去紅矮星周圍尋找智慧生命

謝懿

搜尋地外文明的科學家把目光投向了紅矮星，期望能有一個大發(fā)現(xiàn)。

銀河系中的明亮恒星要讓位給那些更暗弱的恒星了嗎？恐怕是的，較小的恒星也許是在我們的近鄰中搜尋地外生命的最佳場所。當然，這個猜想無疑超出了傳統(tǒng)的觀念。半個多世紀以來，志在搜尋地外文明的天文學家專注的目標一直是類太陽恒星。這一選擇并非盲目：科學家通常假設，如果一顆G型恒星（即類太陽恒星）的周圍環(huán)境適宜我們人類，那它也利于外星人。

紅矮星開普勒-186行星系統(tǒng)宜居帶（墨綠色環(huán)形）與太陽系的比較

但是，還有其他一些恒星，它們距離我們更近、數量也更多，甚至可能更適宜智慧生命生存。它們就是暗弱的紅矮星。

大量的宜居地

在一個漆黑的地點，如果你仰望夜空，就算不借助望遠鏡也能看到數百顆恒星。這無疑是一幅美景，但你看到的并不是絕大多數恒星的代表，就好像紅樹林不能代表樹林一樣。肉眼能看到的大部分亮星都是巨星或者超巨星，后者的質量是太陽的10倍以上，光度也比太陽大得多，這也正是從地球上看它們如此明亮的原因。

紅矮星開普勒-138周圍存在一顆火星大小的行星（藝術概念圖）。

這些大質量恒星之所以格外明亮，是因為光度和質量并不呈線性關系。恒星的質量增大10倍，其光度可以增大3000倍。由此，超巨星成為夜晚的超級明星，雖然數量稀少——超巨星占所有恒星總數的比例不足0.2%，但主宰著夜空。這就像頂尖球手，人數不多，但知名度很高。

這個質量—光度關系也適用于小質量恒星。一顆質量僅有太陽1/10的恒星，被稱為紅矮星，其光度只有太陽的0.08%。正因為如此小的光度，所以紅矮星很難被看到。沒有望遠鏡的幫助，肉眼連一顆紅矮星都看不到。在北天，6光年遠的巴納德星是距離我們最近的紅矮星，視星等9.5等。在南天，比鄰星的距離更接近，只有4.23光年，但這顆紅矮星的亮度更暗，只有11等。那么，這和尋找地外文明又有什么關系呢？

雖然紅矮星的光度很小，但它們的數量可以彌補這一點。它們主導著銀河系，占據了恒星總數的絕對多數。這應該不會讓你感到驚訝，因為大自然經常會以“小則多，大則少”的方式行事，例如田鼠與大象。根據天文觀測的結果，在太陽附近有74%的恒星是紅矮星。它們也許很小，但其總體對銀河系質量的貢獻超過了其他任何類型的恒星。

雖然到處都是紅矮星，但尋找地外文明的科學家?guī)缀鯖]有正眼看過它們。因為他們認為，紅矮星有一些尷尬的特性，使得它們不太可能適宜真正高等的生命。

不利因素

紅矮星的第一個缺點是，它們的能量輸出功率太低。如果在紅矮星周圍存在宜居行星，它們必須要能節(jié)省下一絲一毫的能量。否則，它們的溫度將不足以在其表面維持住液態(tài)水。為此，這些行星繞其宿主恒星公轉的軌道會比水星繞太陽公轉的軌道還要小?？康眠@么近是要付出代價的。這些行星很快就會被潮汐鎖定，就像月亮被地球潮汐力鎖定一樣。它們的自轉周期和軌道周期將會同步，使得其一個半球會無休止地被其宿主恒星炙烤，而另一個半球則沉浸在沒有盡頭的瑟瑟寒夜之中。

這聽上去就像是一場氣候災難，因為在黑夜的一側空氣都會凝固，到處都是白雪皚皚。對陸生的生命體來說，缺乏空氣是要命的。

第二個問題來自其低光度的另一個后果。紅矮星的表面溫度從3150℃至3260℃不等。相比之下，太陽的溫度要高得多，接近5540℃。因為它們的表面溫度較低，紅矮星輻射出的光能就較少，而且這些光還會偏向光譜的紅端。它們會發(fā)出大量的低能光子，高能藍色光子的數目則很少。因此，一些科學家認為，紅矮星發(fā)出的光不足以驅動光合作用。

另一個值得關注的問題是紅矮星周圍宜居帶的范圍很小。在一顆恒星周圍環(huán)狀的宜居帶內，適宜的溫度使得行星可以維持液態(tài)水的存在。與質量更大、光度也更大的恒星相比，暗弱恒星周圍的宜居帶范圍會更小。這表明，圍繞紅矮星公轉的行星位于這一宜居帶內，并且能夠演化出生命的概率也較小。

對紅矮星不利的最后一個因素是，它們周圍的空間天氣很惡劣。紅矮星的表面會不時出現(xiàn)巨大的耀斑，釋放出的大量輻射對緊靠它的行星上的生命來說是致命的。

這些缺點使得紅矮星一直被排除在搜尋地外文明的首選目標之外。然而，新的觀點和數據表明，這些遍布銀河系的恒星也許受到了不公正的對待。

宜居之地

對搜尋地外文明來說，對紅矮星最嚴厲的批評一直是潮汐鎖定問題。一顆酷熱和嚴寒兼?zhèn)涞年庩栃行遣惶赡苁巧睦硐脒x擇。在這樣離譜的氣候中，即便是嗜極微生物也難以生存。

但是，對一顆行星來說，一半是炙烤下的巖石、另一半是冰凍的海洋，沒有任何大氣，這不是嚴峻的環(huán)境，而是把問題想得過分簡單了。只要密度尚可，任何大氣都能夠維持住自身，免于固化成冰。而且當行星的兩個半球之間有巨大的溫度差時，會立即形成風，氣流會把熱量從高溫的一側輸送到低溫的一側。這將防止空氣凝結成冰。

10多年前，就有天文學家開始研究這當中的細節(jié)，建立起計算機模型來描述擁有二氧化碳單一大氣成分的潮汐鎖定行星。如果這些被模擬的行星擁有地球大氣質量10%以上的大氣層，就會有足夠的熱量被傳遞到其背陽的一側，防止其封凍。如果其大氣層能更厚的話，溫度不高不低的海洋就能覆蓋行星表面的大部分區(qū)域。

此外，海洋可以為調控極端溫度提供進一步的機制。正如地球上的墨西哥灣暖流可以把熱帶的熱量輸送到英國和斯堪的納維亞，紅矮星旁行星上的洋流也能防止其背陽側的水體封凍結冰。

最近，有天文學家計算發(fā)現(xiàn)，任何含水的潮汐鎖定行星都會在其向陽的半球迅速形成厚厚的云層。這可以降低該半球的溫度，是另一種提高紅矮星旁行星宜居指數的機制。

根據這些模擬結果，現(xiàn)在人們對潮汐鎖定行星的看法相比過去要樂觀得多：不再是一個沒有空氣的兩極分化行星——要么是熾熱的沙漠，要么是冰封的海洋。現(xiàn)在認為，潮汐鎖定行星也能有溫和的氣溫，一個半球陽光明媚，另一個半球是黑夜，那里的氣候和地球一樣，液態(tài)水和大氣層也適宜生命的起源和繁衍。

如果生命存在于這些綠洲中，它們可能會展現(xiàn)出一些有趣的適應性。沒有了晝夜或季節(jié)變化，植物可以不間斷地生長。由于太陽總是位于天空中的同一位置，因此葉片或者其他聚光的部分就無須調整自己的位置。對這些行星上的高等生命來說，考慮到恒星的位置固定不動，架設高效率的光伏發(fā)電裝置應該不在話下。

我們最熟知的潮汐鎖定天體是月亮，一個不毛之地。由此，我們偏向于認為，如果一顆行星沒有晝夜交替，即如果它的自轉角速度等于公轉角速度，那它就不太可能是智慧生命理想的棲息地，但事實似乎不是這樣。

宜居地帶

即便科學家對在紅矮星旁的行星上存在生命的可能性持樂觀態(tài)度，但他們仍需知道到底有多少這樣的行星。在太陽系中，宜居帶位于距離太陽0.8個至2個天文單位之間。換句話說，它從金星的軌道外開始，到火星附近結束。但對紅矮星來說，其宜居帶尚不足太陽系的一半，通常只有零點幾個天文單位寬。這么小的范圍意味著絕大多數紅矮星的宜居帶可能是空蕩蕩的。

不過，看一下我們的太陽系。相對于空曠的外太陽系，內太陽系中擠滿了行星。這暗示，紅矮星周圍可能也存在一些有吸引力的行星。開普勒空間望遠鏡的觀測數據表明事實確實如此。天文學家研究了開普勒空間望遠鏡觀測的3897顆紅矮星，其中有6 4顆擁有行星候選體。根據這些樣本估計，有16%的紅矮星在其宜居帶中擁有地球大小的行星。這是一個相當大的比例，如果你將其外推到整個銀河系——假如銀河系的2000億顆恒星中有75%是紅矮星，那么在它們周圍就會擁有240億顆宜居的地球大小行星。

當然，紅矮星并不是天空中唯一的恒星。在所有恒星中約20%是和太陽相似的G型和K型恒星。開普勒空間望遠鏡的觀測分析表明，它們中的22%很可能在其宜居帶中擁有一顆行星。這為銀河系的宜居地點又增加了90億顆行星。

不過很顯然，絕大部分宜居行星仍然位于銀河系中最小恒星的周圍。就銀河系中擁有宜居行星的恒星而言，紅矮星占據著主導地位。

這對搜尋地外文明來說無疑是令人鼓舞的消息。但是，紅矮星的其他不利因素——低光度和強耀斑——呢？雖然紅矮星擁有宜居的行星，但這并不能保證在這些行星上就有文明存在。

有科學家估計，在紅矮星周圍的行星上，植物真正能用于光合作用的恒星光只有地球上接收到的陽光的5%至25%。但即使是如此微弱的光照也足以滋養(yǎng)許多地球植物，包括大米、小麥和一些蔬菜。此外，光合作用也不盡相同。雖然大多數植物使用波長約670納米的紅光，但有許多特殊的細菌能利用波長約900納米的光來進行光合作用。這些能量較低的光位于光譜的近紅外部分，那里正是紅矮星輻射的主要波段。有理由相信，達爾文的進化論可以讓這些在暗弱紅矮星照

射下的行星上繁衍出豐富多樣的動植物。

至于耀斑，不難想象，生命也會演化出各種各樣的適應策略。顯然，較為簡單的生命體可以待在水下，躲在巖石下方，或者是利用貝殼來保護自己。另一種簡單的抵御辦法就是見機行事，在耀斑逐漸增強的過程中退守到附近的隱蔽所。

更有趣的一種可能是生命體能演化出應對它的生物學手段。許多地球上的細菌可以修復因紫外線照射而受損的DNA。如果地球上的生命形式可以抵御輻射的傷害，那么在紅矮星旁的行星上起源和演化的植物和動物——長期處于耀斑的環(huán)境中——應該也能做到這一點。

另外，根據10多年來對紅矮星亮度變化的監(jiān)測，耀斑似乎是很罕見的事件。在可見光波段，紅矮星的光度幾乎沒有變化可言，變化率通常不超過2%。能發(fā)出有害X射線的絕大多數都是年齡不足1億年的紅矮星。在這一短暫的時期之后，它們似乎就會平靜下來。

事實上，雖然紅矮星上有耀斑活動，但其持續(xù)的時間只有不到1小時。

有利因素

考慮到銀河系中絕大多數的宜居行星都位于紅矮星周圍，搜尋地外文明的科學家有足夠的理由把注意力集中到它們身上。

先別急！還有一些事情要弄清楚。

搜尋地外文明的計劃——包括射電和光學實驗——通常會擬定一份由特定類型天體構成的“目標清單”。例如，搜尋地外文明研究所的“鳳凰”計劃就在1995年至2004年對約1000顆近距離類太陽恒星進行了觀測。

紅矮星的數量是G型恒星的10倍，而且距離我們更近，1000個目標紅矮星的平均距離只有1000個目標G型恒星的一半。由此，來自紅矮星的外星文明的信號強度就是來自G型恒星的外星文明的4倍，更易尋找。

此外，紅矮星的低光度對生物學而言也是有利的。類太陽恒星在主序階段擁有約100億年的壽命，紅矮星的壽命至少是這個數字的10倍以上。由于輸出功率低，它們成為宇宙中永恒的明燈。換句話說，自大爆炸以來誕生的每一顆紅矮星至今都在生機勃勃地發(fā)光。

紅矮星不顯老，也不衰老。圍繞類太陽恒星的行星，其宜居時間只有大約60億年;圍繞一顆明亮的O型或A型恒星的行星，其宜居時間只有5億年;但在紅矮星周圍，完全可以找到一顆年齡為100億歲的“地球”。

如此長的壽命對智慧生命具有重要的影響。在地球上，生命起源之后的頭30億年，所有的生命體都是微生物。直到太陽的年齡達到46億歲之后，具有智能的生物才登上了舞臺?？紤]到再過僅10億年左右，太陽光度的變化就會使得地球不再宜居，可以說太陽系中生命的出現(xiàn)和繁榮正是時候。

很明顯，紅矮星不需要這樣的僥幸。它們周圍的生命——如果存在的話，有足夠的時間來進化出文明，進而可以通信聯(lián)絡。這對搜尋地外文明來說是至關重要的。平均來說，一顆紅矮星的年齡會比一顆G型恒星大數十億年?？紤]到智慧生命需要時間來演化，因此年齡大的恒星會更加理想。科學家預計，紅矮星周圍的行星擁有科學家的比例會更高。

鑒于這些優(yōu)勢，搜尋地外文明的科學家正在考慮更多地關照這些常常被忽視的恒星系統(tǒng)。那么，在搜尋到外星人的信號之前，需要觀測多少顆紅矮星呢？很顯然，這還是個未知數。不過，可以做一個簡單的推算：16%的紅矮星在其宜居帶內有一顆地球大小的行星;假設在50億年之后其中有1/10能演化出智慧生命，而在這當中擁有科學文明的比例也是1/10;那么在每700顆紅矮星中，目前至少有一顆擁有智慧文明。這個粗略的估計可能過于樂觀了，但這個數字仍然十分引人注目。

如果你是一顆圍繞紅矮星轉動的行星上的居民，你可能會很難相信，在一顆類太陽恒星旁的行星上居然會有生命存在。你可能會把搜尋其他文明的射電望遠鏡只對準其他紅矮星。

但是，在類太陽恒星中確實有一顆在其周圍的行星上存在文明——那就是我們。面對一個如此多樣的宇宙，有必要跳出認識和思想的原有桎梏，生命也許能出現(xiàn)在迥然不同的各種環(huán)境之中。