银河系中至少有36个外星文明?

subtitle 史说有语 08-25 18:41 跟贴 2 条

即便在新冠疫情全球大流行期间,还有些人不忘仰望星空。

我们连外星人的影子还没见着,竟然就有科学家算出银河系中的外星文明数量是36个了。这个数字如何算出?我们能联系上外星人吗?

经典科幻小说《银河系漫游指南》中,超级计算机"深思"给出了宇宙生命和万物的终极答案:42。但是,根据英国诺丁汉大学的两位天文学家Tom Westby 和Christopher Conselice最近发表在《天体物理学杂志》的论文,他们计算银河系中有通讯能力的文明数量时,得到的神奇数字是 "(至少)36"。

人类文明真的有36个邻居吗?它们都在哪儿?

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▎让地球为银河系代言

银河系中,类似太阳的恒星数以亿计。科学家们如今知道,它们大多伴有行星。因此在谈到外星文明时,我们一般默认其存在,唯一的问题是:"它们都在哪儿?"我们望向太阳系各个冰冷的角落、银河系中的遥远星座。但经过数十年的寻找后,天文学家们还是两手空空。

这就是所谓的费米悖论:按照概率来说,银河系应该是"万家灯火"的生命摇篮,但我们连一个外星文明也没找到。针对费米悖论,地球上的学者提出了多样的解释。其中最有说服力的答案大概就是:或许我们只是一直高估了智慧生命的普遍性而已。

地理学家Peter Ward 和天文学家Donald Brownlee提出了"地球殊异假说",指出银河系适宜复杂生命生存的行星系统和星系区域是非常稀少的,地球、太阳系只是"特例"。但这种有点自大的假说并不被广泛接受,它与"哥白尼原理"(地球并不处于宇宙的中心,或者在宇宙中任何的特殊位置)也背道而驰。

哥白尼在16世纪首次提出了这一观点——这个看似简单的视角变换,启迪了哥白尼本人的日心说和爱因斯坦的广义相对论。后世的科学家将这一概念进一步拓展,即人类并不处于宇宙中任何优越的位置。我们只是"普通星系中一颗普通行星上的普通观察者"而已。

△卡尔·萨根有过不少类似的表达,如"我们的星球不过是一粒孤独的微尘,笼罩在巨大的宇宙黑暗之中。"图为卡西尼号在土星轨道回望地球(来源:nasa.gov)

诺丁汉大学的两位研究者,正是基于同样的视角来计算银河系中外星文明的数量。他们指出,由于地球生命不应被认为有任何特殊之处,那么支撑地球生命的液态水等条件也不该被认为有任何特殊之处。因此,无论是否符合这些条件,银河系中各处智慧生命出现的概率应该和地球是一致的。

他们根据这种"天体生物学版哥白尼原理",对计算星际文明的经典"德雷克方程"进行了修订。

▎"无解"的德雷克方程

1961年,康奈尔大学的行星天文学家弗兰克?德雷克率先用无线电波搜寻"E.T"几个月后,召集了几位顶尖的美国科学家,探讨外星文明探索的未来。

德雷克列出了一系列他觉得重要的问题,这些问题的答案都可能会影响未来搜寻的成功率。其中的一些问题,比如"恒星形成的平均速率""每颗恒星拥有行星的概率",我们可以通过日积月累的科学研究,最终得到确切的答案。其他的问题,比如"哪些行星可能孕育智慧生命""智慧生命何时学会向宇宙发送信号",科学家至今也只能猜测。

即便如此,德雷克意识到:将这些问题的答案综合到一起,就可以得到银河系文明数量大致的估算。如此炮制的方程也被称为"德雷克方程"。

△德雷克方程(来源:seti.org)

德雷克方程共有7个项,其中的每一项最初都是难以破解的宇宙之谜——首先是估算星系中的恒星数目,在此基础上计算这些恒星的宜居带内(宜居带上的行星能够支持液态水的存在,这是已知支持生命的必要条件之一)有多少行星公转,再估算多大比例的行星可以孕育出生命、多大比例的生命能演化出智慧,多大比例的智慧生命有能力开展星际沟通。德雷克方程的最后一项,是这些文明向太空发射信号的持续时间。

在方程提出后,不断有科学家对各个项的值提出自己的推测。随着天体物理学的发展和天文观测数据的不断积累,德雷克方程中的某些值变得越来越"已知",有望将德雷克方程中的一些"变量"改写为"常量"。例如,太空望远镜提供的观测结果确认了系外行星尤其是宜居带行星的普遍存在,随着下一代太空望远镜(如詹姆斯·韦伯空间望远镜)进入轨道,人类将进一步加深对系外行星的了解。

但是德雷克方程的后面几项,科学家至今还是只能靠猜想。我们甚至可以说,因此德雷克方程暂时是"无解"的。根据各项值的不同,德雷克方程的解可以从零到数十亿不等。这种误差值几十个亿的估算,当然谈不上有什么用。

△弗兰克·德雷克与数学再好也算不出来的同名公式(来源:seti.org)

何况,有些过于肯定的"已知"或许限制了我们寻找外星文明时的想象力——如果一些外星生命不需要液态水呢?如果一些外星生命不以碳元素为化学基础呢?这也是德雷克方程的问题所在。这个方程的前提假设(比如外星生命需要水)如果发生了变化,其计算结果可能就会完全不一样。

但在新论文作者之一,天体物理学家Christopher Conselice看来,德雷克公式更像一个帮助思考的工具,而不是用于提供终极答案。鉴于我们对外星人一无所知,天文学家做出一些猜测也是无可奈何的事情。

△天文学家Sara Seager根据德雷克方程提出了自己的"Seager方程",用于计算我们可观测到的外星生命迹象数目,而不是计算外星文明(来源:《新科学家》)

他认为,随着一个又一个太空生命探索的扑空,人类对外星文明存在的期望值有个"从乐观到悲观"的转变。这种心态原本无可厚非,但我们其实不必追求完美主义,而是可以借助如今逐渐丰富的信息,做出一些更加合理的推测。"放到几年前,这篇论文我们写不出来。" Conselice说。

在最新的论文中,他与合作者Tom Westby就做出了两个非常大胆的假设。

▎对外星文明的悲观预测

在第一个假设中,Conselice与Westby不能免俗地用地球这个唯一已知产生了智慧生命的行星,作为其他类似文明的范例。

人类在地球形成后约45亿年出现,并开始向太空发射无线电波。两位研究者假设,根据哥白尼原理,其他"类似地球"、处于宜居带的行星,在形成后50亿年内也会产生智慧生命。

研究者还将这一假设分为强弱两种限制情况。在强限制中,所有类似地球的行星,在形成后45亿年~55亿年间一定会产生智慧生命。强限制下的计算结果是:银河系中至少存在36个外星文明。此结果的误差范围较大(4个到211个),但总体而言不乐观。"搜寻外星文明研究所"(SETI)的天文学家Seth Shostak玩笑般指出,这比《星际迷航》中出现的外星人种族还少几十个。

△新论文中,作者提出的外星文明计算方程。新方程在逻辑上与德雷克方程类似,但假定所有类地行星都将产生智慧生命(来源:omnicalculator.com)

而在弱限制中,类似地球的行星在形成50亿年后的任意时间点都可能产生生命,但其延续时间最长也不会超过50亿年——弱限制的情况让人看到更多希望,其计算结果是:银河系至少存在100~3000个能够与我们沟通的外星文明。

考虑到银河系的广袤,研究者最乐观的估计(3000个文明可进行星际通讯)也显得十分微不足道——银河系约有2500亿颗恒星,大部分恒星都伴随行星,为什么概率这么渺茫?

最大的限制因素在德雷克方程中已有体现,那就是外星文明的寿命。德雷克方程中的前6项,能够告诉我们智慧文明产生的概率,但最后一项限制了这些文明能不能被找到——即使银河系产生了大量的外星文明,如果其中多数都已耗尽资源或最终毁灭,也不会与人类建立沟通。

人类才掌握无线电技术100年左右,就同时面临着核战争和气候变化两大危机。高等文明能够持续多久,大概取决于如何应对这些"自毁倾向"。

△灭霸:"才36个?"

在最新的论文中,两位作者在文明的延续方面较为悲观。他们的第二个假设,极大地限制了所得通讯文明的数量:外星文明向银河发射信号的持续时间,有着和人类文明一样的最低值,即100年。如果将这一期限稍作延长的话,预计能找到的文明数量会显著增长。但这个期限具体应该是多长?人类文明还太过年轻,大概还无法回答这个问题。

▎反对的声音

这项研究的结论,许多天文学家不以为然,甚至提出异议。他们认为,研究中第一项假设(类地行星必然产生生命)过于乐观,而第二项假设(文明最短只能延续100年)又过于悲观了。

有学者提出,以地球为唯一样本,或者作为绝对的"典型"是不妥的,因为人类有严重的"赢家偏见",把自身的成功经历套用到整个银河系不太严谨。比如,我们的太阳就不属于银河系中常见的红矮星,而是"少数派"。另外,和地球形成时间差不多的火星也处于宜居带内,但那里至今没有智慧生命的迹象。

△太阳属于G型主序星,这类恒星在银河系中的比例远小于M型红矮星(来源:quora.com)

此外,"类地行星"的概念目前也比较模糊,许多类地行星并不完全和我们所理解的地球类似。例如,"开普勒-10b"这样的极端熔岩行星也被归入类地行星,但该行星上的环境可谓"极端",大概无法产生生命。

统计学家在无法对整个群体进行取样的时候,往往会取一定数量的样本,然后总结出规律(例如对野生动物的研究)。问题在于,天文学家只有地球这么一个样本——更小的样本量会导致统计结果更大的不确定性。这是本研究,也是德雷克方程的硬伤。

Conselice表示,他们很清楚这类研究的局限性,但这不妨碍他们做出自己的大胆猜测。预测外星生命的存在是有趣的思维实验,但在我们真正与其他文明取得联系之前,各种方式的预测,谁也谈不上不比谁更准确。

▎远方的"近邻"

其实,无论此研究的预测结果是"36"还是10亿,理论上的争议都取代不了可检验的真相。最终能为这个问题一锤定音的,还是我们直接与外星文明取得联系。

以银河系的尺度来说,"36个文明"的答案其实比起"1个文明"好不到哪去。如果外星人真的比大熊猫还要稀有的话,人类大概还要花上成百上千年,才能找到其中一个。

更何况,如果将36个文明平均散布在银河系各处的话,最近的智慧生命离我们平均有1.7万光年那么远,并围绕着一颗M型低质量矮恒星公转(这类恒星比太阳更稳定)。谈到保持社交距离,外星人可是认真的。

按照这种遥远距离,靠今天的通讯技术是无法有效与星际文明取得联系的,给外星人发来的朋友圈点个赞,来回一圈至少需要3.4万年。也就是说,或许我们在银河系中并不孤独,只是和"邻居"们离得太远了。

Conselice说,不断寻找外星生命的过程,也能给地球的命运带来启示。"如果我们发现银河系中智慧生命是较普遍的现象,那么智慧生命的文明或许就可以存续不止几百年时间;相反地,我们如果最终发现银河系中没有活跃的文明,这对人类的未来命运可能不是个好兆头。"

寻找星际邻居,人类还需要有足够的耐心。即便是如今最大规模的系外行星搜寻任务,也只观测了银河系的一个小角落而已。Westby和Conselice指出,目前人类已观测过的银河比例,相当于一个游泳池的水和整个地球的海洋相比。

△人类对系外行星的观测,目前还局限于银河系的一隅(来源:nasa.gov)

换句话说,如果人类真想有朝一日和外星人进行沟通,首先就必须维护地球的宜居性——我们不仅要仰望星空,还要保护脚下这片养育自己的土地。36这个数字未必准确,但它告诉我们地球的珍贵、智慧生命的来之不易。

但人类的孤独,也可能有另一种原因——银河中恒星的平均寿命是98亿年、其中97%的恒星寿命超过50亿年,相比之下,46亿岁的太阳算是很年轻的了。Westby认为,或许50亿年前的银河系曾经热闹非凡,但几十年后那些银河文明都消失了。"我们只是来得太晚了。"他说。

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