重元素??也就是天文學(xué)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(guò)超新星爆發(fā)的形式向周圍空間散播的�？茖W(xué)家們現(xiàn)在想知道，宇宙究竟是在何時(shí)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(shí)間9月10日消息，據(jù)物理學(xué)家組織網(wǎng)站報(bào)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(dāng)初在塌縮過(guò)程中形成太陽(yáng)和太陽(yáng)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(dāng)時(shí)的原始星云中，這些物質(zhì)僅僅占據(jù)微量成分，加起來(lái)一共僅占整個(gè)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(shí)際總量仍然相當(dāng)驚人，根據(jù)現(xiàn)在的計(jì)算，這一原始星云中所含的重元素物質(zhì)足以組成30個(gè)地球這樣的行星。這些重元素??或者天文學(xué)家們所說(shuō)的“金屬”??在天文學(xué)中，科學(xué)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(guò)程中將合成的重元素物質(zhì)拋向空間之中，經(jīng)過(guò)一代代恒星的不斷積累，改變著宇宙中化學(xué)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(dá)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(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)原始行星盤逐漸形成的，這一說(shuō)法會(huì)出現(xiàn)在任何天文學(xué)教科書中，人盡皆知。而我們生活的這個(gè)宇宙迄今已有137億年，因此我們的太陽(yáng)系誕生的歷史僅僅只占到了宇宙整個(gè)歷史的1/3。有沒(méi)有可能在更加早的時(shí)期，宇宙中便已經(jīng)有了巖石行星？直到最近，科學(xué)家們都不這么認(rèn)為。因?yàn)橹髁鞯睦碚撜J(rèn)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(diǎn)，因?yàn)榭茖W(xué)家們觀察那些系外行星圍繞運(yùn)行的中央恒星，它們的金屬度(也就是重元素含量)都和太陽(yáng)相當(dāng)或比太陽(yáng)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(shí)證明，當(dāng)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(duì)于“何種恒星周圍可以形成行星”這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)。
直到2009年，美國(guó)宇航局發(fā)射了開普勒空間望遠(yuǎn)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?cè)趪@恒星非常近的距離上運(yùn)行，這當(dāng)然僅僅是因?yàn)樗鼈兪撬邢低庑行侵凶钊菀妆惶綔y(cè)到的類型。這些行星看起來(lái)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(yuǎn)鏡的觀測(cè)結(jié)果完全改變了我們對(duì)系外行星的認(rèn)識(shí)。開普勒望遠(yuǎn)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(gè)前所未有的嶄新視角。到目前為止，開普勒項(xiàng)目已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了2321顆疑似系外行星目標(biāo)，其中有超過(guò)1/3是體積相對(duì)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(yuǎn)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(duì)于這些擁有系外行星的恒星進(jìn)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(xué)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(yùn)行的恒星的金屬度之間存在那樣強(qiáng)烈的相關(guān)性�！卑涂斯柺且粋�(gè)多國(guó)天文學(xué)家小組的負(fù)責(zé)人，該小組利用光譜對(duì)150顆恒星進(jìn)行了研究，這些恒星周圍一共有226顆疑似行星圍繞運(yùn)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(guó)天文學(xué)會(huì)會(huì)議上進(jìn)行了提交，并隨后發(fā)表在了《自然》雜志上。
瑞典倫德天文臺(tái)的安德斯?喬納森(AndersJohansen)是巴克哈爾研究論文的合著者，他說(shuō)：“乍看起來(lái)這些巨行星對(duì)金屬度的依賴性反而高于類地行星是有悖常理的。”只有當(dāng)你停下來(lái)認(rèn)真思考行星的形成過(guò)程時(shí)，事情才會(huì)逐漸變得清晰起來(lái)。行星從規(guī)模較小的原始核心到最終通過(guò)吸積過(guò)程成為行星體，這一過(guò)程對(duì)于木星這樣的氣態(tài)巨行星仍然存在爭(zhēng)議：它們可以直接從太陽(yáng)星云中像恒星那樣冷凝形成嗎？或者它們需要一個(gè)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(shí)現(xiàn)迅速成長(zhǎng)？
氣態(tài)巨行星對(duì)高金屬度恒星的“青睞”顯示它們是通過(guò)核心吸積過(guò)程形成的，也就是形成一個(gè)相當(dāng)于地球質(zhì)量10倍的巖石內(nèi)核，并用強(qiáng)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?yàn)樵谶@之后大約1000萬(wàn)年，來(lái)自太陽(yáng)的強(qiáng)烈星風(fēng)開始吹起，將那些來(lái)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(lái)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(duì)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(lái)看，那些圍繞低金屬度恒星運(yùn)行的行星系統(tǒng)似乎就成了搜尋外星生命線索的適宜場(chǎng)所。因?yàn)闆](méi)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(cè)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(shí)間僅有數(shù)天。這些行星并非產(chǎn)生時(shí)就離開恒星如此之近，相反，它們是從誕生位置逐漸遷移過(guò)來(lái)的。喬納森表示，現(xiàn)在正有越來(lái)越多的天文學(xué)家傾向于認(rèn)為這樣的遷徙動(dòng)作是由于周圍氣體物質(zhì)對(duì)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(dòng)。這些和原始行星盤之間發(fā)生的摩擦和攝動(dòng)轉(zhuǎn)移了行星的一部分角動(dòng)量，讓其軌道逐漸向著中央的恒星靠攏。
當(dāng)這些巨行星遷徙時(shí)，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(huì)被強(qiáng)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(guò)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�！币虼松谠缙谟钪嬷锌赡苌畹馗訍芤�，因?yàn)榘葺^低的恒星金屬度所賜，當(dāng)時(shí)的行星系中應(yīng)當(dāng)不存在巨行星。而沒(méi)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(kuò)展生命在時(shí)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(xué)演化是從中心向著邊緣進(jìn)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(duì)低一些。根據(jù)原先的理論，星系的外緣區(qū)域是無(wú)法讓生命生存的，因?yàn)檫@里并不存在足以構(gòu)成行星和生命體的重元素。但是當(dāng)后來(lái)，這一區(qū)域的金屬度不再成為一個(gè)大問(wèn)題時(shí)，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(biāo)，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(shí)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(yuǎn)的過(guò)去，宇宙中的重元素含量應(yīng)當(dāng)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(lái)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(lái)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(cè)的結(jié)果的確發(fā)現(xiàn)隨著恒星金屬度的降低，圍繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的系外行星數(shù)量同樣出現(xiàn)下降，然而科學(xué)家們同時(shí)也注意到這種下降的趨勢(shì)中，類地巖石行星的下降幅度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于氣態(tài)巨行星。
當(dāng)然，在行星形成過(guò)程中一些重元素的存在是必須的，然而問(wèn)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(rèn)為這里存在一個(gè)下限值�！彼f(shuō)：“原因很簡(jiǎn)單：低于這一金屬度閾值，將沒(méi)有足夠的重元素物質(zhì)用來(lái)構(gòu)建地球大小的行星�！�
很顯然的一點(diǎn)是，在一個(gè)金屬度僅有太陽(yáng)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(gè)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(guò)我們確實(shí)知道這一時(shí)間一定很早，屬于早期宇宙范疇。因?yàn)楹茱@然的一點(diǎn)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(cè)量數(shù)據(jù)，在大爆炸后不到10億年，當(dāng)時(shí)的恒星形成速率大約為每年4000個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量，而在今天的銀河系，這一數(shù)值是每年大約10個(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。
尼爾斯?玻爾研究所的宇宙學(xué)教授約翰?費(fèi)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(shí)，當(dāng)時(shí)的這些恒星擁有的金屬度大約為今天太陽(yáng)的1/10�！彼f(shuō)：“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�！币虼恕百M(fèi)米悖論”在這里就會(huì)變得更加糟糕，更加詭異：看起來(lái)這些巖石行星正運(yùn)行于遠(yuǎn)比我們?cè)仍O(shè)想的要多得多的恒星周圍，運(yùn)行于遠(yuǎn)遠(yuǎn)比我們?cè)O(shè)想更加久遠(yuǎn)的年代之中，不管從時(shí)間還是空間范疇上去考慮，巖石行星的數(shù)量和存在的時(shí)間范圍都將大幅度地被延伸出去。
著名的費(fèi)米悖論是由美籍意大利物理學(xué)家費(fèi)米提出來(lái)的一項(xiàng)看似簡(jiǎn)單的疑問(wèn)：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(méi)有造訪我們？它們究竟在哪里？而當(dāng)你考慮德雷克方程第一項(xiàng)時(shí)，情況將會(huì)變得更加糟糕：這是一個(gè)計(jì)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(xiàng)指標(biāo)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(dāng)時(shí)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(gè)太陽(yáng)質(zhì)量。而如果這一數(shù)值增加10倍或100倍，它將直接導(dǎo)致智慧文明可能存在的數(shù)量大幅增加。之前對(duì)于費(fèi)米悖論的一項(xiàng)反駁意見是認(rèn)為金屬度的積累需要時(shí)間，如此一來(lái)，太陽(yáng)恰好成為首批達(dá)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(dòng)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(gè)時(shí)間點(diǎn)上出現(xiàn)的，這樣的結(jié)果讓我們不得不再次發(fā)問(wèn)：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(guò)被毀滅的命運(yùn)的話)現(xiàn)在就應(yīng)該已經(jīng)比我們先進(jìn)數(shù)十億年，這樣的文明社會(huì)估計(jì)已經(jīng)不再會(huì)為一個(gè)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(guó)物理學(xué)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(jí)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(gè)故事中間卻也出現(xiàn)了一些轉(zhuǎn)折。2010年，德國(guó)馬普天文研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)一顆圍繞恒星運(yùn)行的巨行星，這顆行星很獨(dú)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(hào)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(gè)存在于遠(yuǎn)古時(shí)期，后來(lái)被銀河系吞噬的矮星系留下的遺跡。而在今年，同一個(gè)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(yùn)行。這顆恒星編號(hào)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(dāng)時(shí)距離宇宙大爆炸僅有9億年。
目前，對(duì)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(jī)制。從另一方面來(lái)看，這至少說(shuō)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(shí)期便開始形成。
元素豐度
對(duì)于一些遙遠(yuǎn)宇宙中的暗弱星系，它們發(fā)出的光芒太過(guò)暗弱，因而無(wú)法對(duì)其光譜進(jìn)行測(cè)量，但是科學(xué)家們可以利用其中自然的背景光源，如高亮度的類星體來(lái)對(duì)這些星系進(jìn)行探究。當(dāng)使用這種手段對(duì)一個(gè)存在于120億年之前星系的化學(xué)成分進(jìn)行研究時(shí)，一個(gè)包括費(fèi)恩博在內(nèi)的天文學(xué)家小組得到了一個(gè)相當(dāng)令人驚訝的發(fā)現(xiàn)。費(fèi)恩博表示：“我們對(duì)一個(gè)類星體的光進(jìn)行觀察，這些光照亮了一個(gè)遙遠(yuǎn)星系的背景，在那里這些光被星系物質(zhì)吸收。”他說(shuō)：“這樣一來(lái)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(xué)成分應(yīng)當(dāng)相當(dāng)原始，然而在這個(gè)星系中情況卻似乎并非如此。費(fèi)恩博和他的同事們將這一結(jié)果報(bào)告給了《皇家天文學(xué)會(huì)月報(bào)》，他們報(bào)告稱在這一星系中探測(cè)到了和太陽(yáng)相等同水平的重元素豐度水平。實(shí)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(xué)家們利用類星體的光穿過(guò)前景星系原始行星盤的契機(jī)，觀察這一行星盤的吸收線。最終觀察到具備太陽(yáng)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(wàn)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(dá)到如此程度的重元素豐度。那么，在那么古老的年代，這個(gè)星系究竟是怎么會(huì)達(dá)到如此高的重元素豐度的？對(duì)于這一問(wèn)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(guò)程，這種狂風(fēng)驟雨般的過(guò)程在星系核心位置大量合成重元素并將其擴(kuò)散至星系邊緣位置。這種擴(kuò)散可能是通過(guò)強(qiáng)烈的星風(fēng)或超新星爆發(fā)時(shí)的強(qiáng)烈沖擊波實(shí)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(kuò)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(chǎng)嚴(yán)峻考驗(yàn)，費(fèi)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(lái)在遠(yuǎn)離核心的星系邊緣位置，在很早的歷史時(shí)期便已經(jīng)可以滿足這樣的條件，這一點(diǎn)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(guò)這些氣態(tài)巨行星給宜居行星帶來(lái)的威脅，然而這種威脅也并不是絕對(duì)的，像我們太陽(yáng)系這樣氣態(tài)行星和衍生行星共存的情況應(yīng)當(dāng)并非唯一的特例。
他說(shuō)：“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(huì)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(yuǎn)比我們古老的生命在宇宙早期出現(xiàn)的可能性大增�；蛟S它們生活在壽命漫長(zhǎng)的紅矮星周圍，或者在它們的“太陽(yáng)”熄滅之后已經(jīng)在此踏上旅途尋找下一個(gè)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(gè)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(gè)奇跡，而我們所在的行星，也將因此變得非常非常與眾不同。(新浪科技訊 晨風(fēng))
本文來(lái)自：逍遙右腦記憶 http://yy-art.cn/chuzhong/930474.html
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