银河系宜居带只是一个半径在2.3~2.9万光年的狭窄带

【作者:余生】

如果要去寻找一个外星文明存在的证据,目前最有效的手段是观察宜居的星球大气里面有没有氧分子,更确切的说有没有足够多的氧分子,前提是以地球上生命的形式所需要的氧气作为判决依据。对于更加遥远的恒星系统搜索外星文明可能存在的证据,目前借助的是 「电磁辐射」:一种是:「无线电监测」,另一种是:「红外监测」。

「无线电监测」

假设我们是外星文明,我们要和周围的其他邻居进行通信交流,就必须要选择一个合适的电磁波范围,这个电磁波的范围应该具有以下的特点:

1.在整个星系里面甚至在整个宇宙空间里面都是可以自由传输的。

2.具有比较低的背景噪音。

科学家在进行射电观测的时候发现有两条谱线恰好满足这些条件,这两条谱线其中一条是中性氢原子产生的21厘米谱线,21厘米指的是它的波长,另外一条谱线是羟基分子所产生的18厘米谱线,1个氢原子和1个羟基分子结合起来就是1个水分子,水分子其实就是生命形成的一个必要条件。

无论是21厘米的谱线还是18厘米的谱线,它们都具有一个特点——在整个的射电连续谱的背景上面,它们恰好处于一个背景噪音比较低的区间。

无论是来自于恒星自身的射电辐射,还是来自于星系的背景辐射,它们都避开了在20厘米左右波长的区间,这就使得它们容易被检测到。另一方面,氢原子和羟基分子在银河系里面是广泛存在的,这就意味着如果我们想要和外星文明进行通信,氢原子的21厘米谱线和羟基分子的18厘米谱线是两条最佳的通讯联系的方式。

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图解:H/氢原子的21厘米谱线,OH/羟基分子的18厘米谱线

21厘米谱线是如何产生的?

「氢原子」是由一个质子加上一个电子构成的,电子在绕着原子核也就是质子做轨道运动,但是同时电子还在自旋,电子自旋的方向可以和质子轨道运动方向是一致的,也可以是相反的,在这两个不同的状态下,氢原子的能级是不一样的。

如果它们之间发生跃迁就会导致光子的产生或者是吸收,这个光子的波长就是21厘米,当然这种自发的两个能级之间的跃迁是非常难发生的,对一个氢原子来讲1,000万年才发生一次,所以概率特别低,但是在银河系里面氢原子的数量太多了,这就使得能级之间的跃迁变得很频繁。

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图解:能级之间的跃迁

「红外监测」

这个方法起源于一个假设,这个假设叫做「戴森球」,是由英国的一位天文学家戴森提出来的,如果有一个高度发达的文明,它们如果想要得到大量的能量,或许它们会采取在恒星周围建造一个装置,这个装置是用来吸收恒星所发出来的能量,今天的地球也在吸收太阳光,但是地球上所得到太阳光的能量仅仅是太阳总光度的1/22亿,所以这个效率是非常低的,如果这个文明可能在恒星周围建设了这么一个装置的话,就可以高效地利用太阳光。

而另一方面,那么这个包裹恒星的装置受到加热之后,自身的温度会升高同时也会产生红外辐射,所以看到某些恒星有特别异常的红外辐射,或许就是由高度发达的外星文明建造的,在射电监测的过程里面,科学家在选择候选天体的时候,也往往先去选择那些在红外波段看上去有异常现象的恒星。

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既然外星文明似乎是在银河系里面是普遍存在的,为什么我们看不到它们?

关于这个问题,可以从两方面来做做一点简单的解释,首先从外星文明的角度来看这个问题,从它们的角度来看可能有两种原因:

第1原因:它们不愿意和其他文明接触,并不是所有的外星文明都愿意和相邻的文明进行通信交流。

在《三体》小说里面作者提出了两条法则,第一条法则叫做宇宙里面的总能量是守恒的,第二条是生存永远是第一位的,所在外星文明了解到这些法则之后,它们或许就不愿意暴露自己的踪迹,这可能是第1个原因。

第2原因:它们做不到与其它文明交流,一方面和技术有关系,另一方面也可能跟文明本身有关系。

技术:我们搜索外星文明用了氢原子的21厘米谱线,用了红外监测的办法,但是归根结底我们都是利用电子波段的辐射来进行搜寻的,但是我们并不清楚外星文明已经进化到什么样的程度了,或许它们早就不用这些过时的、落后的方法和工具了。

举例说明:

如果在30年前,人们普遍地利用书信的方式进行通信,在那个时候你有没有可能想象到通过手机进行相互的联络呢?

文明本身的关系:一个外星文明它所能够存在的时间,或许远远没有达到100万年,可能因为各种原因它消失了,所以当我们去探测它们的时候,它们可能早就已经不存在了或者是其它原因。

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「余生」总结:恒星处于星系宜居带的位置是诞生生命的关键条件

地球上的生命是独特的,这给我们对于宇宙的认识带来了一定的冲击,因为地球是一个普通的具有代表性的星球,但是科学家对这样的回答没有十足的把握。在地球上形成生命所需的条件是十分苛刻的,不单止要求行星要处于宜居带内,而且要求恒星也要处于宜居带内,恒星的宜居带是由以下几个因素决定的:

第一个:在距离星系核心的空间区域里面必须有足够多的恒心,并且这些恒星容易具有岩石行星。

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第二个:在这些行星上形成的生命,有比较少的机会受到外来的威胁。

第三个:在距离星系中心不同半径的地方,恒星形成演化的物理过程是不一样的。

随着从星系的中心到边缘,按照这个趋势的变化的话,那么恒星的形成率是在下降的,这意味着越靠近星系的核心恒星形成的越快,越远形成就越慢,从这个角度来讲恒星系统更可能出现在半径比较小的区域,另一方面如果说恒星形成比较快的话,那么它的演化会导致更多的重元素会流失到周围的星际空间里面去,所以它会使得岩石行星更容易形成,所以它也更趋向于使得生命偏向于靠近星系的核心,但是另一方面它也会带来不利的影响。

如果一个行星系统离星系的核心太近的话,那么星系核的超大质量黑洞的吸积过程、活动过程所产生的高能辐射会对行星产生不利的影响。另一方面如果行星系统处于一个恒星高度密集的区域,附近发生的超新星爆发也会伤害到生命,从很简单的超新星能量爆发的数量就可以估计出来,如果在太阳附近30光年的地方出现了一颗超新星,那么整个地球上的生命都会被摧毁掉,所以行星系统又不能够离星系核心太近。

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第四个:行星系统的轨道运动与旋臂的运动是否是同步的。

太阳系在绕着银河系的中心做轨道运动,运动的角速度比旋臂的角速度要稍高一些,所以未来太阳系会进入到一条旋臂里面去,如果发生了这样的情况,对生命会有很大的影响。

因为旋臂是恒星和星际物质比较集中的区域,当太阳系位于一条旋臂之内,那么在我们周围的气体和尘埃的数量就会大大的增加,因此地球得到太阳辐射的强度就会减弱。

对于以上几个不同因素的综合发现,在银河系里面宜居带只是一个半径在2.3~2.9万光年的狭窄带里,在银河系宜居带里面恒星的总数目和银河系里面恒星总数目两者之比小于5%,也就是只有5%的恒星有可能具有宜居的可能性。

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