银河系可能有36个外星文明?这个数怎么算出来的?

中国记录通讯社消息 英国广播公司(BBC)中文网发表文章称,英国天体物理学家近期发表研究论文称,我们所处的银河系中可能至少有36个与地球相似的、活跃的、科技发达的智慧文明。“银河系可能有36个外星文明”这个数字是怎么算出来的?外星人到底有没有?地球真的是孤独星球吗?

银河系可能有36个外星文明?这个数怎么算出来的?

公式

类似地球的外星文明是否存在,地球是不是银河系的孤独星球,这个古老的问题第一次有了具体的推测数字,距离答案又近了一步。

英国诺丁汉大学天体物理学教授康塞利斯(Christopher Conselice)和韦斯特比(Tom Westby)把他们的研究论文发表在《天体生物学》网站(2020年4月)和《天体物理学》(2020年6月)杂志上。

论文提到,“银河系可能有36个外星文明”。那么,这个数字是怎么算出来的?

探索银河系还有多少星球上可能存在类似地球文明,到目前为止最主要的工具是德雷克公式,1961年天文学家德雷克(Frank Drake)提出的。

这个公式包含7个因数,根据这些因数推算出银河系可能存在的具有交流能力的智慧文明星球的数量。要进行运算,必须先确定所有的因数。

这些因数从银河系每年平均诞生多少恒星、这些恒星中能形成类地行星的比例,到一种类地球文明从产生到具备向太空发出能够探测到的通信交流信息的能力,需要多长时间。

2013年,美国麻省理工大学(MIT)天体物理学家西格尔(Sara Seager)提出了她的公式,用来推算今后几年可能发现多少具有可探测生命迹象的行星。

这个公式的因数包括可以观察的恒星数量,其中多少周围有行星围绕,其中能够被观察的有多少,等等。

西格尔的公式不涉及外星生命是否具有智能,是否能使用无线电发射信号等;她关注的是星球上的生命数量上是否多到足以改变星球大气层的化学成分组合,就像地球的大气层一样。这种化学成分的组合类似于人的指纹,通过大气层的分析可以探测那个星球上是否存在生命,以什么形式存在。

软肋

但是,这两个工具为什么到现在为止还没有得出有实际意义的运算结果呢?关键是组成公式的因数大部分未知。

《大问题:宇宙》(The Big Questions: The Universe)一书作者克拉克(Stuart Clark) 在书中指出,德雷克的公式最主要的用途是提供了一种思路,一个框架。

因为公式运算所必要的7个因数里只有一个是已知的,即每年有多少新的恒星形成,天文学界普遍接受的一个计算结果是每年平均7颗。

德雷克公式里其他因数目前都未知,也很难确定。

而西格尔公式的致命弱点和德雷克公式一样,许多因数的数值无法确定,没有多少量化计算的价值,但两者都有助于人们整理思路。

假设

诺丁汉大学天体物理学家康塞利斯和韦斯特比在德雷克公式的基础上提出了新的思路,或者说用新的因数和假设前提调整了公式,得出的结论比 “0-10亿之间”那种无意义的跨度更具体。

太阳是恒星,围绕恒星周转的行星,比如地球,在一定的条件下可以形成生命。

他们的运算基于一组假设,首先,假设银河系其他类似地球的星球上,智慧生命的形成和进化跟地球文明一样,那么行星诞生几十亿年后自然而然就会出现生命,然后不断进化。

根据天体生物学哥白尼原则,在必要条件都具备的情况下,一切都可能发生,从化学反应到星球形成。

假设智慧生命的形成有科学规律,而不是随意、随机,无规律,或者独一无二,那么根据康塞利斯团队的计算,得出的结果是“至少36”,即银河系可能存在至少36个与地球文明类似的活跃的、具有交流能力的外星文明。

哥白尼极限

这个运算过程用到了天体生物学的哥白尼极限概念(Astrobiological Copernican Limits) 。

哥白尼是15-16世纪欧洲文艺复兴时期的波兰神父、天文学家、数学家、医学家和法学博士,他提出了日心说(太阳是宇宙的中心,地球围绕太阳转),留下巨著《天体运行论》,彻底改变了人类的宇宙观。

被称为天体生物学的哥白尼极限分强极限和弱极限。弱极限是指一颗行星形成后至少经过50亿年才可能出现智慧生命,比如地球智慧生命出现的时间最多是50亿年前,或者是那之后的任何一段时间。

在较宽松的哥白尼理论弱极限假设下,康塞利斯团队推算出银河系目前至少有928个外星智慧文明。这意味着在更近的距离内有更多的文明存在,探测一次需要大约700年。

强极限包括一系列十分严格的限定条件;根据强极限假设,银河系中类地球行星形成后45亿到55亿年之间出现生命,过程参照地球。据此算出银河系目前可能具备交流技能的智慧文明星球的数量大约在4到211个,其中可能性最大的数值是36。

康塞利斯指出,这是保守估计。因为他们的计算中还有一个设定值,那就是地球文明开始向宇宙发出电波信号的时间,迄今为止大约100年。

因为外星文明距离地球至少1.7万光年,地球人与外星人一对一接触、交流的情形最早也得再等6120年才可能出现,如果地球文明能延续到那一天的话。

不过,他们在论文中指出:“对外星智慧文明的搜寻不仅揭示了生命形式的存在,也为我们自己的文明将持续多久提供了线索。即使我们一无所获,我们也在探寻自己的未来和命运。”

回归现实

英国剑桥大学专家肖托尔博士(Oliver Shorttle)认为,最新算式里有不少设定因数过于含混,需要细致剖析,清晰界定,否则推算出来的结果意义不大。

他接受《卫报》采访时指出,这些因数中包括地球上的生命最早是如何出现的?还有,被认为适宜生存的类地球行星中有多少是真正能够孕育出智慧生命和文明。

伦敦大学学院穆拉德太空科学实验室(Mullard Space Science Laboratory)的科蒂斯教授(Andrew Coates) 承认康塞利斯团队的假设和推算有其合理性,但寻找外星文明的努力,至少目前来看,还是着眼于离地球较近的太阳系行星更现实。

这方面努力包括欧洲宇航局和俄罗斯合作的Exomars 2022火星登陆和探索计划,将来还计划探索木星和土星的月球。