問爱善：生命将在我們的宇宙中坚持多长？

    今天在宇宙中有很多對生命友好的恆星系統。但在遙遠的未來的某个点上，生命的最終滅絕將發生。

STARTS WITH A BANG — FEBRUARY 23, 2024

Ethan Siegel

STARTS WITH A BANG — FEBRUARY 23, 2024

Ethan Siegel

 

如果來自一个母星的光線能被遮擋，例如用一个日冕儀或一个星罩，在它的宜居帶內的類地行星可能潜在的被直接成像，允许搜索許多潛在的生物签名。在遙遠的未來，這些壽命最長、質量最低的恆星可能是在宇宙中生命坚持的地方嘚最後地點。Credit: NASA/JPL-Caltech

關鍵要點

    今天，幾乎到處都有生命的原成分以及许多围绕太陽一样恆星在合適距離在它们的表面上有液態水的地球大小的行星，我們完全期望生命是豐富的。

    然而，這些生命友好的條件不會永遠持續下去。恆星形成率正在下降，太陽一样恆星有限的壽命，更低的質量、壽命更長的恆星对支持生命可能太暴力。

    這是否意味著宇宙对远更長對生命不會是友好的？還是像俗話說的那樣甚至以這些它未來面臨的宇宙困難生命将“找到一条出路”嗎？這里是今天科學知道的

    我們的宇宙最谦虚的方面之一是知道有足夠的時間所有事物将最終消逝。新的恆星和恆星系統，雖然它們被預計將在未來數十億甚至數萬億年保持形成但正在下降，目前的恆星形成率僅為大約110億年前它的高峰期的3%左右。像地球一樣的行星圍繞像太陽一样恆星，雖然今天相對的常見，但在遙遠的未來將極端的罕見。而壽命最長的恆星，即便围绕它們有地球大小的行星，由於它們的令人難以置信的活躍行為对支持生命可能是可怜的候選。

    在遙遠未來中的某些点上，宇宙中最後一個活的世界將遭遇它的滅亡，标志着一个我們知道为我们的宇宙内生物活動的終結。但什麼時候這發生呢？智慧生命的最後機會將在何時何地坚持？這就是特裡·鄧恩（Terry Dunn）想知道的，他寫的如下：

     “我的問題是關於數十億年中智慧生命的可能性。M級恆星對生命是極端敵意的（正如我們所知）。金髮姑娘帶中的行星是如此接近以致它們像我們的月球一樣潮汐上被鎖定，並且總是一面朝向太陽。因此，一邊是熾熱的热，另一邊是冰冻的冷，M級恆星釋放出大量對生命是致命的危險輻射（正如我們所知）。因此，雖然現在在宇宙中肯定有生命（但不在附近），但在數十億年时间内是否可能将有生命？

    儘管有健康量的不確定性仍然被涉及，但這里是科學目前必須铼告诉的關於答案的最好故事。

儘管已知5000多顆系外行星已被確認，其中一半以上的它们被開普勒發現，但在我們太陽系中沒有被發現的行星的真正類似物。木星類似物、地球類似物和水星類似物用目前的技術仍然難以捉摸的。经由过境法發現的絕大多數行星都靠近它們的母星，半徑是它们的母星半徑的约10%（或相當於表面積的约1%）或更多，並且都在环绕低質量、小尺寸的恆星。Credit: NASA/Ames/Jessie Dotson and Wendy Stenzel; annotated by E. Siegel

宜居行星的成分

    如果你想讓生命在宇宙中发生，一颗行星（或世界例如在宜居的月球案例）可能不是絕對需要的，但它肯定提供一個出色的環境，在那里生命的浮現被一系列友好條件的歡迎。這意味著一定量的化學富集------即足夠大比氫或氦更重的元素的部分------需要先于你观察到的恆星和恆星系統形成之前已经被创造。回到2022 年，已確認的系外行星總數首次超過 5000 顆，毕竟从分析的哪个恆星周圍有行星浮现的一组惊人的事實：

    幾乎所有的行星其中98.2%都被發現围绕至少有过在太陽中的重元素含量的25%的恆星，

    剩下的1.8%的行星被發現围绕有5%到25%之間太陽的重元素含量的恆星，

    並且毕竟沒有行星被發現围绕有不到太陽中發現的重元素含量5%的恆星恆星。

    如果你想擁有一個给生命一个生存和兴旺棲息地的岩石世界，我們需要有足夠的重元素存在，這对在整個現代日子宇宙中進化的星系中这样這些行星能夠形成的地方上放上约束。

這張彩色編碼的映射顯示銀河系內超過600萬顆恆星的重元素的豐度。紅色、橙色和黃色的恆星都是重元素丰富的它們應該有行星;綠色和青色編碼的恆星應該罕见的有行星，而藍色或紫色編碼的恆星周圍應該絕對沒有行星。請注意，星系盤的中心平面一路延伸进銀河系核，有宜居的岩石行星的潛力。Credit: ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 IGO

恆星和宜居性

    行星為生命提供从中生化反應变得可能的原始元素，但生命的浮現的另一個必要成分是能量來源。雖然一颗恆星对提供這样一个源可能不是唯一可能性------因為放射性衰變、由一颗母行星或大月亮引诱的潮汐力、火山活動以及其他內部和外部來源都是合理的------但我們知道太陽提供地球上幾乎所有形式生命的能量。然而，選擇有一顆恆星為一個世界上的生命提供動力，對能发生的生命友好型世界類型放上巨大的限制。

    对一个，你必須有一個相對你的恒星的一个好位置。如果你發現你自己離你的母星太近，來自恆星的壓倒性的熱、風和輻射會做像剝離掉大氣層或將表面加熱到在这个世界的表面上唯一液體能存在的是熔岩基的点上的事情。同樣，如果你發現你自己離你的母星太遠，你會太冷并從恆星接收的能量太少生命不能存在在表面上。（雖然被內部熱驅動的一个地下海洋内的生命可能仍然是一種可能性）。這就是天文學家和天體生物學家叫的「宜居帶」背後的想法，它描述給定一个地球一样大氣層的地方，液態水在行星表面上将是可能的。

我们的一个宜居帶的概念被一顆地球大小的行星在距它的母星的特定距離處有一个地球一样的大氣層有液態水的能力在它的表面上沒有一个冰層的傾向定義。雖然這描述地球擁有的條件，但尚不知道這是否是一个生命的要求或甚至一个偏好。沒有一个已知是可居住的，但提出一些了誘人的可能性：大体上在地球大小的行星中，不是那些周圍有大的不穩定的氣體包層的超地球大小的行星。Credit: Chester Harman; NASA/JPL, PHL at UPR Arecibo

    每顆恆星的宜居帶是獨一無二的，被恆星的溫度和光度決定：它的整體能量輸出。内在上你的恆星越亮，宜居帶離恆星就越寬、越遠，内在上你的恆星越冷、越暗，它的宜居帶将越窄、越靠近恆星。在我們自己的太陽系中，宜居帶被認為從地球的軌道向內延伸到刚好比金星到太陽的距離稍更遠，但向外延伸到火星位于的地方，也許仅稍微更遠一點。許多科學家相信如果火星只是更大一點和質量更大，它可能就像地球一樣对生命一直是適合的，甚至在很長一段時間內。

    然而，這對比太陽質量更大的恆星是一個大的困難。你看，行星一旦它们最初形成需要時間来冷卻以便生命在它們上发生;一個被火山活動覆蓋在那里唯一的“海洋”被煮沸到大氣层中的世界並不完全是人們会叫的生命友好型，至少基於我們目前的生命的理解。但對恆星，恆星的總壽命也依靠恆星的質量，這被密切联系到恆星的内在亮度。這意味著質量超過太陽150%的恆星可能毕竟不為生命来发生和維持提供良好的位置。

（現代）摩根-基南光譜分類系統，每個恆星類別的溫度範圍顯示在其上方，以開爾文為單位。就大小而言，最小的M級恆星仍然是太陽直徑的12%左右，但最大的主序星能是太陽大小的幾十倍，演化的紅超巨星（未顯示）達到太陽大小的數百倍甚至1000+倍。一颗恆星（主序星）的壽命、顏色、溫度和光度都主要被一個单一屬性決定：質量。Credit: LucasVB/Wikimedia Commons; Annotations: E. Siegel

恒星质量和寿命

    有句老話說，「燃燒兩倍明亮的火焰只活一半长」，但對恆星情況比這遠更糟糕。你的恆星質量越大，它在它的核有的来產生核聚變的燃料就越多，因此質量更大的恆星比它们的質量更小的恆星更亮照耀是不足為奇的。但也許令人驚訝的是你的恆星質量越大：

    它的核中的最大溫度越大，

    核聚變能發生的地方的核的體積就越大（溫度超過约400萬K），

    並且它燃燒位於它核內的核燃料就越快。

    當你把所有的累積效應加在一起時，你發現的是一顆質量是另一顆恆星兩倍的恆星只活它的八分之一（約12%）！

    此外，恆星在它的一生中通過加热起来演化，這意味著任何可居住的行星都只有一个在它的母星如此嚴重加热起来以至於它的海洋沸騰掉任何生物活動都被消毒之前有限量的其中它能支持生命的時間。在行星地球上，在那发生之前我們可能有大約另一个10億到20億年的時間，但是在一顆围绕更大質量恆星的行星上，任何形成的生命会在它能够已经進化成複雜、分化和智能的某些東西之前早已经被消毒了。圍繞更大質量恆星的行星只是時間用完了。

在一顆太陽質量恆星的一生中的光度、半徑和溫度中的變化，從45.6億年前它的核開始核聚變直到數十億年後它过渡成一顆成熟的紅巨星，這是太陽一样恆星終結的開始。儘管每年的變化是小的，但它們的長期累積效應不能被忽視。更大質量的恆星更快的演化，更小質量的恆星更慢的演化。Credit: RJHall/Wikimedia Commons

     但從長遠看這可能使質量更小的恆星比像我们太陽一樣的恆星对生命甚至是更具吸引力的候选。首先這可能聽起來違反直覺的，因為圍繞壽命最長按照天文學家落入“M級” 也俗稱紅矮星恆星的低質量恆星的行星------面臨著兩個主要問題，這些問題在像地球這樣的行星上不存在，它們环繞太陽一样（G級）恆星。比太陽質量更低的恆星可能活數千億年甚至數萬億年，而最低質量的恆星都坚持達约100萬億年。它們面臨的這兩個問題是重要的，但对生命仍然可能不是交易破壞者。

    1.） 潮汐鎖定。到一个更大質量的母體比如一颗恆星到更小質量的軌道天體比如一颗行星）的距離決定在其上更小質量的天體变得被潮汐鎖定到質量更大的天體的時間尺度。潮汐鎖定是月球环绕地球發生了的並解釋為什麼月球的一側同一側總是面向地球。围绕M級恆星，我們叫宜居帶內的所有行星都將仅在幾百萬年內变得被鎖定，顶意味着它們有一個總是面對它們的恆星的灼熱的一面和是寒冷的永遠不會接收來自母星的直射光的另一面。

有錯誤的大氣层比如一个二氧化碳為主的大氣层，熱會均勻地跨整個TOI-700d傳遞，它嚴重的不利於生命。但有一个CO2大氣層，围绕紅矮星的系外行星可能能夠被JWST用过境光譜技術看到和探測到。在這樣一个世界上生命是否可能依靠它的大氣层内容和穩定性。Credit: Engelmann-Suissa et al./NASA’s Goddard Space Flight Center

    有很多行星科學家認為這種潮汐鎖定不利於生命，因為它跨整個星球创造一个嚴重和恒定的溫度梯度，每次軌道公轉只在它的軸上自旋一次。然而：

    在行星上的潮汐力將加熱行星核，

    這可能能够產生（不一定的需要）保護磁場並導致更多的火山放氣，

    這可以防止大氣被剝離掉，

    在那里大氣循环能使液態水可能，甚至可能的生命，不仅处在沿晝夜邊界的一个狹窄「環」中而且在很好延伸进白天和黑夜一面的區域中。

    換句話說，這種「潮汐鎖定」在它對地球上的我們似乎不尋常的同时，可能对生命发生和繁榮不會是一个阻礙。然而，還有第二個围绕低質量恆星的行星必須應對的主要問題。

    2.） 耀斑活動。然而，這個問題是嚴重的。雖然像我们的太陽一樣的恆星是只极端輕微的變化的------它的能量輸出每十億年只增加幾個百分點，甚至在太陽週期的極端變化不超過约0.1%------我們已经觀察到的所有低質量恆星仍然巨大的活躍和可變的，甚至在它們誕生后數十億年。紅矮星有是巨大的類似於太陽黑子的星黑子，能覆蓋恆星面積的一半。儘管發射比太陽远更少的光，但它們频繁的發射高能的X射線和富紫外線的耀斑，所有這些都能夠剝掉一颗环绕行星的大氣層。

這張圖像顯示演化恆星HD 12545的一个溫度轮廓，它與我們的太陽不同，在它上面不僅有少量的微小太陽黑子，而且被一個巨大的、橫跨恆星的覆蓋它的表面大約25%的星斑主导。許多恆星，包括低質量的恆星、年輕恆星和快速旋轉的恆星，都有巨大的能在它们系統的宜居性中起一个重要角色的太陽黑子：就在现在不利於它們作為生命的良好候選。然而，在足夠長的時間尺度上，甚至最低質量的紅矮星将安顿成一个穩定穩定的、不變的、光度一致的狀態。Credit: K.Strassmeier, Vienna, NOIRLab/NSF/AURA

    許多人已经推測，這種類型的恆星活動让這些行星完全的不適合居住，但這裡有一個重要的警告：暫時的。你看，我們的太陽和所有的恆星从前也是這樣：活躍的、耀斑豐富的、频繁發射電離和蒸發大氣层的輻射和粒子。但在足夠長的時間尺度上，一颗像我们的太陽這樣的恆星安顿進入一個更穩定的相，允許一个幾乎沒有變化的溫度或強度的穩定劑量的輻射撞擊任何环绕的行星：我們所知道和認為的一組對生命友好的條件。

    原来是一顆恆星安定下來要用的時間量依靠恆星的質量。K級恆星（介於像我们的太陽這樣的G級恆星和M級紅矮星之間的恆星）可能需要數億年甚至數十億年来安顿成一个穩定的相，但我們已經看到更老的K級恆星達到這種穩定發射的狀態。對紅矮星，我們完全期待有一天------但在比目前宇宙138億岁更長的時間尺度上------這些恆星也將達到一個穩定的相。即便它們很早就剝掉环绕行星的大氣層，火山活動能補充它，導致生命将在这样一个进入遙遠未來发生的可能性：從現在開始數萬億年。

這張哈勃太空望遠鏡的圖像展示孤立的空无星系MCG+01-02-015，它位於一個沒有星系的空无中心附近。在它的1億光年內沒有其他已知的星系，它或许是已知宇宙中最孤獨的星系。像這樣的孤立盤狀星系經歷一个穩定的低層恆星形成速度，只要恆星形成氣體仍然在它之内，這能坚持令人难以置信的時間尺度。Credit: ESA/Hubble & NASA and N. Grogin (STScI); Acknowledgement: Judy Schmidt

恆星形成的長尾和生命的最後希望

    然而，在从现在很久很久的某個時候恆星將停止形成。跨宇宙的恆星形成速度自它110億年前的鼎盛時期以來一直在下降，現在正好位于它的最大值的3%左右，同時繼續在下降。一旦一個星系已经失去它之内的所有氣體，它就不再有能夠形成下一代恆星的物質，因此質量最高、壽命最短的恆星都會隨著時間開始垂死掉。幾十億年已经過去了，只剩下更低質量、顏色更紅的恆星，這些星系变得被稱為「紅色和死亡」

    大型星系團中心附近的大質量星系變紅并最快的死亡，而孤立的、富含氣體的星系將持續最長的時間，在未來數萬億年或可能更长時間內參與所謂的靜止恆星形成。在恆星形成仅緩慢的地方------在一个涓涓細流而不是大規模爆發------這些富含氣體的星系将保持形成恆星長達10^15年是可能的。甚至一旦彻底的停止，将有最後一組天體合併来最後照亮宇宙：褐矮星或失敗的恆星最終向内螺旋並合併。

就像恆星往往在雙星、三元星和更多群的多星系統中存在一樣，褐矮星也是如此：失敗的恆星。有可能存在有足夠隔开的雙褐矮星系統，使這些成分在从现在很長一段時間內向内螺旋和合併成为可能，在那裡它們將在后合併形成的紅矮星中點燃氫聚變。如果任何环绕的世界存在於新形成的紅矮星周圍的適當距離處，生命最終可能甚至在进入未來10^15年或更長時間內发生。Credit: NASA, ESA, and A. Feild (STScI)

當它們到達那裡時，如果它們的質量足夠大，它們能點燃聚變形成一顆紅矮星，如果在任何軌道世界上的行星條件恰到好處，一旦這顆恆星已经安顿它的生命的穩定相，生命可能发生並茁壯成長。所有這一切都意味著，當我們把拼圖的碎片放在一起時对生活接下來的機會。

    對今天存在的恆星，質量最低的恆星仅在數千億甚至數萬億年後已经过去后變得適合居住，並且可能仍然長達约10^14（100萬億）年可居住的。

    對还没有形成的新恆星，可能會给它帶來新的生命機會，延伸到进入未來约10^17年。

    對於最终将从褐矮星合併形成的恆星，它們在引力相互作用將我們認為的“星系”從圖片中完全刪除之前可能會在进入未來10^21年繼續點燃。

    我應該強調所有這一切都伴隨着大量的不確定性和未知數而来。畢竟，甚至在 2024 年，地球仍然是我們所知道的唯一一個生命从来发生过並繼續繁榮的世界。至少就我們理解它的那樣生命的可能性仍然是多種多樣和無處不在的，甚至在远进入我們宇宙的宇宙未來中也應該是合理的，即便我們的宇宙家園对远更長一不会適合居住的。在一個擁有如此多世界和如此多生化可能性的宇宙中------過去、現在和未來------来假設在這裡事物展開的方式代表通往成功的唯一合理途徑是愚蠢的。.

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