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宇宙最早的生命,比地球早了多少年?

时间: 2021年04月08日 | 作者: Avi Loeb | 来源: 环球科学(huanqiukexue.com)
人类在宇宙中是孤独的吗?每当我们仰望星空时,或许就会思考这个问题。


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艺术家对GN-z11星系的想象,它是目前已知的最古老的星系。(图片来源:Pablo Carlos Budassi Wikimedia)


在科幻小说《三体》中,答案显然是否定的,无数的生命体及地外文明蛰伏于宇宙之中,此消彼长,日转星移。而现实或许也是如此,也许在几十亿年前,类太阳恒星的行星上就已经出现了宇宙中最早的生命。他们可能早已湮没在时间的长河中,也可能在宇宙中留下了痕迹。循着这些蛛丝马迹,我们或许就能找到宇宙生命的起源。


撰文 | 亚伯拉罕·洛布(Avi Loeb)

翻译 | 洪艺瑞

审校 | 吴非


在宇宙大爆炸发生后约1500万年,爆炸产生的电磁辐射逐渐消散,整个宇宙冷却至接近室温。在2013年的一篇论文中,我把这个阶段称为“早期宇宙的宜居时期”。如果人类生活在那个时期,即使没有太阳也无关紧要,因为宇宙的辐射背景就可以让我们足够暖和。


但是生命在那时就已经诞生了吗?答案很可能是否定的。这不是因为缺乏适宜的温度,而是因为宇宙中缺乏生命必需的化学元素——碳元素和氧元素。在大爆炸发生后的20分钟内,宇宙中仅含有少量的氢和氦、极其微量的锂,以及几乎可以忽略不计的其他更重的元素。只有在大爆炸发生约5亿年后,第一批恒星将氢和氦融合为氧和碳,从而让生命成为可能。


那么宇宙中的生命究竟起源于何时呢?宇宙中大多数恒星都形成于太阳诞生数十亿年前。基于恒星形成的历史,我和拉斐尔·巴蒂斯塔(Rafael Batista)、戴维·斯隆(David Sloan)计算了从第一颗恒星诞生到遥远的未来,不同的时间点生命出现的概率。结果表明,类太阳恒星周围的生命很可能在最近几十亿年才出现。未来,在围绕矮星运行的行星上,可能还会诞生更多的生命。例如离我们最近的矮星比邻星,它的寿命能达到太阳寿命的数百倍,能够为其行星提供长达10万亿年的热量。或许有一天,人类科技足够发达,我们就能迁徙到像比邻星b这样的行星上,开启新的生活。


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离我们最近的恒星:比邻星(图片来源:ESA/Hubble & NASA)


当然,以上推测都建立在一个假设上——水是生命之源。水是目前已知的唯一能够支撑生命的液体,但人类对自然的探索仍然相当有限,谁也没有把握说我们一定是对的。宇宙早期是否有其他能支持生命的液体出现?在我们和马纳斯维·林加姆(Manasvi Lingam)合作发表的一篇新论文中,我们就发现在第一批恒星形成后,氨气、甲烷和硫化氢可能以液态的形式存在,随后出现的可能是液态乙烷和丙烷。尽管这些液体与生命之间的相关性仍然不明确,但我们可以进行实验探究。目前的难点在于,需要首先创造出合成生命,哈佛大学的杰克·绍斯塔克(Jack Szostak)及全世界其他团队正积极尝试攻克这个难题。如果成功,那么我们就可以探究在水之外的其他液体中能否诞生生命。


要想知道宇宙生命何时起源,可以尝试在最古老恒星的行星上搜寻生命的迹象。那么如何确定哪些恒星最古老呢?天文学家认为,这些恒星由于形成较早,因此主要由氢和氦组成。比氦更重的元素,我们称之为“金属”,这些元素在古老恒星中含量应该较低。事实的确如此,我们已经在银河系边缘发现了一些缺乏金属的恒星,它们很可能是宇宙中最早诞生的一批恒星。这些恒星往往含有高于平均水平的碳,我们把这种恒星称为“高碳低金属”(carbon enhance metal poor, CEMP)恒星。


我和我之前的学生纳塔莉·梅什(Natalie Mashian)对CEMP恒星进行了研究,我们认为绕CEMP恒星运转的行星可能主要由碳组成,能够为宇宙早期生命的诞生提供良好的基础。因此,我们可以寻找那些绕CEMP恒星运行,并且大气组成存在生物标记的行星。通过计算这些行星的年龄,我们就可以推测宇宙生命大约起源于何时。


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早期宇宙中的星系团(图片来源:P.Rosati et al.; X-Ray: CXC, NASA / Optical: ESO, VLT)


另一种方法则是搜寻宇宙中早期文明发出的信号。这些信号可能是推动光帆时产生的一束光,也可能是一些宇宙尺度的工程项目留下的痕迹,比如移动一颗恒星。但不太可能会是通讯信号,因为将信号从宇宙这头传输至另一头,可能需要数十亿年,没人会想通过这种方式进行交流。


但这些生命的痕迹注定不会长久。10万亿年后,暗能量造成的宇宙加速膨胀会让整个宇宙陷入黑暗和寒冷之中,所有的生命或将陷入永恒的沉寂。我们无法想象10万亿年后人类将如何应对这场灾难,我们甚至不知道那时人类是否存在。但我们仍然可以为未来人类留下一笔遗产——我们可以珍惜眼前美丽的自然环境,对大自然的馈赠葆有感恩之心。如果人类的后裔足够聪明,能够熬过那段黑暗时光,那么或许我们今天的行为会让他们感到骄傲,并把我们的贡献铭刻在他们的历史之书上。


关于作者

亚伯拉罕·洛布(Avi Loeb)是哈佛大学天文学系前主任,哈佛和史密森天体物理中心理论与计算研究所所长。

 

原文链接:

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