“生命首秀”的舞臺不是地球

2021-09-02 12:50:11賴天心

科學之謎 2021年6期

賴天心

這些早期恒星的大質量和高溫有助于使宇宙電離，但沒有重元素，生命和可以居住的行星是完全不可能出現的。

我們需要幾代恒星才能形成一個行星系統，可以擁有一個類似地球的行星，它的重元素豐度可以維持我們所知道的生命。

宇宙創造出地球時，它已經活到了90億歲（按照目前科學家的推測，宇宙的年齡是138億歲）。

如果說宇宙需要較多的時間來創造適合生命生存的各種條件，這貌似說不過去。因為當我們研究宇宙中適合生命生存的條件時，發現這些條件在宇宙更年輕的時候就已經具備了，并不需要90億年這么長。

那么，宇宙中生命最早是什么時候就誕生了？這還是個謎。然而我們首先需弄清楚的是，在宇宙中，要滿足什么樣的條件，才適合生命生存呢？

首先是恒星的類型。只有行星能夠在恒星周圍穩定生存下來，它才有適合生命生存的可能。但像比鄰星這樣的紅矮星，它會爆發出更劇烈的耀斑，并剝奪它周圍行星的大氣層。所以即使它周圍的行星有合適的磁場、濃厚的大氣、智慧的生命，受它的影響，這些行星也不可能適合生命持續存在。

其次是恒星的壽命。如果恒星的壽命很短，則難以產生適合生命生存的條件。第一代被稱為“星族Ⅲ”的恒星就是如此。我們需要的恒星至少要包含一些重元素（天文學上，把氫、氦以外的元素都稱為重元素），否則它將活不到足以讓一顆行星變得適合生命生存。而這樣的恒星在宇宙2.5億歲的時候就存在了。

假設形成了這么一顆恒星，它的質量正合適，并且可以持續燃燒數十億年，那我們接下來要考慮的是行星了。

那么，適合生命生存的行星是怎么樣的呢？

按照我們對生命的了解，它需要滿足以下四個條件：一是有能量輸入，譬如地球有源源不斷的太陽能的輸入;二是有維持整個大氣的能力;三是表面上有某種形式的液態水;四是有適當的原材料，讓生命在適當的條件下，可以生存和繁榮。

如果一個行星體積足夠大、大氣密度合適、并以適當的距離繞它的恒星運轉，是有機會成為適合生命生存的星球的。

考慮到宇宙中恒星如此之多，而圍繞恒星形成的行星更是數不勝數，因此不難找到滿足以上條件的行星。

繞恒星運行會提供一個能量輸入，另外，有一個大型衛星，或者只是簡單的地質活動也會如此。無論是來自恒星的能量輸入，還是地質（熱液/地熱）活動，非均勻能量輸入都很容易。有了足夠的碳、氫、氮、氧和其他元素，大量的大氣將允許液態水在行星表面上存在。

具有這些條件的行星在宇宙只有3億歲的時候就已經誕生了。

下一步，我們該考慮碳、氮、氧等重元素的產生問題了。

這些重元素對我們所知道的生命系統來說，至關重要。在星球上形成這些重元素，比形成適合生命生存的其他條件要困難得多，要花費更多的時間。

之所以需要這些元素，是因為有了它們，才能夠在生命的形成和發展過程發生各種各樣的化學反應。

在大型星系外圍的地方，可能要花費數十億年的時間，才能夠有足夠多的恒星產生并死亡，從而產生足夠多的重元素;但是在這些星系的中心，卻不需要這么多的時間。

在星系中心，頻繁上演著恒星的生成與消亡。不斷有新的恒星從前幾代超新星、行星狀星云和中子星合并產生的可循環殘余物（回收殘留物）中產生，這些新恒星的重元素豐度會迅速上升。

即使在我們自己的銀河系中，當宇宙只有7億歲的時候，球狀星團Messier 69中的重元素含量就達到我們太陽重元素含量的22%。

然而，銀河系的中心依舊被認為不適合生命生存。如上所說，這里有恒星在不斷地生成與消亡。只要恒星不斷形成，就會伴隨著一系列壯觀的“宇宙煙花”——伽馬射線爆發、超新星、黑洞形成、類星體和坍塌的分子云等，這些都不可避免地創造了一個“危險”的環境。

在一個星系中，為了擁有一個可以讓生命不斷生長并維持自身的環境，需要使恒星形成這一過程突然結束。而這個星系中，恒星的形成一旦停止，那些對一個宜居世界構成最大威脅的活動（如伽馬射線爆發、超新星、黑洞形成等）也會跟著停止。

這就是為什么最早的、適合生命持續生存的行星可能不在我們這樣的星系中，而是在數十億年前就不再形成恒星的紅色死亡星系中。

今天的星系，大約99.9%仍有氣體和塵埃，因此，新的恒星還在這些星系中持續不斷的形成;而剩下的0.01%的星系，則在大約10億年前或更久以前就停止形成新恒星了。

當這0.01%的星系的外部燃料耗盡時（這可能發生在災難性的大星系合并之后），恒星形成結束。在沒有新的恒星形成的情況下，那些質量更大、顏色更藍的恒星將在燃料用盡時結束生命，而溫度較低、顏色較紅的恒星將成為唯一的幸存者。

這些幸存者如今被稱為“紅色死亡”星系，因為它們所有恒星都是穩定的、古老的，并且不受新恒星形成帶來的暴力影響。星系NGC1277是幸存者之一，更多這樣的星系還可以在我們的宇宙中找到。

在宇宙最早的階段，適合生命生存的地方，可能都是以下這樣的：在一個大星系的非常密集的區域，恒星迅速形成，接下來它發生一次大合并，導致了巨大的星爆，隨后恒星形成突然終止，并持續到無限的未來。

可能僅需要10億年的時間，就能形成具有類似太陽的重元素豐度的恒星和行星，而在宇宙不到20億年的時候它們的形成開始停止。今天的宇宙中大約有2萬億個星系，因此，這樣的星系肯定會存在。

剩下的問題是這樣的星系有多少，在它們當中存在適合生命生存的行星可能性有多大，還有就是星系的時間尺度了。

生命可能在宇宙沒到10億歲之前就已出現，但是要有一個可以讓生命持續生存的環境比僅僅是讓生命產生更難。

當宇宙到20億歲的時候——僅是它當前年齡（138億年）14%——它擁有星系，里面有像太陽一樣的恒星，像地球一樣的行星，并且沒有什么東西阻止生命的產生或維持。

在這些星系中，應該已經出現了生命的“成分”，并且已經擁有了我們所知道的適合生命生存的條件。

但是，這些生命的“成分”，是如何在適合它們生存的條件里，一步步發展成為實際存在的活生物體的，目前科學家們也尚不知道。