原因广播
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地球分化假说认为,复杂生命的形成需要多种偶然条件的结合。这些条件包括银河系的宜居带、条件相似的行星系统、行星大小、拥有大型天然卫星(例如月球)的有利条件、具有磁层和相应板块运动的行星、岩石圈、大气和海洋、巨大的冰川和小行星撞击。
地球分化假说的结论是复杂生命是不寻常的,这可能为费米悖论提供答案:“如果外星生命很常见,为什么它们不出现?” [2]
银河系宜居带
主条目:宜居带
NGC 7331
位于银心附近贫金属区域或高辐射区域的行星无法维持生命。图为NGC 7331,通常被称为银河系的姐妹星系。地球分化假说指出,宇宙,包括银河系的大部分区域,无法支持复杂的生命,这就是沃尔德和其他人所说的“死亡区”。宜居带与距银心的距离也有很强的相关性。距离银心越远:
1.恒星中的金属量减少。然而,金属是形成类地行星所必需的。
2、银河系中心黑洞发射的X射线和伽马射线强度减弱。这种射线对复杂的生命有害。
3.随着恒星之间密度的降低,行星和星子受到附近恒星的引力干扰和其他影响的可能性也会降低。因此,行星距离银河系中心越远,被小行星撞击的可能性就越小。
上述(1)不包括星系的外围区域,(2)和(3)不包括星系的内部区域、球状星团和旋涡星系的旋臂。这些旋臂不是物理物体,而是以高恒星形成率为特征的区域,它们以波浪形式缓慢地穿过星系。当它从银河系中心移动到最远的极端时,它支持生命的能力先增强然后减弱。
即使一个行星系统位于适合复杂生命存在的区域,它也必须在那里停留相当长的一段时间,以便复杂生命能够进化。如果恒星的轨道是椭圆形的,它将穿过星系的一些旋臂。但如果恒星的轨道是圆形的,它的公转速度等于旋臂的自转速度,所以恒星只会慢慢进入旋臂区域。因此,地球分化假说的支持者指出,能够孕育生命的恒星必须有一个围绕银河系中心的近乎圆形的轨道。
经过计算,其他人发现银河系宜居带的直径为7至9千秒差距,仅容纳了银河系中不超过10%的恒星。对银河系所有恒星数量的保守估计约为 20 至 400 亿颗恒星。然而,别人估计的数字只是上述的一半;也就是说,银河系中至多5%的恒星位于宜居带。
太阳围绕银河系中心的轨道几乎是圆形的。太阳的公转周期为2.26亿年,与银河系的自转周期也非常相似。凯伦·马斯特斯计算出,太阳每 1 亿年就会穿过银河系的一个主旋臂。相比之下,地球分化假说推测,自从太阳形成以来,它就没有穿过银河系的任何旋臂[5]。但一些研究表明,一些大规模灭绝事件与过去太阳穿过银河系旋臂的情况一致。 [3]
主持人明星
宜居带图
这张宜居带图显示了类地行星可能存在的位置(但微生物可能存在于宜居带之外)。复杂生命的形成需要液态水。行星的宜居带是一个以其主恒星为中心的环形区域。如果行星距离其主恒星太远或太近,其表面温度将不适合产生液态水(尽管有可能在不同距离产生像木卫二一样的地下水)。 ()等人估计太阳系的宜居带在0.95到1.15个天文单位之间。
宜居带随主恒星的类型和年龄而变化。宜居带与二氧化碳引起的温室效应密切相关。地球上的二氧化碳量足以使地球表面的平均温度(较原始温度)增加40°C。 [4]
假设这颗恒星的宜居带中有一颗岩石行星。像天狼星或织女星这样的热恒星的宜居带非常广阔,但存在两个问题:
1. 一般认为,岩质行星形成于靠近母恒星的区域,但由于距离母恒星太近,它们很可能位于宜居带之外。这并不排除气态行星的天然卫星上存在生命的可能性。
2.炙手可热的明星的寿命很短。只需10亿年,它们就会转变为红巨星。这么短的时间对于高级生命的进化来说是不够的。
这些想法排除了大质量高能恒星(例如 F6 或 O 型恒星)可能孕育多细胞生命的可能性。
球状星团不太可能支持生命
另一方面,小型红矮星的宜居带半径较小。这导致行星的一侧始终面向主恒星,而另一侧始终保持黑暗,这种情况称为潮汐锁定。潮汐锁定的结果是地球的一侧异常炎热,而另一侧异常寒冷。此外,位于半径较小的宜居带的行星会受到主恒星耀斑的影响,导致其大气层被电离,从而危及复杂生命的生存。地球分化假说的支持者排除了这样一个行星系统可能存在生命的可能性。然而,一些天体生物学家认为,这些行星系统在少数情况下可能适合居住。这是理论上的一个主要争论点,因为这些 K 到 M 型恒星占所有热核恒星的 82%。
地球分化假说的支持者认为,正确的宿主恒星类型是 F7 和 K1 之间,而且此类恒星并不常见。像太阳这样的 G 型恒星(介于较热的 F 型恒星和较冷的 K 型恒星之间)仅占银河系热核恒星总数的 9%。
红巨星和白矮星等老恒星不太可能维持生命。红巨星常见于球状星团和椭圆星系中。白矮星是已经过了红巨星阶段的垂死恒星。恒星变成红巨星后,其直径会显着增加。假设一颗行星在其母星还处于年轻到中年阶段时就处于宜居带,那么当其母星变成红巨星时,它就会被母星蒸发。
恒星的能量释放在其一生中应该只会非常缓慢地变化。变星,例如造父变星,维持生命的可能性极低。如果主恒星释放的能量突然减少,行星上的水可能会结冰。相反,如果主恒星释放的能量大幅增加,地球上的海洋就会蒸发,造成温室效应。
没有复杂的化学物质,生命就不可能存在,化学物质必须含有除氢、氦和锂以外的金属和元素。这意味着富含金属的行星系统对于生命的存在是必要的。我们所知道的唯一可以产生金属并将其分散到整个宇宙的机制是超新星的爆炸。恒星中金属的存在可以通过吸收光谱来确定,研究发现许多甚至大多数恒星都缺乏金属。早期宇宙、球状星团、宇宙早期形成的恒星、位于螺旋星系以外的星系中的恒星以及所有位于星系外部区域的恒星都具有低金属丰度的特征。因此,认为金属含量充足、能够支持复杂生命生存的主恒星一般位于大型螺旋星系的安静边缘区域,远离银心的高辐射。这也是他们支持生命的另一个原因。
行星系统
孕育恒星的星云也可以孕育类似于木星和土星的低金属气体行星。但木星行星不具备复杂生命存在所需的固体表面(尽管它们的卫星可能具有固体表面)。瓦尔德和布朗认为,一个能够支持复杂生命的行星系统或多或少类似于我们的太阳系,包括具有固体表面的内行星和气态外行星。但最近的研究对这种信念提出了质疑。
木星的不确定性
木星
木星是太阳系中第五颗也是最大的行星。在沃尔德和布朗写书时,类木行星的想法是它们可以使小行星远离孕育生命的行星,并保护它们免受小行星的影响。但新的计算机模拟显示现实更为复杂。木星造成的小行星撞击次数是它阻止的次数的三倍多。如果木星被土星大小的天体取代,它造成的小行星撞击数量将增加大约两倍。
革命阻碍
气体行星不能距离孕育生命的天体太近。除非该天体是它的卫星,否则气体行星会阻碍该天体的公转。
牛顿运动会导致行星轨道混乱,尤其是在具有高轨道偏心率的巨型气体行星的行星系统中。
由于稳定轨道等因素,具有近距离围绕其母恒星运行的巨型气体行星(称为“热木星”)的行星系统被排除为适宜居住的可能性。人们相信,当热木星形成时,它们距离母星的距离比现在远得多,但随后迁移到了当前的轨道。在此过程中,它们可能灾难性地扰乱了宜居带内所有行星的轨道。
行星大小
太小的行星无法维持足够的大气层,也无法拥有大片的海洋。它往往有崎岖的地形,例如山脉和深谷。它们的核心迅速冷却。它们的板块运动不能像较大行星那样持续那么久,或者可能根本不存在板块运动。
亚利桑那大学的天文学家迈克尔·迈耶表示,像地球这样的岩石行星在宇宙中可能很常见:
我们的观察表明,在20%到60%的类太阳恒星中,有证据表明形成岩石行星的过程与形成地球的过程相似,这是非常令人兴奋的。
——迈克尔·梅尔
迈克尔的团队在新形成的类太阳恒星附近发现了宇宙尘埃,他们认为这是岩石行星形成的副产品。
巨型天然卫星
在太阳系中,像月球这样的天然卫星并不常见,因为地球之外的其他岩石行星有的没有自己的卫星(如水星和金星),有的只有小型天然卫星(如火星) 。
巨大撞击理论推测月球的形成是火星大小的物体与早期地球碰撞的结果。这次碰撞使地球产生了轴倾斜和自转速度。快速自转降低了地球的每日升温速率,使光合作用得以继续。地球分化假说进一步指出,自转轴(相对于轨道平面)的倾斜不能太大或太小。地轴倾斜过大的行星会经历极端的气候季节性变化。另一方面,地轴倾斜度太小的行星将缺乏有利于生命进化的季节变化。在这方面,地球“恰到好处”。巨型天然卫星的引力也可以稳定行星轴的倾斜。如果没有这种效应,旋转轴倾斜角度的变化将会非常混乱,这可能会阻止陆地上复杂生命的诞生。
如果地球没有像月球这样的天然卫星,仅仅依靠太阳的引力,海洋的潮汐变化就会很小。
行星的巨大天然卫星可以通过地壳上的潮汐力增加行星上板块运动的可能性。此外,在没有地壳不均匀性的情况下,引起板块运动所需的大规模地幔对流可能不会发生。但来自火星的证据表明,即使没有上述机制的作用,火星上以前也存在板块运动。
如果说巨大天体的撞击是行星获得巨大天然卫星的唯一途径,那么恒星周围宜居带的行星需要形成双行星系统,使得撞击的天体足够大才能创造出一颗巨大的天然卫星。像这样撞击物体可能是不可能的。
板块运动
除非行星的化学组成使板块构造成为可能,否则行星上不会发生板块构造。已知板块运动所需的持久热能是来自地球深处的辐射。地球上的大陆也一定是由漂浮在更致密的玄武岩上的花岗岩构成的。泰勒()强调,俯冲带(板块运动的必要部分)需要丰富水源的润滑。在地球上,俯冲带仅存在于海洋底部。
惯性交替事件
有大量证据表明,寒武纪大爆发期间大陆漂移非常频繁。事实上,大陆可以在不到 1500 万年的时间内从北极移动到赤道,或从赤道移动到北极。等人。提出以下有争议的见解:大陆质量相对于自转轴分布不均匀导致地球自转轴改变90°。其结果是影响整个地球的气候和洋流的短期剧烈变化。他们称之为“惯性交替事件”(Event),这种现象还没有被科学证明,如果发生的话将是极其不寻常的。如果这样的事件是比多孔动物和珊瑚礁更复杂的生物体的发育所必需的,那么我们就有了复杂生命在宇宙中罕见的另一个原因。
地球特殊配方播出
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参考以下讨论。沃尔德和布朗从德雷克公式推导出地球区分公式。根据这个方程,银河系中存在复杂生命的类地行星数量为:
地球独特的配方
在:
● N* 是银河系中的恒星数量。这个数字并不容易估计,因为估计银河系的质量很困难,更不用说几乎没有关于微小恒星的数据。 N*至少为1000亿,最高可能达到5000亿(如果银河系中有很多低能见度恒星)。
● ne 是恒星宜居带内行星的平均数量。在复杂生命演化所需的时间里,行星表面的平均温度需要适中(不能太高或太低),这样地球上的水才能始终保持液态。由于这种条件,可居住的区域相当狭窄。所以ne = 1可能是上限。
我们假设。根据大地差异假说,其他9个大地差异参数(所有分数)的乘积不会大于10-10,而实际值很可能只有10-12。如果是后者,N的值可能小到0或1。Wald和实际上并没有计算出N的值,因为地球特有参数的以下值大多只能估计。
● fg 是位于星系宜居带的恒星的比重(Wald 和 等人估计该参数值为 0.1)。
● fp 是银河系中拥有行星的恒星比例。
● fpm 是岩石行星(非气体行星)的比重。
● fi 是有微生物存在的宜居行星的比例。
● fc 是具有复杂生命的行星比例。
● fl 是地球生命周期中存在的复杂生命的比例。
● fm 是具有巨大卫星的宜居行星的比重。
● fj 是具有巨型气体行星的行星系统的比重。
● fme 是仅触发少量灭绝事件的行星比例。
地球分化公式与德雷克公式的区别在于,它没有考虑到复杂生物体借助技术进化为智能生物(值得一提的是,沃尔德和布朗都不是进化生物学家)。
假设支持广播
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以下书籍(从最简单到最难列出)支持不同地球假说的想法:
● 太阳系专家斯图尔特·罗斯·泰勒(Ross)坚信书中提出的不同地球的假说。不过,那本书主要介绍太阳系及其形成,而不是讨论假设的真实性。主持人。泰勒的结论是,太阳系可能极其不寻常固体地球物理学家,因为它是许多零星因素和事件的结果。
● 物理学家史蒂芬·韦伯(Webb)在书中主要阐述和反驳了费米悖论的一些候选解。到本书结尾时,与地球不同的假说成为仅存的少数选择之一。
●古生物学家西蒙·莫里斯(Simon)认为,进化过程是趋同进化。本书的第五章致力于讨论不同地球的假设。尽管莫里斯同意地球很可能是银河系中唯一支持复杂生命的行星,但他认为复杂生命很有可能进化成智慧生命。
● 物理宇宙学家John D. 和Frank J. (1986. 3.2, 8.7, 9) 有力地论证道:“人类很可能是银河系乃至整个宇宙中唯一的智慧体。 “生命”假说,但他们的书只是全面研究人择原理以及物理定律如何巧妙地促进自然界复杂性的出现,并没有重点研究上述假说。
●计算机先驱 在《奇点临近》一书中认为,从技术奇点的角度来看,地球一定是第一个进化出有感情、使用技术的生命的星球。虽然可能存在其他类地行星固体地球物理学家,但地球一定是进化程度最高的。否则我们可以找到其他文明经历过技术奇点的证据。
批评性广播
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对地球分化假说的批评来自以下不同方面。
太阳系外行星很常见
截至2009年初,已知的太阳系外行星已超过300颗,而且新发现的行星数量仍在增加。卡内基理工大学的艾伦·博斯博士估计,仅银河系中就可能有多达 1000 亿颗岩石行星。博斯博士相信,许多行星都拥有简单的生命形式,银河系中可能存在数千个文明。博斯博士假设一颗类太阳恒星平均拥有一颗类地行星。
爱丁堡大学的研究人员正在试图找出宇宙中到底有多少智慧文明。研究表明,可能存在数千个智慧文明。
生物进化
地球分化假说的核心是生物进化:微生物在宇宙中可能很常见,但高级生命可能并不常见。西蒙·莫里斯是迄今为止唯一讨论过地球分化假说的进化生物学家。地球分化假说表明,复杂的生命只能在类地行星或该行星的合适卫星上进化。包括杰克·科恩在内的一些生物学家认为这一假设具有局限性且不可想象网校头条,并将其视为循环论证。天文学家大卫·达林认为,地球分化假说既不是假设,也不是猜想。它简单地解释了地球上生命是如何发展的。