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1700266035 但是,我们现在把其中一个步骤理解为我们的世界的发展,也就是我们的宇宙的发展:从物质简单的重子结构开始,它慢慢地会变得越来越复杂。恒星进化是其中一种现象,在宇宙的第一个5亿年里并不存在。而且我们都知道这并不是一个假设。实际上我们可以对它进行大量观察,而且我们知道,在重组时代并没有恒星,这种重组是宇宙的微波背景,包括所有我们在其中看到的结构,然后才有了恒星。之后恒星开始了一个新的过程,就是重元素的合成。这也就是说,重子组合起来成为基础粒子,并建造出一个结构(门捷列夫元素周期表),然后就有了化学。
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1700266037 我们看到的微波背景的辐射是137亿年前的,所以那是我们最早进行充分研究的一条证据。然后大约是50亿年前,恒星首次在气体中形成,那些气体主要是由氢和氦构成的。然后它们经过了一段时期,在50亿年里,它们创造出了足够多的碳、氮、氧气和所有重元素,这样你才能开始有效地创造行星。然后我们来到了45亿年前,那就是我们自己的太阳系和地球的起源。差不多就是在那50亿年里,我们现在看到的一些复杂的化学物质覆盖了这颗星球,并且共同选择了的地球上的物理循环。以上就是一个简洁的时间范围的观念。
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1700266039 在那个意义上,生命是我们所看到的构成整体发展的一个必需部分。尽管我们只知道这样一个例子,当我们把这个过程理解为宇宙中重子所引发的复杂进程时,它并没有显得多么异乎寻常。所以接下来的问题就是,这如何有利于理解生命的各种起源或可能路径呢?甚至更一般地说,我们是否能够设计实验,让我们去发现所有那些可能的重子的路径是否融合为一个路径?也就是创造出地球上的生命的那个路径?或者说,是否还有很多种其他路径?即使你可以回答这个问题,这也会十分令人振奋,因为这将告诉我们,重子的化学结构能够引发的普遍规则。
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1700266041 我想要说服你们的第三个方面是,我们对这个宇宙的了解只是冰山一角,在宇宙中也只有少数几个地方可以让复杂的化学物质在充分长的一段时间内存活下来,而真空并不在其中,从生命起源能存活下来的意义的角度来说的话,从更小的分子开始,这样就有足够的时间产生更复杂的分子。说到真空,我并不是说一颗彗星的表面,而是说星际间的介质,它的密度很低。
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1700266043 我可以想象,生命从某些表面上开始,然后移居到星际间的介质里。但是作为一名天体物理学家,我不能想象,有这么一种足够稳定的环境,能在一定时间范围内,一定会使化学物质产生。所以在那个意义上,我有点偏向于将行星和行星系统当作我们现在所知的、唯一的环境,就我们目前对宇宙的认知而言,行星系统具有所有那些要素:长时期的稳定性,以及足够低或适中的温度。恒星在数十亿年内都是稳定的,但是它们都有着相当高的温度。一般来说,莫罗维茨所说的总体热力学窗口(overall thermodynamic window)使得产生复杂的化学物质成为可能。比起仅仅拥有水而言,这是一个丰富得多的条件。
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1700266045 当人们谈论宜居环境时,有时他们会把那等同于水的存在,或者说水以液体形态存在的能力。但是不论你怎么看待宜居性,这个底线就是,在可观测的宇宙里没有那么多物体或地方有能力使其成为可能。事实上,我们可以肯定,行星系统不仅是最好的,而且可能是唯一的能够出现复杂化学物质的地方。
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1700266047 接下的问题是,我们对行星系统有多少了解?直到1995年,我们才知道一个信息:我们的太阳系是一个行星系统。那种了解程度就类似于我们对生命的了解,因为我们只有太阳系一个例子。从很多角度来看,情况很不乐观,而天文学家很艰难地才认识到这一点。因为事实证明,我们对行星的理论化是相当以太阳系为中心的,而且我们错过了很多本不应该错过的东西。但是,当你想研究某个事物却手头仅有一个例子时,发生这种事情总是在所难免的。
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1700266049 我们现在知道了有多少种不同类型的行星,这些行星能为我们追寻的目标提供一个很好的评估。从中我们所学会的一件事情就是,我们并不需要寻找一个像地球一样的行星。在我们的太阳系里有各种行星,比如,木星,它比地球要大得多,在体积上大10倍,质量上大300倍;海王星和天王星,它们都是巨型行星,都是由气体构成的;然后还有很小的行星,像地球、金星、火星、水星,还有彗星和其他小行星。在质量上,一个地球的质量与一个海王星或天王星的质量(相当于14个地球)相去甚远。就像我们在物理学中会说的那样,这种差距超过了一个量级。这引发了很多现象,而我们却在那个量级的层面上忽略了它们。从我们现在所理解的事实来看,不管是从理论上,还是从最近两年对这些系统的观察上,我们的太阳系里还没有哪个行星像地球这样幸运。它就这样发生了,行星就是以这种方式形成的,没有在那个质量范围内的行星最终成为了我们太阳系的一员。大多数在那个质量范围内的行星会成为像地球这样的行星,但是由于缺少更好的术语,我们称它们为“超级地球”(Super Earth)。
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1700266051 由于引入了这个术语,我遭受了很多谴责,但是这来自我作为天文学家的命名方式。我们将比巨星还大的恒星称为“超巨星”(super giant);我们将比新星能量更大的恒星爆炸称为“超新星”(supernovae)。所以,使用超级地球这一名字是有意义的,如果你有一颗比地球还大的,但在其他方面与地球相似的行星,按照我们的命名方式,你就会称之为“超级地球”。
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1700266053 那么,它为什么有趣?如果你把自己限制在比金星和地球都大,但是没有比地球大太多的行星范围内,那么在作为一个整体的星系里只剩下数量很少的行星可供你选择,在我们所在的这个作为一个整体的太阳系里,符合你条件的行星数目也很小。但是,如果把超级地球算作可利用的编目的一部分,那么你会获得的数目就会增加两个量级。
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1700266055 塞思·劳埃德:更小的行星的浓度是多少?太阳系或恒星系统里拥有“亚地球”的行星(Sub-Earth planet)的数量有多少?
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1700266057 迪米特尔·萨塞洛夫:这是一个很难的问题,因为它们很难被观测到。我们有一些估算,大概会是地球的质量的一部分。我们并没有技术上的证明,那些小行星的质量少于一个地球的质量。顺便说一句,这种技术被称为微引力透镜(microlensing)。这个证据的一部分是统计学的,但那是在通常的情况下,也就是你观察到很多物体,然后你构建出统计上的情况。
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1700266059 另一方面,目前我们已经监测到了5个超级地球。尽管要监测到更小的行星有难度,但在你所观察的行星系统里,仍可以监测到数目不断递增的更小的行星。换句话说,随着你监测行星的质量越来越小,低于大约12~15个地球质量的行星数目确实在增长,尽管从统计偏差上来说,这个数目会更小。随着我们的技术不断改进,这种改进速度是以月为基础的,我们会发现越来越多的更小的行星。
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1700266061 微引力透镜对行星的整体质量范围很敏感,敏感度会到一个地球质量,但事实上比一个地球质量还要小一点。这种技术可以毫无偏见地扫描大量恒星,实际在这点上,它们已经监测到了更多的超级地球和更小的行星,比监测到的更大的行星数量还要多。目前我们已经很好地把统计数目计算出来了,因为我们经过12年的研究,已经观测到大量更大的行星,这就是说,如果你利用目前的统计数据,实际上就可以估算出更小的行星的数量。
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1700266063 还有第三条证据。作为理论家,我不能推演得太多,但是从理论上说,如果你建构出大行星,你也能建构出小行星,这并是什么特殊的理论偏见。你将在某种程度上创造出太阳系里这种质量差距,既有相当小的行星,又有大行星。所以,最后的问题是,那些超级地球是否对我们感兴趣的东西有什么好处?
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1700266065 克雷格·文特尔:在宇宙中,超级地球的数量有多少?
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1700266067 迪米特尔·萨塞洛夫:让我们以银河系为例,而不是以整个宇宙为例。银河系里大约有2 000亿~3 000亿颗恒星,其中90%的恒星存在的时间足够长,长到可以产生我们想象中那种复杂的化学物质,这需要5亿年或更长的时间。但是,其中有只有1/10的恒星拥有足够重的元素,可以在其周围形成行星;否则,行星要么不会形成,要么就会有显著的缺陷,我们对此有确凿的证据。那么问题就是,我们对超级地球的数量了解多少?基本上,我们所知的遗留下来的超级地球有100亿颗左右,根据我提供给你们的那些证据,你们可以说这个数目只是总量的10%~50%。
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1700266069 然后,你可以看看你们所处的行星系统在哪里。你们不想太靠近恒星,也不想离恒星太远,这遵从了莫罗维茨对温度范围的热力学估算。你们最终获得的底线就是,大约有1亿颗可以称得上宜居的行星,这是在它们的表面可以产生复杂化学物质的意义上说的,而银河系里就有1亿颗这样的行星。
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1700266071 克雷格·文特尔:现在总共有多少星系呢?
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1700266073 迪米特尔·萨塞洛夫:那是一个很大的数目,与恒星的数目差不多。我坚持对星系做这种估算是因为我对实验感兴趣;我是理论家,但是我也信任实验。那么到底有多少我们可以尽快研究的恒星环境呢?我希望能在我有生之年,在有足够详尽细节的条件下,我们可以帮助你们这些化学家和分子生物学家,对生命产生路径的实验进行限定。基本上,估计这个数量就是很多。因为如果在银河系里有1亿颗宜居的行星,而只有在我们的邻近区域,才在进行那些实验,那么在未来5年里,我们将可以至少从50~100颗行星上获得一些数据,这些数据将会很有意思,它们会告诉我们一些答案。
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1700266075 克雷格·文特尔:所以,你们的数据里排除了像木星的卫星木卫二这样的天体?
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1700266077 迪米特尔·萨塞洛夫:没有,完全没有。木卫二是一个寻找生命的好地方。但是木卫二有成功希望的原因就是木星。如果木卫二仅仅依靠自身,我们就不会认为这会成功。我在这想保守一点,但是我谈论我们将研究的100颗行星的另一个原因是,我想从太阳系之外去研究它们。然而问题是,你怎么在50光年之外的地方研究木卫二?这相当困难。但是你可以研究一颗比地球质量重5倍、规模大2倍的行星吗?当然可以,甚至比研究地球这样大的行星更容易。所以我总结出的一点就是,与地球相比较,超级地球也是可行的行星,这一事实对我们去做那些实验相当有利,因为去监测和研究一颗比地球大两倍的却依然可行的行星更加简单。你可以从中学到很多东西。
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1700266079 我认为研究这些行星有望成功,实际上甚至比地球更有望成功的一个原因是,它们拥有地球的基本特征,其他特征更加稳定。你们可能知道,在行星科学里有一个很大的问题,就是地球与金星的比较问题。为什么地球拥有一个不是特别热的大气层?对此我们只有一些理解,并没有完全理解。为什么地球有地质板块构造,而金星没有?对此我们也不理解,或者说,我们才刚刚开始去研究这一现象。但这些问题相对于超级地球来说,要容易回答得多。
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1700266081 事实证明,根据对地球上板块构造的研究,从理论上说,板块构造是一个过程,板块构造在一个更大的行星上更容易进行。实际上,现在如果你尽最大努力去研究理论的话,你会发现地球处于可以进行板块构造的行星的边缘上。你们中有些人也许知道,板块构造是一颗行星拥有生命的重要表现,从地表条件来看,因为它是一个很好的温度自动调节器,它能长期地、或多或少地保持气候的稳定,从而让你可以轻易在地幔中储备大量化学物质和气体。在这个意义上说,超级地球的条件和地球一样好,而且我会说,超级地球更好。它们有着更稳定和稳健的地表条件。所以它们和地球一样好,而且它们更容易研究。所以,至少就我们能够找到的发展方向而言,我们拥有一个相当光明的未来。
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1700266083 克雷格·文特尔:在超级地球里,引力扮演什么样的角色?
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