问题

宇宙中约有多少颗宜居星球?

回答
要给出一个确切的宇宙宜居星球数量,这就像试图数清大海里的沙粒一样困难,我们只能进行估算,而且随着我们对宇宙认识的不断深入,这些数字也在不断变化。

首先,我们需要明确什么是“宜居星球”。通常,我们会关注以下几个关键因素:

类地行星 (Terrestrial Planets): 也就是说,它们是由岩石构成的,而不是像木星或土星那样由气体组成的巨行星。我们知道地球就是一颗类地行星,而我们搜寻的生命迹象,很大程度上是基于地球生命的模式。
位于恒星的“宜居带”内: 这个区域也被称为“适居带”或“金发女孩区域”。简单来说,就是行星距离其恒星的远近适中,使得行星表面的液态水能够存在。如果太近,水会蒸发;如果太远,水会结冰。这个“适中”的距离取决于恒星的大小、亮度和类型。例如,比太阳小的恒星,其宜居带就会更靠近它;比太阳大的恒星,宜居带就会离它更远。
拥有稳定的轨道和适宜的大气层: 一个行星的轨道需要相对稳定,这样才能维持长期的气候。同时,它还需要有一个能够维持液态水和保护生命免受有害辐射的大气层。我们还在努力了解哪些大气成分是生命存在的关键,比如是否有足够的水蒸气、氮气,以及是否有类似地球臭氧层那样的保护。
可能还需要有磁场: 强大的磁场可以保护行星大气层免受恒星风的剥离,这对于生命长期演化至关重要,就像地球的磁场保护我们一样。

现在,让我们来看看科学家是如何进行估算的。这主要依赖于我们对宇宙中恒星数量的了解,以及对这些恒星周围存在类地行星和它们位于宜居带内的比例的统计。

1. 银河系中的恒星数量: 科学家们估计,我们所在的银河系大约包含1000亿到4000亿颗恒星。保守估计,我们姑且取一个中间值,比如2000亿颗。

2. 类地行星的比例: 通过对我们太阳系附近一些恒星的观测,例如开普勒空间望远镜的任务,科学家发现,类地行星似乎相当普遍。根据一些研究,大约有20%到40%的恒星可能拥有至少一颗位于宜居带内的类地行星。我们取一个比较保守的比例,比如20%。

3. 将这些数字结合起来: 如果我们取2000亿颗恒星,并且其中20%拥有类地行星,那么银河系中就可能存在大约 2000亿 0.20 = 400亿颗位于宜居带内的类地行星。

这只是在我们的银河系中!而宇宙中还有数千亿甚至万亿个星系。如果每个星系都平均拥有大约1000亿颗恒星,那么宇宙中的恒星总数将是一个天文数字,用科学计数法表示大概是 10²² 到 10²⁴ 颗。

如果我们将银河系的比例应用到整个宇宙,那么宇宙中宜居星球的数量将是一个非常庞大的数字。即使是非常保守的估算,可能也有数千亿甚至数万亿的“候选”宜居星球。

然而,这里有几个重要的“但是”:

“宜居”不等于“有生命”: 我们找到的位于宜居带内的类地行星,只是“有可能”孕育生命,但这并不意味着它们上面一定存在生命,更不代表那里存在智慧生命。生命的产生是一个极其复杂的过程,可能需要许多额外的条件,比如合适的大型卫星(月球のような存在,能稳定行星的自转轴),甚至是行星内部的构造,如板块构造活动。
我们发现的行星样本有限: 尽管开普勒等任务取得了巨大成功,但我们主要观测的还是离我们相对较近的恒星系统,而且我们能够详细研究的行星数量仍然有限。随着技术的发展,我们对系外行星的探测能力会越来越强,估算也会越来越精确。
宜居带的定义还在不断完善: 我们对“宜居带”的理解也随着研究的深入而发展。例如,一些科学家正在探讨“潮汐锁定”行星(永远只有一面朝向恒星,就像月球一样)的宜居性,以及红矮星等不同类型恒星的行星的宜居性。红矮星非常普遍,如果它们周围的行星也能保持稳定和温暖,那么潜在的宜居星球数量可能会大大增加。

总结来说,与其给出一个具体的数字,更准确的说法是:

科学家们普遍认为,在我们的银河系中,存在着数十亿到数百亿颗可能适宜生命存在的类地行星。而放眼整个可观测宇宙,这个数字将是一个天文数字,可能达到数万亿亿(10²⁰)甚至更多。

我们正处在一个激动人心的时代,随着詹姆斯·韦伯空间望远镜等新一代观测设备的投入使用,我们能够更深入地探测这些遥远星球的大气层,寻找生命存在的化学信号(生物标记物),例如氧气、甲烷、水蒸气等。每一次新的发现,都在不断地刷新我们对宇宙中生命可能性的认知。所以,虽然我们还无法给出精确的“有多少颗”,但可以说,宇宙充满了各种各样的星球,其中很多都具备我们认为生命可能产生的条件,这意味着我们在宇宙中并不孤单的可能性是非常大的。

网友意见

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按照较为严格的标准[1],可观测宇宙中至少有上万亿亿颗宜居行星。

在这些行星之外,可能还有同一个数量级的宜居卫星和多几个数量级的“对一部分耐环境的地球生物来说宜居”的天体。

当前使用的大部分宜居带定义画得很窄,地球上的许多生物(包括现存地球生物的最后共同祖先 LUCA 在内)能生活在宜居带范围之外的天体上。


2020 年 4 月,不列颠哥伦比亚大学的 Michelle Kunimoto 和 Jaymie Matthews 对银河系中类似地球的宜居行星的潜在数量进行估算[2]。他们使用开普勒望远镜的 20 万份观测数据进行贝叶斯分析,得出银河系里的 4000 亿恒星中约 7% 是类似太阳的 G 型恒星,每个距离 G 型恒星 0.99 到 1.7 天文单位内的保守定义宜居带中可能有至多 0.18 颗半径在 0.75 到 1.5 倍地球半径的岩石行星,置信度 84.1%,排除研究中使用的一些假设的影响后的稳健估计是 0.1 颗。Michelle Kunimoto 在学生阶段已参与发现了 17 颗地外行星,其中至少1颗是宜居带内的类地行星。

四千亿乘以百分之七乘以零点一可以得到二十八亿。这是银河系内类似地球的行星的数量。

可观测宇宙中恒星的总数约为银河系恒星总数的 1000 亿倍,或者更多。假设恒星周围出现类似地球的行星的概率与银河系的上述经验相近,那么可观测宇宙中类似地球的行星约有 2.8 万亿亿个,或者更多。你可以认为比银河系小的星系不像银河系那么擅长支持生命,将类似地球的行星的数量降低一些,但不太可能少于一万亿亿。

不可观测宇宙的规模可能是无限的,即使假设其有限,其体积也将有可观测宇宙的 1500 万倍,或者更大[3]。假设不可观测宇宙中的情景与可观测宇宙中的情景类似,那么整个宇宙中类似地球的行星将超过一千亿亿亿个,那数字已经大到没什么必要了。

当前已经发现的疑似宜居行星列表:

PHL @ UPR Arecibo - The Habitable Exoplanets Catalog

21 颗可能是岩石行星并保持表面有液态水的疑似宜居行星的艺术想象图对比:

参考

  1. ^ 围绕类似太阳的 G 型恒星公转、轨道半径 0.99 到 1.7 天文单位、行星半径为地球半径的 75% 到 150% 的岩石行星
  2. ^ https://arxiv.org/abs/2004.05296
  3. ^ https://www.forbes.com/sites/startswithabang/2018/07/14/ask-ethan-how-large-is-the-entire-unobservable-universe/?sh=3d33500cdf80

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