天文學(xué)家：如果地球是平均水平，我們應(yīng)該在60光年以?xún)?nèi)找到外星生命

1960年，在準(zhǔn)備第一次會(huì)議時(shí)尋找外星智慧（SETI），傳奇天文學(xué)家和SETI先驅(qū)弗蘭克·德雷克博士公布了他的概率方程，用于估計(jì)我們銀河系中可能的文明數(shù)量 - 又名。這德雷克方程.

這個(gè)等式中的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是n_e，我們銀河系中能夠支持生命的行星數(shù)量——又名?！耙司印！碑?dāng)時(shí)，天文學(xué)家還不確定其他恒星有行星系統(tǒng)。但多虧了像這樣的任務(wù)開(kāi)普勒,5,523顆系外行星已經(jīng)確認(rèn)，另有9,867人等待確認(rèn)！

根據(jù)這些數(shù)據(jù)，天文學(xué)家對(duì)我們銀河系中宜居行星的數(shù)量進(jìn)行了各種估計(jì) - 根據(jù)一項(xiàng)估計(jì)，至少有1000億顆！

在一個(gè)近期研究，Piero Madau教授介紹了一個(gè)數(shù)學(xué)框架，用于計(jì)算距離太陽(yáng)100秒差距（326光年）以?xún)?nèi)的宜居行星的數(shù)量。

假設(shè)地球和太陽(yáng)系是常態(tài)的代表，Madau計(jì)算出這個(gè)空間體積可能包含多達(dá)11,000地球大小的類(lèi)地（又名巖石）系外行星在其恒星的宜居帶（HZs）內(nèi)運(yùn)行。

Madau教授是加州大學(xué)圣克魯斯分校（UCSC）的天文學(xué)和天體物理學(xué)教授。他研究的核心是哥白尼原理，以波蘭著名天文學(xué)家、日心說(shuō)模型的發(fā)明者尼古拉斯·哥白尼命名。

也被稱(chēng)為宇宙學(xué)原理（或平庸原理），該原理指出人類(lèi)和地球都沒(méi)有特權(quán)來(lái)觀察宇宙。簡(jiǎn)而言之，當(dāng)我們仰望太陽(yáng)系和宇宙時(shí)，我們看到的是全體代表.

在他的研究中，Madau考慮了時(shí)間依賴(lài)因素如何在我們宇宙中生命的出現(xiàn)中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

這包括我們銀河系的恒星形成歷史，重元素（在第一批恒星內(nèi)部鍛造）對(duì)星際介質(zhì)（ISM）的富集，行星的形成以及行星之間水和有機(jī)分子的分布。

正如Madau向Universe Today解釋的那樣，德雷克方程中沒(méi)有明確強(qiáng)調(diào)時(shí)間和年齡的核心作用：

“德雷克方程相當(dāng)于對(duì)可能影響探測(cè)我們周?chē)猩氖澜缫约白罱K技術(shù)先進(jìn)的外星文明的可能性的因素（概率）的有用教學(xué)總結(jié)。
但這種可能性和這些因素取決于當(dāng)?shù)劂y河盤(pán)的恒星形成和化學(xué)富集歷史，以及簡(jiǎn)單微生物和最終復(fù)雜生命的出現(xiàn)時(shí)間表。

地球是我們銀河系的一個(gè)相對(duì)較新的行星，大約在45億年前與我們的太陽(yáng)形成（使其不到宇宙年齡的33%）。與此同時(shí)，生命花了大約5億年的時(shí)間才從大約40億年前存在于地球上的原始條件中出現(xiàn)。

大約5億年后，光合作用以單細(xì)胞生物的形式出現(xiàn)，代謝二氧化碳并產(chǎn)生氧氣作為副產(chǎn)品。

這逐漸改變了我們大氣的化學(xué)組成，引發(fā)了大氧化事件大約24億年前，復(fù)雜生命形式的最終崛起。

隨后是一個(gè)漫長(zhǎng)而復(fù)雜的化學(xué)和生物進(jìn)化過(guò)程，最終導(dǎo)致了適合復(fù)雜生命的條件和所有已知物種的出現(xiàn)。

鑒于這些隨時(shí)間變化的步驟的重要性，Madau認(rèn)為德雷克方程只是故事的一部分。展望它，他創(chuàng)建了一個(gè)數(shù)學(xué)框架來(lái)估計(jì)什么時(shí)候“溫帶類(lèi)地行星”（TTP）形成于銀河系的角落，微生物生命可能已經(jīng)出現(xiàn)。

德雷克方程，一個(gè)數(shù)學(xué)公式，用于在宇宙中發(fā)現(xiàn)生命或先進(jìn)文明的概率。（羅切斯特大學(xué)）

該框架允許天文學(xué)家確定哪些潛在的目標(biāo)恒星（基于質(zhì)量，年齡和金屬量）可能是尋找大氣生物特征的最佳候選者。

正如Madau所描述的那樣，他的方法包括將長(zhǎng)壽恒星，系外行星和TTP的本地人口視為一系列數(shù)學(xué)方程，這些方程可以通過(guò)數(shù)值作為時(shí)間函數(shù)求解：

“這些方程描述了恒星，金屬，巨行星和巖石行星的變化率，以及太陽(yáng)鄰里歷史上宜居世界的形成，在太陽(yáng)鄰里的歷史中，來(lái)自天基和地面設(shè)施的大量新數(shù)據(jù)以及當(dāng)前和下一代恒星和行星調(diào)查的目標(biāo)證明了更詳細(xì)的計(jì)算是合理的。
這些方程本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)的，即它們不描述單個(gè)行星系統(tǒng)的誕生和演化，而是描述太陽(yáng)100秒差距內(nèi)TTP的數(shù)量（隨著時(shí)間的推移）的變化。

最終，Madau的分析表明，在距離太陽(yáng)100秒差距的范圍內(nèi)，可能有多達(dá)10,000顆巖石行星與恒星的HZ一起運(yùn)行。

他還發(fā)現(xiàn)，我們太陽(yáng)系附近TTP的形成可能是偶發(fā)性的，從大約100億至110億年前恒星形成的爆發(fā)開(kāi)始，隨后是大約50億年前產(chǎn)生太陽(yáng)系的另一個(gè)峰值事件。

從Madau的數(shù)學(xué)框架中得出的另一個(gè)有趣的結(jié)論表明，100秒差距內(nèi)的大多數(shù)TTP可能比太陽(yáng)系更古老，這證實(shí)了我們是派對(duì)的相對(duì)后來(lái)者！

同樣有趣的是這項(xiàng)研究可能對(duì)尋找外星生命產(chǎn)生的影響。

使用普遍接受的地球上生命出現(xiàn)（無(wú)生物發(fā)生）的時(shí)間表，并對(duì)其他行星上生命的普遍性進(jìn)行保守估計(jì) -f_l德雷克方程的參數(shù) - 馬道的框架還表明了最近的系外行星可能存在多遠(yuǎn)：

“因此，如果微生物生命在地球上超過(guò)1%的TTP中迅速出現(xiàn)（這是一個(gè)很大的假設(shè)），那么人們預(yù)計(jì)最接近，擁有生命的類(lèi)地行星距離不到20%[65光年]，”他說(shuō)。
“這可能是在下一代大型地面設(shè)施和儀器尋找可居住性標(biāo)記和生物特征時(shí)持謹(jǐn)慎樂(lè)觀態(tài)度的原因。毋庸置疑，生物特征的檢測(cè)將極具挑戰(zhàn)性。而且也有可能生命非常罕見(jiàn)，以至于在KPC或更多范圍內(nèi)沒(méi)有生物特征可供我們檢測(cè)。

當(dāng)然，不能保證太陽(yáng)系附近的任何TTP都能支持生命。無(wú)生物發(fā)生的原因和共性是最不為人所知的科學(xué)追求之一，主要是因?yàn)樗臄?shù)據(jù)太少了。

只有一個(gè)例子（地球和陸地生物），科學(xué)家們不能自信地說(shuō)出生命出現(xiàn)需要什么樣的條件組合。Madau還強(qiáng)調(diào)（與德雷克方程一樣），他的方法本質(zhì)上是統(tǒng)計(jì)的。盡管如此，他的工作可能會(huì)在不久的將來(lái)對(duì)天體生物學(xué)產(chǎn)生重大影響。

以我們的太陽(yáng)系為指導(dǎo)，以及許多其他有大量數(shù)據(jù)的參數(shù)（即恒星形成，質(zhì)量，大小，金屬量以及附近在恒星HZ內(nèi)運(yùn)行的系外行星的數(shù)量），科學(xué)家將能夠優(yōu)先考慮恒星系統(tǒng)，以便使用下一代望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行研究。馬道說(shuō)：

“類(lèi)地行星的產(chǎn)量和特征將成為未來(lái)太空旗艦任務(wù)的主要科學(xué)指標(biāo)。隨著在系外行星上尋找宜居環(huán)境和生命的機(jī)會(huì)的臨近，實(shí)際設(shè)計(jì)最佳觀測(cè)策略的真正挑戰(zhàn)也隨之而來(lái)。
對(duì)一些系外行星大氣的詳細(xì)光譜研究必須伴隨著旨在揭示行星特性趨勢(shì)的人口研究和統(tǒng)計(jì)研究，這將使我們能夠評(píng)估生物特征可探測(cè)性的可能性。