天文科普:宇宙最早的生命,比地球早了多少年?
發(fā)布時間:2021-04-08
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人類在宇宙中是孤獨的嗎?每當(dāng)我們仰望星空時,或許就會思考這個問題。

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藝術(shù)家對GN-z11星系的想象,它是目前已知的最古老的星系。(圖片來源:Pablo Carlos Budassi Wikimedia)

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在科幻小說《三體》中,答案顯然是否定的,無數(shù)的生命體及地外文明蟄伏于宇宙之中,此消彼長,日轉(zhuǎn)星移。而現(xiàn)實或許也是如此,也許在幾十億年前,類太陽恒星的行星上就已經(jīng)出現(xiàn)了宇宙中最早的生命。他們可能早已湮沒在時間的長河中,也可能在宇宙中留下了痕跡。循著這些蛛絲馬跡,我們或許就能找到宇宙生命的起源。

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撰文 | 亞伯拉罕·洛布(Avi Loeb)

翻譯 | 洪藝瑞

審校 | 吳非

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在宇宙大爆炸發(fā)生后約1500萬年,爆炸產(chǎn)生的電磁輻射逐漸消散,整個宇宙冷卻至接近室溫。在2013年的一篇論文中,我把這個階段稱為“早期宇宙的宜居時期”。如果人類生活在那個時期,即使沒有太陽也無關(guān)緊要,因為宇宙的輻射背景就可以讓我們足夠暖和。

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但是生命在那時就已經(jīng)誕生了嗎?答案很可能是否定的。這不是因為缺乏適宜的溫度,而是因為宇宙中缺乏生命必需的化學(xué)元素——碳元素和氧元素。在大爆炸發(fā)生后的20分鐘內(nèi),宇宙中僅含有少量的氫和氦、極其微量的鋰,以及幾乎可以忽略不計的其他更重的元素。只有在大爆炸發(fā)生約5億年后,第一批恒星將氫和氦融合為氧和碳,從而讓生命成為可能。

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那么宇宙中的生命究竟起源于何時呢?宇宙中大多數(shù)恒星都形成于太陽誕生數(shù)十億年前。基于恒星形成的歷史,我和拉斐爾·巴蒂斯塔(Rafael Batista)、戴維·斯?。―avid Sloan)計算了從第一顆恒星誕生到遙遠(yuǎn)的未來,不同的時間點生命出現(xiàn)的概率。結(jié)果表明,類太陽恒星周圍的生命很可能在最近幾十億年才出現(xiàn)。未來,在圍繞矮星運行的行星上,可能還會誕生更多的生命。例如離我們最近的矮星比鄰星,它的壽命能達(dá)到太陽壽命的數(shù)百倍,能夠為其行星提供長達(dá)10萬億年的熱量?;蛟S有一天,人類科技足夠發(fā)達(dá),我們就能遷徙到像比鄰星b這樣的行星上,開啟新的生活。

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離我們最近的恒星:比鄰星(圖片來源:ESA/Hubble & NASA)

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當(dāng)然,以上推測都建立在一個假設(shè)上——水是生命之源。水是目前已知的唯一能夠支撐生命的液體,但人類對自然的探索仍然相當(dāng)有限,誰也沒有把握說我們一定是對的。宇宙早期是否有其他能支持生命的液體出現(xiàn)?在我們和馬納斯維·林加姆(Manasvi Lingam)合作發(fā)表的一篇新論文中,我們就發(fā)現(xiàn)在第一批恒星形成后,氨氣、甲烷和硫化氫可能以液態(tài)的形式存在,隨后出現(xiàn)的可能是液態(tài)乙烷和丙烷。盡管這些液體與生命之間的相關(guān)性仍然不明確,但我們可以進(jìn)行實驗探究。目前的難點在于,需要首先創(chuàng)造出合成生命,哈佛大學(xué)的杰克·紹斯塔克(Jack Szostak)及全世界其他團(tuán)隊正積極嘗試攻克這個難題。如果成功,那么我們就可以探究在水之外的其他液體中能否誕生生命。

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要想知道宇宙生命何時起源,可以嘗試在最古老恒星的行星上搜尋生命的跡象。那么如何確定哪些恒星最古老呢?天文學(xué)家認(rèn)為,這些恒星由于形成較早,因此主要由氫和氦組成。比氦更重的元素,我們稱之為“金屬”,這些元素在古老恒星中含量應(yīng)該較低。事實的確如此,我們已經(jīng)在銀河系邊緣發(fā)現(xiàn)了一些缺乏金屬的恒星,它們很可能是宇宙中最早誕生的一批恒星。這些恒星往往含有高于平均水平的碳,我們把這種恒星稱為“高碳低金屬”(carbon enhance metal poor, CEMP)恒星。

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我和我之前的學(xué)生納塔莉·梅什(Natalie Mashian)對CEMP恒星進(jìn)行了研究,我們認(rèn)為繞CEMP恒星運轉(zhuǎn)的行星可能主要由碳組成,能夠為宇宙早期生命的誕生提供良好的基礎(chǔ)。因此,我們可以尋找那些繞CEMP恒星運行,并且大氣組成存在生物標(biāo)記的行星。通過計算這些行星的年齡,我們就可以推測宇宙生命大約起源于何時。

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早期宇宙中的星系團(tuán)(圖片來源:P.Rosati et al.; X-Ray: CXC, NASA / Optical: ESO, VLT)

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另一種方法則是搜尋宇宙中早期文明發(fā)出的信號。這些信號可能是推動光帆時產(chǎn)生的一束光,也可能是一些宇宙尺度的工程項目留下的痕跡,比如移動一顆恒星。但不太可能會是通訊信號,因為將信號從宇宙這頭傳輸至另一頭,可能需要數(shù)十億年,沒人會想通過這種方式進(jìn)行交流。

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但這些生命的痕跡注定不會長久。10萬億年后,暗能量造成的宇宙加速膨脹會讓整個宇宙陷入黑暗和寒冷之中,所有的生命或?qū)⑾萑胗篮愕某良?。我們無法想象10萬億年后人類將如何應(yīng)對這場災(zāi)難,我們甚至不知道那時人類是否存在。但我們?nèi)匀豢梢詾槲磥砣祟惲粝乱还P遺產(chǎn)——我們可以珍惜眼前美麗的自然環(huán)境,對大自然的饋贈葆有感恩之心。如果人類的后裔足夠聰明,能夠熬過那段黑暗時光,那么或許我們今天的行為會讓他們感到驕傲,并把我們的貢獻(xiàn)銘刻在他們的歷史之書上。

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關(guān)于作者

亞伯拉罕·洛布(Avi Loeb)是哈佛大學(xué)天文學(xué)系前主任,哈佛和史密森天體物理中心理論與計算研究所所長。

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原文鏈接:

https://www.scientificamerican.com/article/when-did-life-first-emerge-in-the-universe/




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