银河系 “宜居报告”

除了自己的无知，我什么都不懂。－苏格拉底

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本文发表于 2021 年 4 月 15 日的《南方周末》，发表稿不含注释。

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银河系 “宜居报告”

- 卢昌海 -

宇宙中有没有其他智慧生物？有的话会是什么样子的？这是很多人都想知道答案的迷人问题。不过，连 “有没有” 都没搞清就问 “什么样子” 显得有些 “冒进”，不如转而问一个更务实的问题：在宇宙的什么地方最有可能找到其他智慧生物？

这个问题本质上是探究宇宙中什么地方最有可能满足智慧生物的生存条件。而为了探究这个问题，首先当然得知道智慧生物的生存条件是什么？对此，一般认为有两个条件是必须满足的：一是必须有表面存在液态水的行星环境；二是行星环境必须有以十亿年计的非常长期的稳定性。

当然，这两个条件都是从地球生物及其演化中归纳出来的。由于我们迄今只有地球生物这一个样本，由此归纳出的条件是否会因样本太小而陷入某种以偏概全的误区，是可以商榷的^[注一]。但探究离不开前提，本文就姑以这两个条件为前提。若哪天发现这两个条件需要修正，本文自然也会需要修正。但那样的修正背后将是非常激动人心的科学进展，与之相比，本文的需要修正不仅微不足道，甚至是值得庆贺的。

但在那一天到来之前，我们且言归正传。

既然明确了智慧生物的生存条件，那么就可以探究宇宙中什么地方最有可能满足那些生存条件了。由于宇宙——确切说是可观测宇宙——是由上千亿个星系组成的，星系间的平均距离极其遥远，一个星系里的智慧生物极不可能依赖于其他星系。因此，探究时可将空间范围由宇宙缩减为星系——具体地说，则当然是缩减为我们生活于其中的银河系，以之为代表。

因此，我们将以银河系为范围，来探究什么地方最有可能满足智慧生物的生存条件。

有人也许会问：依照这样的逻辑，是否可将探究范围进一步缩减为某个具体的恒星及环绕该恒星的行星系统呢？初看起来，这似乎是可以的。因为除去智慧生物所处的行星系统及其所环绕的恒星之外，任何其他恒星都不过是夜空中的一些美丽亮点，诗情画意上的启迪容或有之，却似乎并不会对智慧生物的生存产生影响^[注二]。我们在地球上的经验似乎也佐证了这一点：除去源自蒙昧时代的某些迷信外，从未有任何其他恒星对人类的生活产生过哪怕最微不足道的影响，更遑论对生存产生影响。

但我们在地球上的经验跟生物演化所需的漫长时间相比，实在太短暂了，参考价值也就极为有限。若将时间拉长到智慧生物的第二个生存条件所要求的以十亿年计的漫长尺度上，情况就完全不同了。

因为在那样的漫长尺度上，恒星除了作为夜空中的美丽亮点稳定地发光外，还可以发生非常剧烈的变化。事实上，那样的变化不仅 “可以发生”，而且是必然会发生的——因为任何恒星都必然会死亡，而恒星的死亡并不是 “安乐死”，在死前会发生某种相对于平时而言非常剧烈的变化。

那种变化说白了就是爆炸——恒星越大，爆炸就越剧烈。其中最剧烈的是超新星 (supernova) 和伽马射线暴 (gamma ray burst)^[注三]。

超新星和伽马射线暴是如此剧烈，其短时间内释放的能量甚至能超过整个星系。相应地，影响范围也绝不限于特定的恒星及环绕该恒星的行星系统，而是会对一个巨大天区内的所有行星造成影响。以破坏力最大的伽马射线暴为例，它是一种可在宇宙学尺度上被观测到的现象，短时间内释放的能量甚至比普通超新星还要高出若干个数量级。那样的伽马射线暴一旦发生，哪怕远在几千光年之外，也足以对像地球这样的行星造成巨大影响^[注四]。比如它所带来的大流量的伽马射线，会在近乎瞬息之间就对地球臭氧层造成毁灭性的破坏。而臭氧层一旦被破坏，则太阳紫外线就能长驱直入，对很多生物造成危害。同时，在臭氧层遭破坏的过程中，会生成诸如二氧化氮 (NO₂) 之类的有色气体，这种气体会阻隔一部分阳光，使地球陷入 “全球冷化” (global cooling)。这些效应的综合结果，被认为是足以引发大规模的生物灭绝。事实上，有些研究者认为，发生距今约 4.4 亿年前的地球历史上五大生物灭绝事件之一的 “奧陶纪大灭绝” (Ordovician mass extinction) 就有可能是距地球几千光年的某一次伽马射线暴造成的。

几千光年虽比星系之间的平均距离小得多，在星系之内却不是一个小范围。

因此，以智慧生物的第二个生存条件所要求的漫长时间尺度来衡量，星系之外的影响确如前文所述可以忽略，星系本身则在一定程度上参与缔造着智慧生物的生存环境。也因此，探究宇宙中什么地方最有可能满足智慧生物的生存条件时，可以如前文所述将空间范围缩减为星系——譬如银河系，却不能进一步缩减为某个具体的恒星及环绕该恒星的行星系统。

既然这样，我们就以银河系为例，来介绍一份 “宜居报告”，看看智慧生物究竟适合生活在哪里。

这份报告——乃至其他同类报告——本质上是通过两方面的因素来确定 “宜居” 范围。一者可称为 “环境因素”，这一因素得高分的条件是像伽马射线暴和超新星那样的灾难性事件，在几千光年的范围内最好是稀有的——之所以只是 “最好是稀有的” 而不要求完全没有，是因为那样的灾难性事件虽会造成生物的大规模灭绝，却不一定是彻底灭绝。就好比 “奧陶纪大灭绝” 若确如某些研究者认为的那样，是伽马射线暴造成的，它终究也未曾彻底灭绝地球上的生物。但灾难性事件一旦多了，每次都幸存毕竟是小概率的，因此 “最好是稀有的”^[注五]。另一者可戏称为 “房源因素”，它得高分的条件是在 “环境因素” 好的区域——即所谓的 “宜居” 区域——里必须有较多的 “宜居” 行星及适合 “宜居” 行星环绕的恒星。因为那样的行星和恒星越多，智慧生物出现的土壤才越丰厚；反之，则哪怕 “环境因素” 再好，若 “宜居” 行星及适合 “宜居” 行星环绕的恒星太少，依然会大大降低智慧生物出现的可能性。这就好比一个再好的地段若住宅稀少一房难求，也终究算不上宜居。至于 “宜居” 行星及适合 “宜居” 行星环绕的恒星该是什么样子的，我们最熟悉的地球和太阳自然是 “样板屋”，但可以有一定程度的偏离——比如恒星和行星的质量稍大些或稍小些，行星与恒星的距离稍远些或稍近些，等等，都是可以的^[注六]。

在综合考虑这两个因素的基础之上，很多研究者对银河系里什么区域最适合智慧生物生活进行了研究，其中较新进的一项研究于 2021 年 3 月发表在了《天文学与天体物理学》 (Astronomy & Astrophysics) 杂志上。这项研究是由一个意大利研究组完成的，它通过分析银河系中恒星的形成和演化 (这跟 “环境因素” 有直接关系——因为伽马射线暴和超新星主要源自大质量恒星的死亡，从而跟恒星的形成和演化密切相关)，以及重元素的演化 (这跟 “房源因素” 有直接关系——因为构成 “宜居” 行星的质料多为重元素，从而跟重元素的演化密切相关；同时，这跟 “环境因素” 也有某种微妙关系)，得出了一份 “宜居报告”。

这份报告不仅提供空间信息，而且包含了时间信息。

也就是说，这份报告不仅告诉我们银河系里哪儿最 “宜居”，而且还告诉我们什么时段最 “宜居”。

这份报告显示：在银河系演化的早期 (具体地说，是从距今约 135 亿年的银河系形成之初到距今约 60 亿年前)，核心及中间区域的恒星形成远比外围频繁，相应地，恒星的死亡也多，像伽马射线暴和超新星那样的灾难性事件也远为频繁。因此从 “环境因素” 上讲，那时候银河系的 “宜居” 区域是在外围。但不利的是，银河系外围区域的物质密度和恒星密度都很稀疏，作为 “宜居” 行星质料的重元素的比例也很低，从而 “宜居” 行星及适合 “宜居” 行星环绕的恒星都很少，在 “房源因素” 方面得分很低。因此综合地讲，在银河系演化的早期，整个银河系都并不 “宜居”。

这一状况自距今约 60 亿年前开始出现转变。

意大利研究组的 “宜居报告” 显示，自距今约 60 亿年前开始，像伽马射线暴和超新星那样的灾难性事件的发生频率在银河系的核心及中间区域都开始下降，在外围则开始升高^[注七]。具体地说， “宜居报告” 显示，在距银河系中心约 6,500‒26,000 光年的区域里，像伽马射线暴和超新星那样的灾难性事件逐渐下降到了平均每 5 亿年不超过 1 次的频率，是整个银河系里最低的。这一区域也因此成为了这一阶段银河系里 “环境因素” 最好的区域。同时，跟外围区域不同的是，这一区域的恒星密度及作为 “宜居” 行星质料的重元素的比例都较高，从而 “宜居” 行星及适合 “宜居” 行星环绕的恒星都较多——即在 “房源因素” 方面也可以得高分。这两个因素合在一起，就缔造出了银河系历史上迄今唯一的 “宜居” 区域及时段：即距银河系中心约 6,500‒26,000 光年的区域及最近 60 亿年的时段。

由于这一 “宜居” 区域和时段是银河系历史上迄今唯一的，因此意大利研究组干脆将 “宜居报告” 的标题取为了 “在银河系生活的最佳地点及时间” (The best place and time to live in the Milky Way)。

那我们的太阳系处在什么位置呢？太阳系距银河系中心约有 27,000 光年，比报告里 “宜居” 区域的外边界 26,000 光年略远。这是不是说太阳系没有处在 “宜居” 区域里呢？不是的。因为 “宜居” 区域的边界是渐变而不是截然的，离银河系中心比 6,500 光年略近或比 26,000 光年略远的区域的 “宜居” 程度也并不差。而且，对 “宜居” 区域的估计有无可避免的粗略性，对边界的估计更是马虎，往往采取简单取整 (即将数据简化为整数) 的做法——比如 6,500‒26,000 光年这一边界估计乃是来自 2‒8 千秒差距这一简单取整的做法 (1 秒差距约合 3.26 光年， 2‒8 千秒差距约合 6,500‒26,000 光年)，细致的数据其实是将太阳系包含在当前的 “宜居” 区域之内的。更何况，不同研究者对 “宜居” 区域的估计往往彼此略有不同——比如有些研究者给出的银河系 “宜居” 区域的外边界距银河系中心约为 33,000 光年，就稳稳地将太阳系包含在内了。因此，太阳系的位置跟 “宜居” 区域是完全相容的。这一点，再加上太阳系形成于过去 60 亿年之内，从而时间上也在 “宜居” 时段之内，使我们可以并不浮夸地宣称，我们的太阳系也位于 “在银河系生活的最佳地点及时间”^[注八]。

当然，这是毫不意外的，因为抚育了人类这一智慧生物的太阳系当然是 “宜居” 的，它位于范围并不狭小的 “在银河系生活的最佳地点及时间” 的可能性当然会远远高于位于一个不 “宜居” 的区域和时段的可能性，因为后者意味着太阳系必须是那个区域和时段里的另类——一种偶然现象，从而按定义就是小概率的^[注九]。

注释

不过，这两个条件虽是从地球生物及其演化中归纳出来的，却并非只依赖于归纳。事实上，生物及其演化的某些性质是可以从物理上进行分析，且在一定程度上具有物理上的必然性或合理性的。比如液态水的作用，生物演化的快慢等等都会受到物理规律的某种支持或制约。因此，这两个条件可以说是经过物理规律的辅助而归纳出来的。由于物理规律的普适性远远高于地球生物这一样本的普适性，经其辅助而归纳出的条件也就具有了额外的可靠性，虽不足以摈弃其他可能性，却也不能纯以样本大小为衡量。
当然，这里必须排除智慧生物所处的行星系统所环绕的恒星是双星或多星系统之一员这一特殊情形。在这一情形下，双星或多星系统里的其他恒星会对智慧生物的生存产生重大影响。事实上，一般认为，这种情形下的行星轨道——从而行星环境——将不太可能维持智慧生物的第二个生存条件所要求的以十亿年计的非常长期的稳定性。
需要指出的是，超新星和伽马射线暴并不是两个 “互斥” 的类别。一般认为，持续时间在两秒以上，释放能量及破坏力最大的所谓 “长伽马射线暴” (long gamma ray burst) 往往源自超大规模的超新星。而持续时间在两秒以下，释放能量也小得多的所谓 “短暂伽马射线暴” (short gamma ray burst) 则很可能源自中子星合并或中子星与黑洞的合并。本文感兴趣的是 “长伽马射线暴”，正文中的 “伽马射线暴” 都是指这一类。
当然，那影响要滞后几千年才会抵达地球。但这并没有什么安慰价值，相反，倒是一种额外的恐怖，因为这意味着从理论上讲，那样的伽马射线暴有可能已经发生了，只不过影响还在 “路上”。
以地球而论，有研究者甚至认为，某些灾难性事件对人类的出现可能产生过有益的影响——比如发生在距今约 6,500 万年前的导致了恐龙灭绝的灾难性事件，有可能是包括人类在内的哺乳动物崛起的 “历史机遇”。不过这种 “历史机遇” 是高度偶然的，因为平均而言，灾难性事件对物种造成不利影响的概率要远大于造成有利影响的概率。将智慧生物的出现和壮大建立在灾难性事件造成的有利影响上，是概率分析的歧途，也是没有普遍性的。
不过偏离太多则是不可以的——起码按我们目前所知是不可以的。具体的分析可参阅拙作 “天堂是怎样炼成的——地球”。另外可以指出，确定 “宜居” 范围的这两个因素本质上是对前文提到的智慧生物生存条件的推论或具体化。
造成这种此消彼长的原因之一是：破坏力最大的伽马射线暴——即所谓 “长伽马射线暴”——往往发生在重元素比例较低的区域 (这一点并非毫无争议，但受到了一些观测证据及理论模型的支持)，而在经过了数十亿年的恒星演化 (恒星演化从元素的角度讲，其实就是一个将轻元素合成为重元素的过程) 后，核心和中间区域的重元素比例逐步增大，从而抑制了那些伽马射线暴。外围区域的情况则正好相反，由于物质密度低，恒星的形成较为缓慢，故而延后了数十亿年才开始形成规模，灾难性事件的发生频率也相应地开始升高。另外也顺便提一下，核心和中间区域重元素比例的增大也恰好为 “宜居” 行星的形成提供了质料 (后文会用到这一信息)。
前文提到过，在意大利研究组给出的 “宜居” 区域里，像伽马射线暴和超新星那样的灾难性事件平均每 5 亿年不超过 1 次。由于这种灾难性事件的发生频率是越接近 “宜居” 区域的中间部分越低，越接近边缘部分则越高，因此，接近边缘部分的太阳系附近的灾难性事件的发生频率几乎恰好是平均每 5 亿年 1 次，跟某些研究者认为的距今约 4.4 亿年前的 “奧陶纪大灭绝” 是伽马射线暴造成的基本相容 (当然，这种个案上的相容并无实质的重要性)。
太阳系位于 “在银河系生活的最佳地点及时间” 倒是恰巧暗合了十七、十八世纪的哲学家戈特弗里德·莱布尼茨 (Gottfried Leibniz) 及诗人亚历山大·蒲柏 (Alexander Pope) 的观点。他们认为，一切都是上帝创造的，而上帝是全知、全能并且至善的，因此我们的世界必定是所有可能的世界里最好的。然而莱布尼茨和蒲柏当然不会知道宇宙有多浩瀚，我们的世界有多渺小，他们也不会知道，只要有这么浩瀚的一个宇宙，我们的世界凭概率就会出现，根本不需要什么上帝。反过来说，如果上帝为了创造我们的世界居然要首先创造这么浩瀚的一个宇宙，则它的办事效率跟 “瞎猫碰死耗子” 也没什么两样。

2021 年 3 月 28 日完稿
2021 年 4 月 23 日发布
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