和钛等。Ⅱ型超新星也是极重元素（如钍和铀等)的唯一天然来源，这一点非常关键。

由于银河系中的恒星形成正在减弱，因此超新星爆发的总的速率随之下降，而Ⅱ型超新星对I型超新星的比例也在减小。Ⅱ型超新星与短寿命的大质量恒星有关，因此它们的发生速率紧随着恒星形成速率的变化而变化。另一方面，I型超新星的发生率依赖于长寿命的中等质量恒星的产生情况，因此它对恒星形成速率的变化的响应就慢得多。

由于超新星比例的变化，新形成的类日恒星其含铁量比50亿年前形成的恒星要丰富。这就意味着在其他条件相同的情况下，今天形成的一颗类地行星其铁核也相应地大于地球的铁质地核。此外，在45亿年的时间里，它从钾、钍和铀等元素的放射性衰变中获得的热量也要少40％。这些放射性同位素产生的热量是推动板块构造的动力，而板块构造在调节地球大气二氧化碳含量的地球化学循环中起着至关重要的作用。或许今天形成的类地行星同金星与火星一样是单板块行星。金星上缺乏板块构造是造成金星上极端恶劣的条件的原因之一（见本刊l999年6月号Mark A．Bullock与David I．Grinspoon所著“金星上的全球气候变化”一文）。但是我们还不了解行星的地质特性与其内部热流之间的相关关系的每一方面。

危险！危险！

即使你设法在适当的时刻把所有必要的原子搬到适当的地点以建造出一个类地行星，你可能还是无法理直气壮地给它贴上一个“适于居住”的标签。生命栖居还有一个条件是必须让行星处于安全状态，避开所有可能的威胁。这些威胁可以分为两类，即小行星和彗星的撞击以及辐射的冲击。

在太阳系内，小行星撞击的频度取决于木星轨道及其形成过程的细节；银河系的其他区域对此并无直接影响。但是彗星的威胁则与星系环境关系极大。据认为彗星聚集在两个长期存在的彗星区域内，其中一个是柯伊伯带(始于海王星轨道外侧)，另一个是奥尔特云(它一直延伸到太阳至最近一颗恒星的中途)。其他恒星可能也有类似的彗星区域。对周边年轻恒星所作的红外观测表明，大多数这类恒星都被过量的尘埃围绕着，这与存在柯伊伯带天体是吻合的。不久前在高度演化的明亮恒星IRC+l0216周围探测到水蒸气的事实被认为是彗星正在蒸发的证据。绘架座β星——一颗有尘埃盘的年轻恒星——的某些谱线形状的变化可能就是由坠入该星的彗星造成的。

由于奥尔特云的彗星与太阳的联系非常微弱，因此不费多大的力便可改变其方向，使它们直奔内太阳系的行星而来。星系的潮汐力、巨大分子云或从恒星附近路过等对彗星的拉动都可能使其方向改变（参看本刊1998年12月号Paul R．Weissman所著“奥尔特云”一文）。这类扰动发生的频度与我们在银河系中的位置有关。距银心越近，恒星密度便越大，因此与恒星的密近会合也就越多。此外，从富金属云团中形成的行星系统，其所包含的彗星可能比从金属含量较低的云团中形成的行星系统所包含的彗星更多。因此，内银河系的行星系统所遭遇的彗星流将比太阳系更强。虽然这样一个行星系统的外奥尔特云将会更快地耗尽，但它也能更快地从内奥尔特云得到补充。

在银河系内侧区域中，高能辐射问题更严重。行星的磁场可以挡住一定强度以下的多数粒子辐射，而其臭氧层则可以挡住危险的电磁辐射。但是能量足够高的辐射可使大气层电离，产生其数量足以破坏臭氧层的氮氧化物。进入大气层的高能辐射也能释放出致命的次级级粒子簇射。

危害最大的辐射事件按其持续时间由长到短来排列依次是活动星系核爆发、超新星以及伽玛射线暴。银河系的核目前正处于相对不活跃的状态，银河系中心的超大质量黑洞似乎也在休眠期。但是对其他星系的观测结果提示，当一个恒星或星团游荡到距星系的中心黑洞太近以致被拖进这个死亡陷阱时，中心黑洞有时会活动起来，其结果是爆发一次强烈的高能电磁辐射及粒辐射。大多数辐射以喷流的形式沿着银河系的旋转轴喷出，但是许多带电粒子将会在银河系磁场的作用下沿螺旋形轨道运动，从而充满银河系各个角落。在这样一次辐射爆发中最危险的地方是银鼓。这个区域不仅总的辐射强度很高，而且其中的恒星通常具有高度倾斜的椭圆形轨道，这样的轨道可能使恒星接近银核或射流。

由于银河系内侧的恒星密度较高，因此超新星爆发与伽玛射线暴的威胁也更大。对超新星残骸的现测表明，在太阳到银心的距离约60％的位置上，超新星爆发的频率最大，相当于太阳系这个位置上超新星爆发频度的1.6倍。来自伽玛射线暴的威胁则仍然不甚明朗；天文学家尚不了解是什么事件触发了这些猛烈的爆炸，也不知道它们发出的辐射的密集程度。只是我们的运气实在是好，至今未遭到这样一种死亡射线的袭击。

辐射也可能从一开始就阻止生命的出现类日恒星并不是孤独地形成的，它周围通常还有其他低质量与高质量的恒星。大质量恒星发出的紫外辐射也较强，这些紫外辐射会侵蚀围绕近邻恒星的星周盘，从而降低巨行星形成的机会。博尔德科罗拉多大学的John Bally及其同事估计，仅有大约l0％的恒星躲过了这类骚扰。这一事实可以解释为什么邻近只有3%的类日恒星发现拥有巨行星。

所有这些威胁综合起来后，意味着星系可居住区的范围还是相当宽的，其边界则比较模糊。但是如果我们把接近共旋转圆(corotation circle)也作为GHZ的一项要求，那么GHZ就非常狭窄了。共旋转圆是恒星轨道周期与银河系的旋臂的转动周期相等的区域。当恒星轨道在共旋转圆上或非常接近共旋转圆时，它穿过银河系旋臂的次数便较少。它需要较长时间才能穿越旋臂，但更重要的是它两次穿越旋臂之间的间隔期也相当长。最近对太阳附近恒星的动力学特性所作的测量表明，太阳轨道非常接近共旋转圆。银河系旋臂看起来可能很漂亮，但我们最好还是站在远处欣赏它为妙，因为旋臂内部频繁的恒星形成和巨大的分子云将使复杂生命形成所面临的危险大增。

消灭反论？

从现有研究工作的进展来看，我们离搞清GHZ的细节还有一定的差距。对彗星星系核超新星、伽玛射线暴及恒星动力学的持续研究将有助于锁定哪些因素将对生命构成威胁。但是，即使是现在，我们对GHZ也有了一个概括的了解。银河系的内侧区域存在着轨道不稳定辐射爆发及彗星扰动等种种危险。外侧区域要安全一些，但由于外侧区域的金属度较低，因此那里的类地行星通常较小。GHZ看来应该是银盘内大致在太阳位置上的一个环形区域（见5l页图）。GHZ是一个与可能性有关的概念：并不是说GHZ内的每一颗行星肯定都适于生物栖息(也不是说GHZ外的每一颗行星肯定都是不毛之地)，而只是说在GHZ内适于生物居住的可能性要大得多。随着星际气体逐渐达到太阳的金属度，GHZ也一直在慢慢地向外扩张。

GHZ的观念对于寻找地外智慧生命有重要的作用。例如，它可以确定复杂生命形式最有可能形成的区域，这样研究人员就能相应地调整自己的搜索方向。我们已经能够相当有把握地说，球状星团、外银盘和银心不是理想的搜索目标。GHZ观念对于围绕着费米反论所展开的争论也有影响。费米反论的大意是说，如果银河系存在着众多的其他文明，我们应该能看到其存在的蛛丝马迹；既然我们看不到，那么说明我们可能是独一无二的文明（参看本刊2000年10月号Ian Crawford所著“他们究竟藏在哪里”一文）。为了避开这样一个结论，人们提出了种种论据，其中之一是外星人可能没有什么动机要离开它们的家乡并把它们存在的迹象向四面八方到处散布。但是，如果我们关于GHZ的设想是正确的，那么我们就是居住在银河系的一个特别舒适的区域中。任何文明要寻找新世界，毫无疑问会把我们太阳系列入他们的搜寻目标清单中。GHZ理论也动摇了银河系太大，因此星际探险者或殖民者忽略了太阳系的说法。GHZ可能相当大，但它只是整个银河系的一部分，任何星系旅行者多半都会在这一环形区域中漫游而不会盲目地穿过整个银河系。

此外，GHZ观念不仅在空间上，也在时间上限制了适于生物牺居的范围。银河系曾有一段超新星频繁爆发、银核活动强烈的时期。只是在过去50亿年间，文明才有可能安全地发展起来。太阳的较高的金属度或许使人类占了先手。因此，GHZ观念可能为我们摆脱费米悖论提供了一条至少是部分可行的出路：复杂生命非常罕见而且高度孤立，因此我们事实上确是独一无二的。诚然，这些说法仅适用于复杂生命；简单的有机物(如微生物等)能适应范围广泛得多的各种环境。

银河系以外的广大宇宙的情况看来比银河系更不理想。局部宇宙的80％左右的恒星聚集在光度低于银河系的河外星系中。由于星系的平均金属度与其光度相关，因此可能整个河外星系内找不到多少地球大小的行星。另一种效应与星系内的恒星动力学有关。椭圆星系内的恒星就像围着蜂箱嗡嗡乱飞的一群蜜蜂一样，其轨道是随机化的，因而更容易经常进入这些星系的危险性更大的中心区域。银河系在许多方面都异乎寻常地适于生命居住：这个盘状星系的轨道很有规律，危险的活动比较少，金属含量丰富。不过这种情况或许不会持续很久了。据预测仙女座星系在大约30亿年后将与银河系有一次密近会合，这一事件将使银盘内的大多数恒星脱离其原有的规则轨道。它也可能将新鲜燃料注入银河系的中央黑洞，使其猛烈爆发，这多半会给地球上的居民带来很不妙的后果。

简单真理的杰出阐述者Douglas Adams曾对他眼中的过去几个世纪天文学研究成果作了下面这样一个著名的概括：银河系西旋臂终端一个毫不起眼的偏僻的地方，就是我们那小小的、黄黄的、不起眼的太阳之所在。”但情况往往是这样，时髦的东西未必舒适。而我们居住的地方，却是宇宙的一块“黄金宝地。”

【陈兴立／译 曾少立／校】