去紅矮星周圍尋找智慧生命

謝懿/編譯

搜尋地外文明的科學家都把目光投向了紅矮星，期望會有一個大發現。

銀河系中的明亮恆星是時候屈尊讓位給那些更暗弱的恆星了？恐怕是的，較小的恆星也許是在我們近鄰搜尋地外生命的最佳場所。當然，這個猜想無疑超出了傳統的觀念。半個多世紀以來，志在搜尋地外文明的天文學家所專註的目標一直是類太陽恆星。這種一選擇並非盲目：科學家通常假設，如果一顆G型恆星（即類太陽恆星）的周圍環境適宜我們人類，那它也將利於外星人。

但是，還有其他一些恆星，它們距離我們更近、數量也更多，甚至可能更適宜智慧生命。它們就是暗弱的紅矮星。

大量的宜居地

在一個漆黑的地點，如果你仰望夜空，就算不藉助望遠鏡也能看到數百顆恆星。這無疑是一幅美景，但你所看到的卻並不是絕大多數恆星的代表，就好像紅樹林不能代表樹木一樣。肉眼所能看到的大部分亮星都是巨星或者超巨星。後者的質量是太陽10倍以上，光度也比太陽大得多，這也正是從地球上看它們如此明亮的原因。

這些大質量恆星格外明亮的原因就在於，光度和質量並不呈線性關係。恆星的質量增大10倍，其光度可以增大3 000倍。由此，超巨星成為夜晚的超級明星，雖然數量稀少——超巨星占所有恆星總數的比例不足0.2%，但卻主宰著夜空。這就像頂尖球手，人數不多，但知名度很高。

這個質量—光度關係也適用於小質量恆星。一顆質量僅有太陽十分之一的恆星，被稱為紅矮星，其光度只有太陽的0.08%。正因為如此小的光度，所以紅矮星很難被看到。在沒有望遠鏡的幫助下，肉眼連一顆紅矮星都看不到。在北天，6光年遠的巴納德星是距離最近的紅矮星，視星等9.5等。在南天，比鄰星的距離更接近，只有4.23光年，但這顆紅矮星的亮度更暗，只有11等。那麼，這和尋找地外文明又有什麼關係呢？

雖然紅矮星的光度很小，但它們的數量可以彌補這一點。它們主導著銀河系，佔據了恆星總數的絕對多數。這應該不會讓你感到驚訝，因為大自然經常會以「小則多，大則少」的方式行事，例如田鼠與大象。根據天文觀測的結果，在太陽附近有74%的恆星是紅矮星。它們也許很小，但其總體對銀河系質量的貢獻超過了其他任何類型的恆星。

雖然到處都是紅矮星，但尋找地外文明的科學家幾乎沒有正眼看過它們。因為他們認為，紅矮星有一些尷尬的特性，使得它們不太可能適宜真正高等的生命。

不利因素

紅矮星的第一個缺點是，它們的能量輸出功率太低。如果在紅矮星周圍存在宜居行星的話，它們必須要能節省下一絲一毫的能量。否則，它們的溫度將不足以在其表面維持住液態水。為此，這些行星繞其宿主恆星公轉的軌道會比水星繞太陽的軌道還要小。靠得這麼近是要付出代價的。這些行星很快就會被潮汐鎖定，就像月亮被地球潮汐力鎖定一樣。它們的自轉周圍和軌道周期將會同步，使得其一個半球會無休止地被其宿主恆星炙烤，而另一個半球則沉浸在沒有盡頭的瑟瑟寒夜之中。

這聽上去就像是一場氣候災難，因為在黑夜一側空氣都會凝固，到處都會是白雪皚皚。對於陸生的生命體來說，缺乏空氣是要命的。

第二個問題來自其低光度的另一個後果。紅矮星的表面溫度從3150℃至3260℃不等。相比之下，太陽光球的溫度要高得多，接近5540℃。因為它們的表面溫度較低，紅矮星輻射出的光能就較少，而這些光還會被偏向光譜的紅端。它們會發出大量的低能光子，高能藍色光子的數目則很少。因此，一些科學家認為，紅矮星所發出的光不足以驅動光合作用。

另一個值得關注的問題是紅外星周圍宜居帶的範圍很小。在一顆恆星周圍環狀的宜居帶內，適宜的溫度使得行星可以維持液態水的存在。與質量更大、光度也更大的恆星相比，暗弱恆星周圍的宜居帶範圍會更小。這表明，圍繞紅矮星公轉的行星位於這一宜居帶內且能夠演化出生命的概率也較小。

對紅矮星不利的最後一個因素是，它們周圍的空間天氣會很惡劣。紅矮星的表面會不時地出現巨大的耀斑，釋放出的大量輻射對緊靠它的行星上的生命來說會是致命的。

這些缺點使得紅矮星一直被排除在搜尋地外文明的首選目標之外。然而，新的觀點和數據表明，這些遍布銀河系的恆星也許受到了不公正的對待。

宜居之地

對搜尋地外文明來說，對紅矮星最嚴厲的批評一直是潮汐鎖定問題。一顆酷熱和嚴寒兼備的陰陽行星不太可能是生命的理想選擇。在這樣離譜的氣候中，即便是嗜極微生物也難以生存。

但是，對一顆行星來說，一半是炙烤下的岩石、另一半是冰凍的海洋，沒有任何的大氣，這不僅是嚴峻的環境，還有點把問題想得過分簡單了。只要密度尚可，任何大氣都能夠維持住自身，免於固化成冰。而且當行星的兩個半球之間有巨大溫度差的話，會立即形成風，氣流會把熱量從高溫的一側輸送到低溫的一側。這將防止空氣凝結成冰。

10多年前，有天文學家就開始研究這當中的細節，建立起了計算機模型來描述有著二氧化碳單一大氣成分的潮汐鎖定行星。如果這些被模擬的行星擁有相當於地球大氣質量10%以上的大氣層，那麼就會有足夠的熱量被傳遞到其背陽的一側，防止其封凍。如果其大氣層能更厚的話，溫度不高不低的海洋就能覆蓋行星表面的大部分區域。

此外，海洋本身可以調控極端溫度提供進一步的機制。正如在地球上墨西哥灣暖流可以把熱帶的熱量輸送到英國和斯堪的納維亞，紅矮星旁行星上的洋流也能防止其背陽側的水體封凍結冰。

最近，有天文學家計算髮現，任何含水的潮汐鎖定行星會在其向陽的半球迅速形成厚厚的雲層。這可以會降低該半球的溫度，是另一種提高紅矮星旁行星宜居指數的機制。

根據這些和其他的模擬結果，對潮汐鎖定行星的看法相對於過去要樂觀得多。不再是一個沒有空氣的雙極分化行星，要麼是熾熱的沙漠，要麼是冰封的海洋。現在認為潮汐鎖定行星也能有著溫和氣溫，一個半球陽光明媚，另一個半球是黑夜，那裡的氣候和我們地球上的一樣有益，液態水和大氣層也適宜生命的起源和繁衍。

如果生命存在於這些綠洲中，它們可能會展現出一些有趣的適應性。沒有了晝夜或季節變化，植物可以不間斷地生長。由於太陽總是位於天空中的同一位置，因此葉片或者其他聚光的部分就無須調整自己的位置。對這些行星上的高等生命體來說，考慮到恆星的位置固定不動，架設高效率的光伏發電裝置應該是不在話下的事情。

我們最熟知的潮汐鎖定天體是我們自己的月亮，一個不毛之地。由此，我們偏向於認為，如果一顆行星沒有晝夜交替，即如果它的自轉角速度等於公轉角速度，那它就不太可能是智慧生命理想的棲息地。但事實似乎完全不同於此。

宜居地帶

即便科學家對於在紅矮星旁的行星上存在生命的可能性持樂觀態度，但他們仍需知道到底有多少這樣的行星。在我們的太陽系中，宜居帶位於距離太陽0.8個至2個天文單位之間。換句話說，它從金星的軌道之外開始，到火星附近結束。但對紅矮星來說，其宜居帶尚不足太陽系的一半，通常只有零點幾個天文單位寬。這麼小的範圍意味著絕大多數紅矮星周圍的宜居帶可能是空蕩蕩的。

不過，看一下我們的太陽系。相對於空曠的外太陽系，內太陽系中擠滿了行星。這暗示，紅矮星周圍可能也會存在一些有吸引力的行星。開普勒空間望遠鏡的觀測數據表明事實確實如此。天文學家研究了「開普勒」觀測了的3897顆紅矮星，其中有64顆擁有行星候選體。根據這些樣本估計，有16%的紅矮星在其宜居帶中擁有地球大小的行星。這是一個相當大的比例，如果你將其外推到整個銀河系——假如銀河系中的2000億顆恆星中有75%是紅矮星，那麼在它們周圍就會擁有240億顆宜居的地球大小行星。

當然，紅矮星並不是天空中唯一的恆星。在所有的恆星中約20%是和太陽相似的G型和K型恆星。對「開普勒」的觀測分析表明，它們中的22%很可能會在其宜居帶中擁有一顆行星。這為銀河系中的宜居地點又另外增加了90億顆行星。

不過很顯然，絕大部分的宜居行星仍然位於銀河系中最小恆星的周圍。就銀河系中擁有宜居行星的恆星而言，紅矮星佔據著主導地位。

這對搜尋地外文明來說無疑是都令人鼓舞的消息。但是，紅矮星的其他不利因素——低光度和強耀斑——呢？雖然紅矮星擁有宜居的行星，但這並不能保證在這些行星上就有文明存在。

有科學家估計，在紅矮星周圍的行星上，植物真正能用於光合作用的恆星光只有地球上接收到陽光的5%至25%。但即使是如此微弱的光照也足以能滋養許多有趣的地球植物，包括大米、小麥和一些蔬菜。此外，光合作用也不盡相同。雖然大多數植物使用波長約670納米的紅光，但有許多特殊的細菌能利用波長約900納米來進行光合作用。這些能量較低的光位於光譜的「近紅外」部分，那裡正是紅矮星輻射的主要波段。有理由相信，達爾文的進化論可以讓這些在暗弱紅矮星照射下的行星上繁衍出豐富多樣的動植物。

至於耀斑，不難想像，生命也會演化出各種各樣的適應策略。顯然，較為簡單的生命體可以待在水下，躲在岩石下方，或者是利用貝殼來保護自己。另一種簡單的抵禦辦法就是見機行事，在耀斑逐漸增強的過程中退守到附近的隱蔽所。

更有趣的一種可能性是生命體能演化出應對它的生物學手段。許多地球上細菌可以修復因紫外線照射而受損的DNA。如果地球上的生命形式可以抵禦輻射傷害，那麼在紅矮星旁行星上起源和演化的植物和動物——長期處於耀斑的環境中——應該也能做到這一點。

另外，根據了10多年來對紅矮星亮度變化的監測，耀斑似乎是很罕見的事件。在可見光波段，紅矮星的光度幾乎沒有變化可言，變化率通常不超過2%。能發出有害X射線的絕大多數都是年齡不足1億年的紅矮星。在這一短暫的時期之後，它們似乎就會平靜下來。

事實上，雖然紅矮星具有耀斑活動，所持續的時間只有不到1小時。

有利因素

考慮到銀河系中絕大多數的宜居行星都位於紅矮星周圍，搜尋地外文明的科學家有足夠的理由把注意力集中到它們身上。

先別急！還有一些事情要弄清楚。

搜尋地外文明的計劃——包括射電和光學實驗——經常會擬定一份由特定類型天體構成的「目標清單」。例如，搜尋地外文明研究所的鳳凰計劃就在1995年至2004年間對約1 000顆的近距離類太陽恆星進行了觀測。

由於紅矮星的數量是G型（類太陽）恆星的10倍，如果你列的目標星表僅包含紅矮星的話，那麼這些恆星平均而言會距離我們更近。換句話說，如果你觀測1 000顆的紅矮星，而不是相同數量的G型恆星，那麼這些紅矮星的平均距離大約只有G型恆星的一半。由此，來自外星文明的信號強度就會增大4倍，進而更易尋找。

此外，紅矮星的低光度對於生物學而言也是有利的。雖然類太陽恆星在主序階段擁有約100億年的壽命，但紅矮星的壽命則至少是這個數字的10倍以上。由於輸出功率低，它們成為宇宙中永恆的明燈。換句話說，自大爆炸以來誕生的每一顆紅矮星至今都仍在生機勃勃地發光。

紅矮星不顯老，也不衰老。圍繞類太陽恆星的行星其宜居的時間只有大約60億年。圍繞一顆明亮O型或A型恆星的行星，則只有5億年。但在紅矮星周圍，完全可以找到一顆年齡為100億年的地球。

如此長的壽命對智慧生命而言具有重要的影響。在地球上，生命起源之後的頭30億年，所有的生命體都是微生物。直到太陽的年齡達到46億年之後，具有智能的生物才登上了舞台。考慮到再過僅10億年左右太陽光度的變化就會使得地球不再宜居，可以說太陽系中生命的出現和繁榮正是時候。

很明顯，紅矮星不需要這樣的僥倖。它們周圍的生命——如果存在的話，有足夠的時間來進化出文明，進而可以通訊聯絡。這對於搜尋地外文明來說是至關重要的。平均來說，一顆紅矮星的年齡會比一顆G型恆星的大數十億年。考慮到智慧需要時間來演化，因此年齡大的恆星會更加理想。科學家們預計，紅矮星周圍的行星擁有科學家的比例會更高。

鑒於這些優勢，搜尋地外文明的科學家正在考慮更多地關照這些常常被忽視的恆星系統。那麼，在搜尋到外星人的信號之前，需要觀測多少顆紅矮星呢？很顯然，這還是個未知數。不過，可以做一個簡單的推算。16%的紅矮星在其宜居帶內有一顆地球大小的行星。假設在50億年之後其中有十分之一的能演化出智慧生物，而在這當中擁有科學文明的比例也是1/10。那麼在每700顆紅矮星中，目前至少會有一顆擁有智慧文明。這個粗略的估計可能過於樂觀了，但這個數字仍然十分引人注目。

如果你是一顆圍繞紅矮星轉動的行星上的居民，你可能會很難相信，在一顆類太陽恆星旁的行星上居然會有生命存在。你可能會把搜尋其他文明的射電望遠鏡只對準其他的紅矮星。

但是，在類太陽恆星中確實至少有一顆在其周圍的行星上存在文明——那就是我們。面對一個如此多樣的宇宙，有必要跳出認識和思想的原有桎梏，生命也許能出現在迥然不同的各種環境之中。

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