地球科学家深入研究为什么我们可能是银河系中唯一的生命

发布时间：2024-08-19 14:20:02 栏目：生活

导读 德克萨斯大学达拉斯分校地球科学家 罗伯特·斯特恩博士 和同事进行的新研究提出了一个地质学解释，解释了为什么尽管德雷克方程预测我们的

德克萨斯大学达拉斯分校地球科学家 罗伯特·斯特恩博士 和同事进行的新研究提出了一个地质学解释，解释了为什么尽管德雷克方程预测我们的银河系中应该有许多这样的文明能够与我们交流，但仍然没有找到先进外星文明的确凿证据。



在 4 月 12 日《自然科学 报告》在线版发表的一项研究中 ， 斯特恩和苏黎世瑞士联邦理工学院地球科学教授塔拉斯·格里亚博士提出，在适宜生命的行星上，海洋和大陆的存在以及长期的板块构造对于活跃的交流文明 (ACC) 的进化至关重要。

研究人员得出结论，由于系外行星上这三种要求可能无法满足，因此银河系中此类外星文明的预期数量将大大减少。

“地球上的生命已经存在了大约 40 亿年，但像动物这样的复杂生物直到大约 6 亿年前才出现，而这距离现代板块构造开始不久，” 自然科学与数学学院 可持续 地球系统科学教授斯特恩说。“板块构造确实启动了进化机器，我们认为我们了解其中的原因。”

大家都在哪里?

1961 年，天文学家弗兰克·德雷克博士设计了一个 方程式 ，其中将几个因素相乘，以估算我们银河系中能够向人类告知其存在的智慧文明的数量：

N = R* x f p x ne x f l x f i x f c x L

N： 银河系中可探测到电磁辐射(无线电波等)的文明数量。

R*： 每年形成的恒星数量。

f p：具有行星系统的恒星的比例。

n e：每个太阳系中具有适宜生命生存环境的行星数量。

f l：适合生命存在的行星的比例。

f i： 出现智慧生命的适宜生命行星的比例。

f c：开发出可产生可检测存在迹象的技术的文明的比例。

L：此类文明产生此类迹象的平均时间长度(年份)。

为这七个变量赋值就像一场有根据的猜谜游戏，人们预测这些文明应该广泛存在。但如果这是真的，为什么没有确凿的证据证明它们存在呢?

这一矛盾被称为费米悖论，以核物理学家、诺贝尔奖获得者恩里科·费米博士的名字命名，他非正式地向同事提出了这个问题。

在他们的研究中，斯特恩和格里亚建议改进德雷克方程的一个因子——f i，即出现智慧生命的适宜生命行星的比例——以考虑到大海洋和大陆的必要性，以及这些行星上超过 5 亿年的板块构造的存在。

“在最初的表述中，这个因素被认为接近 1，即 100%——也就是说，所有有生命的行星上的进化都会向前推进，并在足够的时间内转变为智慧文明，”斯特恩说。“我们的观点是：这不是真的。”

板块构造的影响

板块构造学是 20 世纪 60 年代末提出的一种理论，该理论认为地壳和上地幔分裂成移动的碎片或板块，它们的移动速度非常缓慢——大约与指甲和头发的生长速度一样快。

在我们的太阳系中，四个具有表面变形和火山活动的岩石天体中，只有一个——地球——具有板块构造。斯特恩说，另外三个——金星、火星和木星的卫星木卫一——正在积极变形，拥有年轻的火山，但它们缺乏板块构造。另外两个岩石天体——水星和月球——缺乏这样的活动，在构造上处于死亡状态。

“行星更常见的情况是拥有一个没有碎裂的固体外壳，这被称为单盖构造，”斯特恩说。“但板块构造比单盖构造更能有效地推动高级生命形式的出现。”

随着板块运动，它们会相互碰撞或分离，形成山脉、火山和海洋等地质结构，这也使得温和的天气和气候模式得以发展。通过风化，营养物质被释放到海洋中。通过创造和破坏栖息地，板块构造对物种的进化和适应施加了中等但持续的环境压力。

斯特恩和格里亚还评估了大片陆地和海洋的长期存在对于进化出活跃且具有通讯能力的物种的重要性。

斯特恩说：“ACC 需要大陆和海洋，因为从简单到复杂的多细胞生命的进化必须在水中进行，但进一步的进化，包括对夜空的探索、利用火和使用金属创造新技术，以及最终出现能够将无线电波和火箭飞船发送到太空的 ACC，都必须在陆地上进行。”

完善德雷克方程

研究小组对德雷克方程提出了修改，将 f i定义 为两个项的乘积：f oc，即拥有重要大陆和海洋的宜居系外行星的比例，以及 f pt，即具有长期板块构造的行星的比例。

根据他们的分析，斯特恩表示，拥有最佳水量的系外行星的比例可能非常小。他们估计 f oc的值 介于 0.0002 和 0.01 之间。同样，该团队得出结论，持续超过 5 亿年的板块构造也极不寻常，导致 f pt的估计值 小于 0.17。

“当我们将这些因素相乘时，我们得到的 f i的精确估计值 非常小，在 0.003% 到 0.2% 之间，而不是 100%”，斯特恩说。“这解释了我们星系中适合智慧生命发展的行星条件极其稀少，并解决了费米悖论。”

据 NASA 称，通过地面观测和开普勒和詹姆斯·韦伯太空望远镜等轨道平台，银河系中已确认有 5,000 多颗系外行星。尽管包括德克萨斯大学达拉斯分校行星猎人、 物理学助理 教授 Kaloyan Penev 博士在内的科学家在寻找其他恒星周围的行星和估计岩石行星数量方面取得了进步，但他们还没有能力探测系外行星上的板块构造。

“生物地球化学认为，固体地球，尤其是板块构造，加速了物种的进化，”斯特恩说。“像我们这样的研究很有用，因为它们激发了人们对更大谜团的广泛思考，并提供了一个我们如何将我们对地球系统的了解应用于有关宇宙的有趣问题的例子。”