在宏大的宇宙尺度上,我们所在的宇宙小角落并没有那么特别——这个想法是宇宙的核心哥白尼原理。然而,我们的星球有一个主要方面确实很奇特:我们的太阳是一颗黄矮星。
因为我们的母星是我们最熟悉的恒星,所以很容易假设黄矮星和白矮星(FGK 矮星)在宇宙的其他地方很常见。然而,它们距离银河系中数量最多的恒星还很远。这种特殊的羽毛属于另一种类型的恒星——红矮星(M矮星)的帽子。
红矮星不仅构成了75%在银河系的所有恒星中,它们比太阳等恒星温度低得多,寿命也长得多。寿命长得多。
我们预计太阳的寿命约为 100 亿年;红矮星的寿命预计可达数万亿。事实上,自宇宙诞生以来的 134 亿年里,还没有一个行星到达其主序星寿命的终点。。
由于红矮星如此丰富、如此稳定,而且我们不应该自动认为自己在宇宙中是特殊的,因此我们没有绕红矮星运行的事实应该有点令人惊讶。然而,我们在这里,绕着一颗不那么常见的黄矮星运行。
这,根据一篇论文哥伦比亚大学天文学家大卫·基平提出的“红天悖论”是,这质疑为什么我们在广阔的宇宙中还没有发现任何其他形式的智慧生命。
“解决这个悖论”他写道,“将为未来远程生命传感实验的目标和宇宙生命的极限揭示指导。”
围绕红矮星 TRAPPIST-1 运行的行星系统的艺术家想象图。 (马克·加利克/科学图片库/盖蒂图片社)
红矮星对于寻找外星生命来说是一个有吸引力的前景。它们的燃烧温度不像类太阳恒星那么热,这意味着围绕它们运行的任何系外行星都需要更接近才能达到适宜居住的温度。反过来,这可能会使任何此类系外行星更容易被发现和研究,因为它们绕恒星运行的频率比地球绕太阳运行的频率更高。
事实上,天文学家已经发现了相当多的岩石系外行星——比如地球,和– 在这个宜居带中绕轨道运行的红矮星。其中一些甚至还比较接近。它是诱人的东西,而且看起来红矮星至少应该在某个地方存在生命,这就是天体生物学家正在寻找的原因。
基平在他的论文中提出了解决红天悖论的四个解决方案。
决议一:不寻常的结果
首先,我们只是一个奇怪的人。如果两种恒星周围生命出现的速度相似,那么地球就是一个异常值,而我们绕太阳运行的出现只是一个随机的机会,只有百分之一的机会。
这将与哥白尼原理产生紧张关系,哥白尼原理指出,宇宙中没有特权观察者,我们在宇宙中的地位是相当正常的。对于我们来说,成为异常值意味着我们的位置是不是很正常。
这个答案并非不可能,但也不是一个特别令人满意的答案。其他三个决议提供的答案不仅更令人满意,而且实际上是可测试的。
决议二:红色天空下的压抑生活
根据这项决议,基平认为黄矮星比红矮星更适合居住,因此,红矮星周围出现生命的频率要低得多——大约少了 100 倍。有很多理论证据支持这个想法。例如,红矮星往往很吵闹,有很多耀斑活动,而且往往没有类木星行星。
“许多理论工作都对 M 矮星上复杂生命的合理性提出了质疑,其中包括潮汐锁定和大气塌陷、恒星活动影响的增加、前主序阶段的延长以及潜在有益的木星大小的缺乏等问题。同伴们”基平写道。
“在此基础上,有很好的理论推理来支持决议二,尽管我们强调它仍然未经观察证实。”
艺术家对红矮星释放巨型耀斑的印象。 (美国宇航局戈达德太空飞行中心/S. Wiessinger)
决议三:复杂生命的截断窗口
这里的论点是,生命根本没有足够的时间在红矮星周围出现。
这可能看起来违反直觉,但它与恒星生命的前主序阶段有关,在它开始融合氢之前。在这种状态下,恒星燃烧得更热、更亮。对于红矮星来说,它持续大约十亿年。在此期间,任何可能适合居住的世界都可能引发失控的永久性温室效应。
这可能意味着白矮星和黄矮星上的岩石行星上出现复杂生物的窗口比红矮星上的要长得多。
决议四:缺乏淡红点
最后,尽管大约 16% 的系外行星红矮星被列为在宜居带内拥有岩石系外行星,但也许这些世界并不像我们想象的那么普遍。我们的调查对最大质量的红矮星进行了采样,因为它们是最亮且最容易研究的。但是,如果那些我们知之甚少的棘手行星没有宜居带岩石系外行星怎么办?
事实上,由于低质量的红矮星数量最多,这可能意味着红矮星周围的宜居带岩石系外行星比黄矮星周围的行星少 100 倍。
“在这种情况下,智慧生命在宇宙中很罕见,并且普遍在 M 矮星和 FGK 矮星之间产生,但 M 矮星周围的宜居世界至少比 FGK 矮星少两个数量级,”基平写道。
“两个数量级的差异是一个相当大的差异,这使得这是一个特别有趣的解释。这需要M型矮星周围已知的地球大小的温带行星中的绝大多数在某种程度上不适合生命生存,或者晚期型矮星M-矮星(低质量端)很少有宜居世界。”
艺术家对围绕红矮星比邻星运行的宜居世界的想象。 (马克·加利克/科学图片库/盖蒂图片社)
甚至有可能答案就在于其中几项决议中,这将使任何一个领域的影响都不那么明显。我们也许很快就能得到确认。例如,随着我们技术的进步,我们将能够更好地看到质量较低的红矮星,并寻找它们周围轨道上的行星。
这样做之后,如果我们发现岩石系外行星,我们就可以仔细研究它们潜在的宜居性,确定它们是否在宜居带内运行,以及那里的生命是否会受到恒星过程的阻碍。
“最终,”基平写道”,“解决红色天空悖论是天体生物学和 SETI 的核心利益,这意味着我们应该将资源投入到哪些恒星上,并提出关于宇宙生命的本质和极限的基本问题。”
该研究发表于美国国家科学院院刊。