重元素——也就是天文學家們口中的“金屬元素”是在恒星內(nèi)部經(jīng)由核聚變形成，并通過超新星爆發(fā)的形式向周圍空間散播的?？茖W家們現(xiàn)在想知道，宇宙究竟是在何時開始具備允許行星形成的重元素豐度的？
研究顯示巖石行星可以在不同的重元素豐度環(huán)境下產(chǎn)生，這就意味著在更大的范圍內(nèi)都有可能存在宜居行星，這也大大增加了宇宙中生命存在的可能性
北京時間9月10日消息，據(jù)物理學家組織網(wǎng)站報道，要想形成一顆行星，首先你需要非常大量的巖石，這就意味著大量的重元素，也就是質(zhì)量大于氫和氦的元素。當初在塌縮過程中形成太陽和太陽系行星的原始星云中包含了這樣的重元素，如鐵，硅和鎂，這些元素構(gòu)成了巖石行星體，而其中含有的其它元素，如碳，氧，氮，鉀和其它類似元素則是形成生命不可或缺的基本物質(zhì)。
然而，在當時的原始星云中，這些物質(zhì)僅僅占據(jù)微量成分，加起來一共僅占整個星云物質(zhì)質(zhì)量的2%左右，相比之下氫元素占74%，氦元素占24%。然而盡管比例很低，但其實際總量仍然相當驚人，根據(jù)現(xiàn)在的計算，這一原始星云中所含的重元素物質(zhì)足以組成30個地球這樣的行星。這些重元素——或者天文學家們所說的“金屬”——在天文學中，科學家們將所有原子量大于氫和氦的元素都統(tǒng)稱為“金屬”。這些“金屬”并非憑空產(chǎn)生，它們是恒星內(nèi)部核聚變反應(yīng)的結(jié)果，隨后在超新星的劇烈爆發(fā)中被散播到宇宙各處，在空間中留下了形成行星的原始物質(zhì)材料。要想形成如此之多的行星物質(zhì)，那就意味著在此之前必須有恒星先行存在并消亡，在死亡的過程中將合成的重元素物質(zhì)拋向空間之中，經(jīng)過一代代恒星的不斷積累，改變著宇宙中化學元素的成分分布。然而，要想形成一顆行星究竟需要多少這樣的物質(zhì)？宇宙中的重元素達到何種水平之后才能符合形成行星的條件？
重金屬行星
我們生活的地球是在大約45.4億年前由環(huán)繞太陽轉(zhuǎn)動的一個原始行星盤逐漸形成的，這一說法會出現(xiàn)在任何天文學教科書中，人盡皆知。而我們生活的這個宇宙迄今已有137億年，因此我們的太陽系誕生的歷史僅僅只占到了宇宙整個歷史的1/3。有沒有可能在更加早的時期，宇宙中便已經(jīng)有了巖石行星？直到最近，科學家們都不這么認為。因為主流的理論認為宇宙中不具備足夠的用于構(gòu)建行星的物質(zhì)，直到大爆炸之后至少60~70億年，這種可能性才開始出現(xiàn)。早期的系外行星研究也似乎支持這一觀點，因為科學家們觀察那些系外行星圍繞運行的中央恒星，它們的金屬度(也就是重元素含量)都和太陽相當或比太陽更高。而更高的金屬度就意味著更晚的形成年齡。然而，最后的事實證明，當初阻礙我們更好地搜尋系外行星的那種偏見同樣阻礙了我們對于“何種恒星周圍可以形成行星”這一問題的認識。
直到2009年，美國宇航局發(fā)射了開普勒空間望遠鏡之前，我們所知的絕大部分系外行星都是那種氣態(tài)巨行星，它們在圍繞恒星非常近的距離上運行，這當然僅僅是因為它們是所有系外行星中最容易被探測到的類型。這些行星看起來似乎更加傾向于在具有較高金屬度的恒星周圍形成。
然而開普勒望遠鏡的觀測結(jié)果完全改變了我們對系外行星的認識。開普勒望遠鏡可以一次將大量系外行星收入視野，從而為我們觀察這些外星世界提供一個前所未有的嶄新視角。到目前為止，開普勒項目已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2321顆疑似系外行星目標，其中有超過1/3是體積相對較小的巖石行星體，其中木星大小的氣態(tài)行星僅占大約11%，另外還有一些海王星大小的，介于兩者之間的類型，而在開普勒望遠鏡升空之前，人類已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的系外巖石行星數(shù)量屈指可數(shù)。
對于這些擁有系外行星的恒星進行的后續(xù)觀察給出了讓人出乎意料的結(jié)果。丹麥哥本哈根大學尼爾斯·玻爾研究院的拉爾斯·巴克哈爾(LarsBuchhave)表示：“我們發(fā)現(xiàn)較小行星的存在并不像那些較大行星那樣和它們圍繞運行的恒星的金屬度之間存在那樣強烈的相關(guān)性。”巴克哈爾是一個多國天文學家小組的負責人，該小組利用光譜對150顆恒星進行了研究，這些恒星周圍一共有226顆疑似行星圍繞運行。有關(guān)他們的工作論文在今年6月份在阿拉斯加安克雷奇召開的第220屆美國天文學會會議上進行了提交，并隨后發(fā)表在了《自然》雜志上。
瑞典倫德天文臺的安德斯·喬納森(AndersJohansen)是巴克哈爾研究論文的合著者，他說：“乍看起來這些巨行星對金屬度的依賴性反而高于類地行星是有悖常理的。”只有當你停下來認真思考行星的形成過程時，事情才會逐漸變得清晰起來。行星從規(guī)模較小的原始核心到最終通過吸積過程成為行星體，這一過程對于木星這樣的氣態(tài)巨行星仍然存在爭議：它們可以直接從太陽星云中像恒星那樣冷凝形成嗎？或者它們需要一個較大的核心首先形成，并吸引周圍的原行星盤物質(zhì)并以此實現(xiàn)迅速成長？
氣態(tài)巨行星對高金屬度恒星的“青睞”顯示它們是通過核心吸積過程形成的，也就是形成一個相當于地球質(zhì)量10倍的巖石內(nèi)核，并用強大的引力在其周遭氣體消散殆盡之前將它們積聚到了自己身上，因為在這之后大約1000萬年，來自太陽的強烈星風開始吹起，將那些來不及被積聚的氣體物質(zhì)都吹散了。而在金屬度較低的恒星周圍，它將難以形成足夠的重元素物質(zhì)用來形成較大的原行星核，因此最終只剩下較小的巖石行星。因此喬納森指出，對于巖石行星的另一種看法是將它們視為半途失敗了的氣態(tài)巨行星內(nèi)核。
生命的極限
從這樣來看，那些圍繞低金屬度恒星運行的行星系統(tǒng)似乎就成了搜尋外星生命線索的適宜場所。因為沒有了氣態(tài)巨行星，生命可能將擁有更好的生存條件。
我們目前已經(jīng)觀測到的系外氣態(tài)巨行星大多數(shù)都屬于一類被稱作“熱木星”的類別，這些行星都位于距離中央恒星非常近的軌道上，公轉(zhuǎn)一周的時間僅有數(shù)天。這些行星并非產(chǎn)生時就離開恒星如此之近，相反，它們是從誕生位置逐漸遷移過來的。喬納森表示，現(xiàn)在正有越來越多的天文學家傾向于認為這樣的遷徙動作是由于周圍氣體物質(zhì)對其施加的引力阻滯以及摩擦作用所致，或者是由于受到了其它行星的引力攝動。這些和原始行星盤之間發(fā)生的摩擦和攝動轉(zhuǎn)移了行星的一部分角動量，讓其軌道逐漸向著中央的恒星靠攏。
當這些巨行星遷徙時，那些不幸恰好位于其遷徙路徑附近的較小的巖石行星就會被強大的引潮力拋出行星系。巴克哈爾表示：“如果一顆木星大小的巨行星在遷徙過程中將行星系中所有的巖石行星全部拋射了出去，那么我們就只能去其它地方搜尋這些巖石行星了。”因此生命在早期宇宙中可能生活地更加愜意，因為拜較低的恒星金屬度所賜，當時的行星系中應(yīng)當不存在巨行星。而沒有巨行星，生命同樣可以生存。而假如地球大小的巖石行星的形成并不需要較高的恒星金屬度，這將具有重大的意義，并擴展生命在時間和空間中可能存在的延伸范疇。
考慮這樣一種情形：星系的化學演化是從中心向著邊緣進行的，其重元素豐度最高的區(qū)域位于星系核心位置，而其外圍的旋臂部分的重元素豐度就要相對低一些。根據(jù)原先的理論，星系的外緣區(qū)域是無法讓生命生存的，因為這里并不存在足以構(gòu)成行星和生命體的重元素。但是當后來，這一區(qū)域的金屬度不再成為一個大問題時，星系宜居帶的范圍——即圍繞星系核心呈環(huán)狀分布的一片區(qū)域，這里的一些指標，包括金屬度和超新星密度都恰到好處，因而成為適宜生命存在的區(qū)域。在這一時期，這一宜居帶的范圍突然之間被大大延展了。
現(xiàn)在，設(shè)想宇宙中的重元素含量是隨著歷史的推移不斷累積增加的。因此在遙遠的過去，宇宙中的重元素含量應(yīng)當是非常低的。根據(jù)之前的理論設(shè)想，在這樣的早期宇宙中將是很難產(chǎn)生足夠的重元素物質(zhì)來構(gòu)成巖石行星的，但是現(xiàn)在我們知道在這樣具有較低金屬度的環(huán)境中仍然可以產(chǎn)生出允許巖石行星形成的條件。這樣一來也就意味著，可能支持生命生存環(huán)境的行星最早可能在80億，100億甚至120億年前就已經(jīng)出現(xiàn)了。系外行星探測的結(jié)果的確發(fā)現(xiàn)隨著恒星金屬度的降低，圍繞其運轉(zhuǎn)的系外行星數(shù)量同樣出現(xiàn)下降，然而科學家們同時也注意到這種下降的趨勢中，類地巖石行星的下降幅度要遠遠小于氣態(tài)巨行星。
當然，在行星形成過程中一些重元素的存在是必須的，然而問題就在于這一最低值究竟是多少仍然需要探討。喬納森表示：“我認為這里存在一個下限值。”他說：“原因很簡單：低于這一金屬度閾值，將沒有足夠的重元素物質(zhì)用來構(gòu)建地球大小的行星。”
很顯然的一點是，在一個金屬度僅有太陽1/10甚至更低的環(huán)境中，要想形成任何行星體都將是困難重重的。然而每一個星系的演化歷程都各不相同，因此很難斷言我們的銀河系究竟是在多久之前跨越了這一閾值。不過我們確實知道這一時間一定很早，屬于早期宇宙范疇。因為很顯然的一點是，早期宇宙中恒星壽命很短，一代一代更新非?？?，這也就讓重元素的快速積累成為可能。根據(jù)測量數(shù)據(jù)，在大爆炸后不到10億年，當時的恒星形成速率大約為每年4000個太陽質(zhì)量，而在今天的銀河系，這一數(shù)值是每年大約10個太陽質(zhì)量。
尼爾斯·玻爾研究所的宇宙學教授約翰·費恩博(JohanFynbo)表示：“一顆典型的大質(zhì)量恒星在大約100~120億年前發(fā)生爆發(fā)并釋放出重元素時，當時的這些恒星擁有的金屬度大約為今天太陽的1/10。”他說：“而一旦你擁有新一代的恒星，你就已經(jīng)開始不斷地向宇宙中增加著重元素的含量。”因此“費米悖論”在這里就會變得更加糟糕，更加詭異：看起來這些巖石行星正運行于遠比我們原先設(shè)想的要多得多的恒星周圍，運行于遠遠比我們設(shè)想更加久遠的年代之中，不管從時間還是空間范疇上去考慮，巖石行星的數(shù)量和存在的時間范圍都將大幅度地被延伸出去。
著名的費米悖論是由美籍意大利物理學家費米提出來的一項看似簡單的疑問：考慮到宇宙中如此數(shù)量眾多的恒星和行星，加上宇宙如此古老的年齡，如果宇宙中存在生命，為何它們到現(xiàn)在還沒有造訪我們？它們究竟在哪里？而當你考慮德雷克方程第一項時，情況將會變得更加糟糕：這是一個計算宇宙中可能存在的智慧文明數(shù)量的估算方程式，其中的第一項指標是“恒星形成速率”。很顯然，在宇宙形成初期，這一速率是非常高的，相比現(xiàn)在，在100~130億年前的宇宙中恒星的新生速率要高得多，而當時宇宙中的第一批行星或許已經(jīng)開始形成。
在今天的銀河系，恒星的形成速率約為每年10個太陽質(zhì)量。而如果這一數(shù)值增加10倍或100倍，它將直接導致智慧文明可能存在的數(shù)量大幅增加。之前對于費米悖論的一項反駁意見是認為金屬度的積累需要時間，如此一來，太陽恰好成為首批達到這一閾值的恒星，而地球也就有幸成為首批擁有生命的行星體。然而現(xiàn)在這一論據(jù)已經(jīng)被動搖，我們知道行星，或許還有生命，是可以在宇宙歷史中幾乎任意一個時間點上出現(xiàn)的，這樣的結(jié)果讓我們不得不再次發(fā)問：那么其它的智慧生命在哪里呢？如果生命果真在120~130億年前便已經(jīng)出現(xiàn)，那么這些智慧文明(如果它們能逃過被毀滅的命運的話)現(xiàn)在就應(yīng)該已經(jīng)比我們先進數(shù)十億年，這樣的文明社會估計已經(jīng)不再會為一個小小的巖石星球所局限，它們或許已經(jīng)可以從黑洞獲取能量，甚至已經(jīng)生活在了“戴森球”中。所謂戴森球是美國物理學家弗里曼·戴森假想出的包圍恒星的巨大球形結(jié)構(gòu)，它可以捕獲大部分或者全部的恒星能量輸出用于自身使用，是一種只有極高級技術(shù)文明才能應(yīng)用的獲得能源的可能方式。
然而在這個故事中間卻也出現(xiàn)了一些轉(zhuǎn)折。2010年，德國馬普天文研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)一顆圍繞恒星運行的巨行星，這顆行星很獨特，它的金屬度非常低，因此它一定是在宇宙早期形成的。不僅如此，這顆編號為HIP13044，距離地球2000光年之遙的恒星位于一條星流之中，這是一個存在于遠古時期，后來被銀河系吞噬的矮星系留下的遺跡。而在今年，同一個研究組又發(fā)現(xiàn)了兩顆氣態(tài)巨行星正圍繞一顆低金屬度恒星運行。這顆恒星編號為HIP11952，根據(jù)其氫氦成分比例，其形成年代應(yīng)為大約128億年之前，當時距離宇宙大爆炸僅有9億年。
目前，對于這些氣態(tài)巨行星為何可以在如此缺乏重元素的低金屬度恒星周圍形成，其原因尚不得而知，或許這暗示著一種新的氣態(tài)巨行星形成機制。從另一方面來看，這至少說明了在宇宙中的某些區(qū)域，氣態(tài)巨行星似乎可以在很早的時期便開始形成。
元素豐度
對于一些遙遠宇宙中的暗弱星系，它們發(fā)出的光芒太過暗弱，因而無法對其光譜進行測量，但是科學家們可以利用其中自然的背景光源，如高亮度的類星體來對這些星系進行探究。當使用這種手段對一個存在于120億年之前星系的化學成分進行研究時，一個包括費恩博在內(nèi)的天文學家小組得到了一個相當令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。費恩博表示：“我們對一個類星體的光進行觀察，這些光照亮了一個遙遠星系的背景，在那里這些光被星系物質(zhì)吸收。”他說：“這樣一來我們便可以查看這一星系形成的吸收光譜，我們看到了氧，硫，碳和所有在星系內(nèi)部被合成的元素的吸收譜線。”
120億年之前的星系，其化學成分應(yīng)當相當原始，然而在這個星系中情況卻似乎并非如此。費恩博和他的同事們將這一結(jié)果報告給了《皇家天文學會月報》，他們報告稱在這一星系中探測到了和太陽相等同水平的重元素豐度水平。實際上，在這一距離上出現(xiàn)這樣的重元素豐度本身并不令人驚訝，但是之前的發(fā)現(xiàn)都局限在類星體的核心位置，而在這一案例中，科學家們利用類星體的光穿過前景星系原始行星盤的契機，觀察這一行星盤的吸收線。最終觀察到具備太陽等同水平重元素豐度的區(qū)域距離星系核心至少有5.2萬光年，這已經(jīng)位于該星系的邊緣位置。相比之下，即便是在今天，我們的銀河系最邊緣位置上的旋臂區(qū)域也還尚未達到如此程度的重元素豐度。那么，在那么古老的年代，這個星系究竟是怎么會達到如此高的重元素豐度的？對于這一問題，目前最好的解釋是星爆現(xiàn)象——也就是速率極高的恒星新生過程，這種狂風驟雨般的過程在星系核心位置大量合成重元素并將其擴散至星系邊緣位置。這種擴散可能是通過強烈的星風或超新星爆發(fā)時的強烈沖擊波實現(xiàn)的。
另外，背景上的類星體光線由于這一前景星系中塵埃物質(zhì)的作用呈現(xiàn)偏紅色。塵埃本身是構(gòu)建行星的最主要組成成分，它們相互結(jié)合，擴大，形成最初的原始行星核。這些塵埃還是大規(guī)模撞擊作用的產(chǎn)物，這是所有年輕的原始行星都必須經(jīng)受的一場嚴峻考驗，費恩博表示：“要想構(gòu)建一顆行星，很顯然你需要金屬元素，現(xiàn)在看起來在遠離核心的星系邊緣位置，在很早的歷史時期便已經(jīng)可以滿足這樣的條件，這一點讓我們很驚訝。”
然而這種高金屬度的情形也將滿足氣態(tài)巨行星的形成條件。盡管拉爾斯·巴克哈爾在之前提到過這些氣態(tài)巨行星給宜居行星帶來的威脅，然而這種威脅也并不是絕對的，像我們太陽系這樣氣態(tài)行星和衍生行星共存的情況應(yīng)當并非唯一的特例。
他說：“在開普勒-20行星系統(tǒng)中擁有5顆行星。其中有3顆是土星大小的氣態(tài)行星，另外兩顆是巖石質(zhì)的類地行星，它們相互之間的排列順序是大-小-大-小這樣間隔排列。如果那些土星大小的行星發(fā)生了遷徙，那么這些較小的行星是如何會排列到它們中間的？有一件事是清楚的，在宇宙大爆炸之后不久，產(chǎn)生類地行星的條件便已經(jīng)成熟，這就讓遠比我們古老的生命在宇宙早期出現(xiàn)的可能性大增。或許它們生活在壽命漫長的紅矮星周圍，或者在它們的“太陽”熄滅之后已經(jīng)在此踏上旅途尋找下一個家鄉(xiāng)。也或許，我們真的是宇宙中第一批智慧生命，這也就意味著到目前為止在整個宇宙歷史中生命僅僅還是第一次出現(xiàn)。那么我們的存在真的是一個奇跡，而我們所在的行星，也將因此變得非常非常與眾不同。
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