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1700903221 从某种意义上说，并不奇怪的是，这些早期发现的太阳系以外的行星系统（太阳系外行星）之所以主要由这种行星构成，是因为体积大而且轨道距离恒星近的行星对恒星的影响最大，是使用目前的技术最容易发现的。2005年，天文学家终于报告说，他们从已发现的这类行星直接探测到了红外光，表明它们的温度大约是800℃——这是人类第一次“看到”来自太阳系外行星的光。同年晚些时候，天文学家拍摄到了另一颗系外行星，围绕一颗距离长蛇座100秒差距（225光年）的恒星运转，其轨道距离恒星为80亿千米（54个天文单位）。70不过，这次发现的仍然是一个巨型行星，质量大约是木星的5倍。迄今发现的最小的系外行星的质量是地球的质量约6倍多一点，每1.94天（地球日）绕其恒星葛利斯876号一周，因此它很难算作“类地”行星。宇宙中即使存在有沿类似地球轨道围绕其他恒星运行的类地行星，也需要新一代的观测手段来找到它们。既然类地行星存在，我们已经发现了许多炽热的类木行星倒不奇怪，出人意料的是，类地行星竟然能存在。那么，它们为什么能够存在？

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1700903223 一个自然的解释是，巨型气体行星并不是自下而上的增生形成的，而是自上而下形成的，最初是恒星周围圆盘中不稳定的团块。这种团块可以在圆盘的任意位置形成，距离恒星或近或远，行星和圆盘之间的互动可以改变巨型行星的轨道，因此它们会在自己形成的轨道上向内或向外移动。这种“迁移”可以解释天王星和海王星为什么在距离太阳较近的地方以更快的速度形成之后，又到了目前所在的位置。模拟表明，自上而下的行星形成过程可能用数百年时间就能形成气体巨行星。

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1700903225 这些设想本身仍在不断演化，在2005年一个由来自巴西、法国和美国的科学家组成的国际研究小组共同提出了关于太阳系早期状态最详尽的模拟。20世纪60年代末和20世纪70年代初的阿波罗计划带回了月球样本，并且证明月球上许多黑暗的点其实是由于在太阳系约7亿年历史的时候，来自空间的碎片撞击形成的。当时太阳系的内部行星刚形成不久。这就是所谓的“后期重轰炸期”（LateHeavyBombardment，缩写为LHB）。这一事实就是他们研究的起点。将这一证据与行星如何形成的新理论相结合，研究小组发现，太阳系所有四个巨型行星必须是在彼此靠近的位置形成的，周围是旋转的小型物体、冰块以及岩石，这些统称为小行星体（Planetisimals）。在太阳系最远的行星轨道之外，仍存有太阳系形成最早期小行星体圆盘遗留下来的物质。这一区域称为柯伊伯带（theKuiPerBelt），至今仍然存在。但是，如果新的研究结果无误，那么现在尚存的柯伊伯带其实只是曾经辉煌无比的太阳系小行星体圆盘的残余。由于引力相互作用，木星慢慢靠近太阳，而其他三个巨星行星则向外移动，依据同样的方式，小行星体或是靠近太阳，或是远离。

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1700903227 起初，这是一个渐进的过程。但是，太阳系形成7亿年后，当土星的轨道周期正好是木星轨道周期的两倍时，出现了一场戏剧性的变化。这两个行星的引力叠加在一起，对太阳系外围的其他物体产生了共振效应。这就像是儿童在荡秋千时，只要把握好时机，每次加一点点力，就能越荡越高。这一过程的主要结果是将天王星和海王星推到更远的轨道，海王星的轨道半径突然增加了一倍，进入到了柯伊伯带的内部，并将大量的小行星体散播到太阳系内部——靠近和远离的物质之间必须有个平衡，以符合牛顿著名的定律：“力的作用是相互的，有作用必有反作用力”。正是这一波小行星体造成了“后期重轰炸期”，使得月球表面伤痕累累，而且据估计同时受到撞击的也包括地球和其他类地行星。只不过在地球上痕迹没那么明显，因为地表已经由于板块构造运动（大陆漂移）和侵蚀而发生了巨大的变化。

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1700903229 这一假说在2005年获得了更多的证据支持。美国航宇局“大冲撞”（又译“深度撞击”）彗星探测器与坦佩尔1彗星进行撞击，通过分析撞击产生的碎片表明，组成的彗星物质与天王星和海王星现在所占据的轨道区域当时形成物体的化学成分相符。坦佩尔1彗星似乎是来自这一早期彗星带的一个物体，由于天王星和海王星的迁移，散落到了深层空间。

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1700903231 所有的数据都非常吻合，这样，就剩下速度较慢的自下而上的行星形成过程来解释类地行星的形成，特别是地球本身的形成。这些行星形成所需的时间更长，当时太阳系中的大型行星已经存在。此时小行星体才开始加入到“造星”过程中来。现在我们可以撇开巨型气体行星，专门说说像地球这样的行星是如何从包围太阳的尘埃盘形成的。在20世纪90年代之前，天文学家已经推断类地行星一定是从这一尘埃盘形成的，但他们没有直接的证据表明年轻的恒星周围确实存在尘埃盘。但是，自那以后，随着借助哈勃空间望远镜做出的一个突破性发现，以及观测技术不断改进，人们发现在我们附近很多年轻的恒星周围都存在巨大的物质盘（现在称为原行星盘ProtoPanetarydiscs，缩写PPD）。很显然，这些都是恒星形成的一个重要特点。由于老年恒星周围没有看到原行星盘，表明它们已被分散开，或是变成了别的物体——行星。

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1700903233 这些原行星盘真的是非常巨大。研究得最多的原行星盘围绕着绘架座β星（BetaPictoris），其直径超过1500个天文单位（约2250亿千米）。绘架座β星系的年龄据估计约有2亿年，原行星盘中的物质大约是太阳质量的1.5倍。到这一星系稳定下来，圆盘中的大多数物质都将消失。在某些观测结果中我们可以看到这一进程。比如核心恒星的两极还会有喷射流，与圆盘成直角。通常，这种喷射流（发出红外光）可能延伸1000个天文单位（1500亿千米）。相比之下，太阳系最外围行星海王星的轨道半径仅仅是30个天文单位。值得注意的是，在绘架座β星系原行星盘的内部半径只有几个天文单位的区域，通过恒星摆动的方式判断，就好像该区域存在行星一样。在其他的一些观测中，我们发现在原行星盘的内部存在空白区域，面积和太阳系相仿，表明那里的材料已经被行星吸收。

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1700903235 单是哈勃太空望远镜就已经发现了数以百计的原行星盘。这里我们仅举几例，以说明在太阳系年轻的时候，存在过怎样的条件。总体而言，仍然拥有这种原行星盘的恒星的年龄范围在几千万年到几亿年之间，此外，光谱研究表明，它们的物质构成和太阳类似（除了氢和氦以及“金属”元素的富集现象）。来自原行星盘的辐射的其他性质表明，它们不是星际云那种类似“香烟烟雾”的尘埃，而是在某种程度上已经经过了处理，大概是形成了小行星体，后又经过相互的碰撞形成了“第二代”的尘埃。从一些恒星星系发出的红外辐射[包括维加星——即天琴座（Lyrae）的α星，在中国被称为织女星，它是天琴座最亮的恒星]显示，这种尘埃颗粒的典型尺寸约为10微米（千万分之一米）。灰尘本身的质量当然远远低于整个星盘的质量，因为有大量的氢气不断流失到宇宙空间。对于绘架座β星来说，其周围星盘中灰尘的质量似乎相当于地球质量的100倍。

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1700903237 对原行星盘所作的观测中，最激动人心的发现是表面星盘中似乎存在行星。我们已经提到，一些星盘的扭曲方式就好像是存在行星一样，另外一些星盘内部则存在空隙，区域大小与太阳系相仿。这类星系中最便于我们研究的是年轻的恒星北落师门周围的星盘。该恒星的年龄大约是两亿年左右，质量是太阳的两倍。相对于从地球上看过去的视线，该星盘是倾斜的，这使得我们能够直接研究其中心恒星的运行方式，我们发现该恒星并不是位于星系中心，而是偏向星盘的一边，表明它受到几个大行星重力的影响。北落师门距离地球只有7.7秒差距（25光年），因此利用哈勃太空望远镜这样的仪器比较易于观测研究。在整个尘埃星盘中，拥有一个非常清晰的带，或称作环，宽度为25个天文单位（地球到太阳距离的25倍）。依据其清晰的内缘测量，该环的直径为266个天文单位。这是太阳系最外围行星海王星轨道直径的9倍。圆环的中心距离北落师门星实际的位置有15个天文单位——偏离了22.5亿千米，相当于海王星轨道半径的一半。这一效应绝对不算小了。圆环偏离的值如此之大，而且其内缘非常清晰，表明恒星附近有行星运行，吸走了星盘内部的物质。圆环本身可能代表了北落师门星系形成的早期阶段，相当于太阳系的柯伊伯带。柯伊伯带是太阳系形成过程中遗留的冰块等物质构成的。

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1700903239 证明有行星存在的另一个线索是星盘中所有的尘埃似乎温度都很低。星盘中的摩擦必然会使一些尘埃颗粒向内漂移，靠近中心的恒星，在那里它们会被加热，并产生相应的辐射。而观测并没有发现这种热的尘埃，意味着在某些情况下（如在织女星周围）这些向内漂移的尘埃被某种物体吸收了。而所谓的“某种物体”，除了是行星，很难是别的什么东西。

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1700903241 绘架座β星可以看作这种系统的一个原型，如果距离中心恒星1到20个天文单位有一个物体绕它运行，质量在6到6000个地球质量之间，就可以解释星盘的变形。此外，这一星盘的厚度表明，里面一定有一个固体物体，直径至少有1000千米，在里面运行并搅拌它，否则它一定会变得像土星环一样薄。哈勃太空望远镜的继任者[有时也称为“下一代太空望远镜”（theNext Generation SPaceTelescoPe，缩写NGST），但其正式的名称是“詹姆斯·韦伯太空望远镜”，定于2011年发射]应该能够观测像木星这样的行星所造成的星盘中的空白区域。但是，这真的只能是意外的惊喜，因为我们已经知道“木星”存在，而且我们也知道原行星盘存在。我们还知道在这些尘埃盘内有小行星体，因为尘埃颗粒的光谱性质表明它们是第二代的微粒。很容易看出来，一团冰冷的石头可以由引力聚集在一起，形成像地球这样的行星。所以，地球这样的行星如何形成这一问题就可以归结为在星际云中像香烟烟雾一样的灰尘颗粒如何能结合在一起形成小行星体。

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1700903243 这里的关键词是“黏结”。在真空（或接近真空）的空间，微小的尘埃颗粒相互碰撞时，往往会反弹开，而不是粘合在一起。直到最近以前，天文学家们一直采用一种一厢情愿的想法，含糊其辞地说尘埃粒子可能在某种方式下，如果一颗粒子从另一颗的身后慢慢接近它，轨道几乎相同，轻轻地撞上另一颗，那么它们就有可能黏结在一起。但还有另一个因素也必须考虑到。在形成行星系统的分子云中，最常见的一种化合物可能是水。绝大部分的元素是氢和氧，不过氧的含量远远低于氢。但氧却是最丰富的“金属”，也是除了氢和氦之外第三种最常见的元素。由于氢和氧急于结合形成水，因此在形成行星的星云中，必然有大量的水蒸气。但是却不会有任何液态水。在接近真空的宇宙空间，以微米计的尘埃颗粒的温度不到几十K，水蒸气会直接凝聚为冰。在地球上的实验室中模拟宇宙空间的环境进行的研究表明，在这种情况下，水分子的一端带有正电荷，另一端带有负电荷，它们会排成一队，使尘埃微粒周围的整个冰都发生极化。这会产生电磁力，将冰冷的尘埃粘在一起，就像磁铁可以把铁质物体粘到一起的效应一样。

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1700903245 此外，这种冰和我们放到饮料中的冰相比，还有一种性质也不一样。因为它是由蒸气状态直接凝结为小颗粒的，因此它的结构更像雪片，而不像冰块。因此，每一个固体微粒（主要是碳和硅化合物）的周围都会包着一层松软的外壳，就像是减震器，能够缓冲微粒彼此撞击的力量。在这种缓冲作用下，撞击产生的反弹力会变弱，而电磁力将足以将粒子粘结在一起。美国太平洋西北国家实验室进行过一系列的实验，表明微型陶瓷球（直径为十六分之一英寸，约为0.16厘米）在落到普通冰块上时，反弹的高度是坠落高度的48%，而同样的球落在由水蒸气用40K的温度凝华成的冰上，反弹的高度只有坠落高度的8%。

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1700903247 在我们现在所观测到的年轻的行星系统周围的寒冷的尘埃盘中，这种“蓬松冰”的缓冲效果特别好。在温度更高的轨道更靠近恒星的区域，如类地行星形成的区域，类似的电效应会发生在硅酸盐颗粒上。无论是哪种方式，一旦最初的微粒发展到适度规模，它们就会通过引力彼此吸引，在大约10万年的时间里，发展成直径超过1千米的物体。正是这些物体（以及更大一些的物体）相互碰撞形成了原行星盘中的第二代尘埃。

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1700903249 在引力作用下，直径1千米或更大的小行星体变成像地球这么大的星球也许只要5000万年，相对于太阳系的年龄而言，这不过是一眨眼的时间。这一过程中有一个很小的秘密，这里暂时没有必要详细说明了。但它确实会引领我们去面对宇宙中的最大奥秘——地球上生命是如何出现的，以及宇宙中其他地方是否有生命？

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1700903254 宇宙传记 [:1700902367]

1700903255 宇宙传记 第九章　生命起源自何处？

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1700903257 大家都知道生命是什么，但是词典或教科书中却没有完全令人满意的关于“生命”的定义。对我们当前的目的而言，有一个暂时能用的定义，它强调生命要从周围的环境获得能量，建立复杂的分子，并能够生长繁殖。生命总是要从外部“获取”能量——对于地球表面的生命而言，这一能量的来源当然是太阳。对生命更复杂微妙的定义还强调，生命总是与远非化学平衡的系统有关。例如，由于生命过程的参与，地球大气富含氧气，这是一种具有高度活性的气体。这可算不上是化学平衡。如果地球上没有生命，氧会迅速锁定在稳定的分子中，例如水和二氧化碳。71地球的邻居金星的大气就很稳定（即平衡），富含二氧化碳。这是令人信服的证据，表明该星球上没有生命。直到最近之前，人们一直认为，生命形成过程基本上所有的步骤都发生在地球形成后不久。但是现在有一个事实已经很清楚了，至少生命形成的第一步——从周围的环境获取能量，建立复杂的分子——发生在（而且至今仍在进行）恒星形成的尘埃和气体星云中。就像恒星外层的原子一样，通过光谱也可以分析出宇宙空间的分子是什么。但关键的区别在于，由于这些分子更大，它们发出的不是可见光，而是波长更长的辐射，处在红外和无线电的波长范围内。由于直到20世纪下半叶之前，人们尚未有探测宇宙空间中的这种分子的技术，而且没有人曾想到那样的地方会存在这样的分子，因此也就没有人尝试去寻找。在太空中第一次发现分子，是在20世纪30年代，因为它们易于被发现。但是，它们很难算得上是化合物——它们只是碳和氢简单的结合（甲烷，CH），或是碳和氮的化合物，称为氰自由基（CN）。直到1963年，人们才确定另一种化合物——羟自由基（OH）；但是第一个真正戏剧性的突破是在1968年时作出的。科学家发现在银河系的中心，有氨所释放的物质，一种由4个原子构成的分子（NH3）。正是这一发现，激励更多的天文学家去寻找宇宙空间更复杂的分子。这种激励之所以必要，是因为在大多数情况下，研究者首先要确定寻找什么，然后在地球上的实验室中测量相应分子的光谱，他们才能有机会判明星际云物质发出的无线电频谱中所蕴含的信息。他们很快就发现了水分子（H2O），接下来是真正让这一研究趋势进行下去的有机分子甲醛（H2CO）。

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1700903259 这些发现让生物学家们松了一口气。化石证据表明，生命（单细胞生命）已经在地球上存在了近40亿年，距离地球形成只有不到10亿年。要想让简单的元素，比如二氧化碳和氨，变成像蛋白质或DNA这样的东西，几亿年的时间似乎都不大够。但是，如果在地球温度降低的时候，复杂的有机分子就已经存在了，那么生命出现的速度那么快就不太令人奇怪了。在过去的几年中，天文学家还在其他星系中发现了这类分子，表明它们在星际空间普遍存在，而不是仅限于银河系。

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1700903261 顾名思义，有机化合物和生命密切相关。所有所谓的有机分子都含有通过化学途径结合在一起的碳原子和氢原子，并在大多数情况下，它们还和其他的原子结合。最初，在十九世纪的时候，有人认为，这种化合物只与生命有关，“有机物”因而得名。但是，后来人们弄清楚了许多有机分子可以人工合成，有机化学几乎就与“碳化学”成了同义词。但是，这并不意味着有机化学和生命之间不存在联系；尽管并非所有的“有机”化合物都与生命有关，但所有生命过程都和有机化合物相关。

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1700903263 碳对于生命来说非常重要，原因有两个。首先，每一个碳原子都能够产生4个单独的链接（化学键），同时结合其他原子，包括其他碳原子。除了在几个较为特殊的情况下，任何原子最多也就能拥有的这些数量的化学键，所以碳能够与大量的其他原子键合在一起，而且能作为核心，与许多不同的原子结合成复杂的化合物。72碳之所以如此重要的另一原因在于它比较常见。在宇宙中，重子物质除了氢和氦等占大部分的元素外，最常见的元素是氧，其次是碳，两者都是在核合成过程中形成的。令人惊喜的是，碳原子在键接到其他4个原子的时候，不必用尽所有4个化学键。它们还可以形成双键（甚至是三键），例如，两个碳原子可以各自使用两个键，通过双键相互组合在一起，这样每一个还有两个自由键与其他原子结合。碳原子还可以形成长链，像脊椎一样互相联系起来，其他原子和原子团则黏结在两侧；它们甚至可以构成环（最常见的是6个碳原子“手拉手”连成环），其他化学物质则连接在其周围。因此，碳原子既常见，又“急于”与其他原子形成化学键。这样看，似乎星际空间和恒星周围应该不可避免地有大量的碳化合物——有机化合物，而星光的能量（包括红外和紫外辐射），可驱动产生有趣的化学反应。

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1700903265 到2005年，研究人员已经在太空中发现了超过130种分子，其中大多数都在恒星（和行星）诞生的巨大分子云中。这些分子包括简单的双原子分子，如一氧化氮（NO）和一氧化碳硅（SiO），还包括3个原子的化合物，如氰化氢（HCN）和二氧化硫（SO2），4个原子的氨和乙炔（Hc2H）和5个原子的蚁酸（HCOOH，蜜蜂蜇伤和荨麻中的活性成分），以及我们这里最感兴趣的较大的有机分子。大小并不代表一切，迄今为止在宇宙中发现的最大的分子，是一个由11个碳原子构成的串，一端是一个氢原子，另一端则是一个氮原子。它被称为cyano Pentacetylene，化学式是HC11N。而论及生命，复杂性和大小一样重要，而且如果找到比HC11N更小的分子，但其中包含更多的原子，它们以更有趣的方式排列，则更有意义，也更令研究者兴奋。我们所谓的“有趣的”分子，当然是那些能被用来作为构成生命的建筑构块的分子；生物化学家把生物分子分开，弄清楚分子的结构，这样就能够确定哪些分子属于此类。

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1700903267 有两种生物大分子是地球上的生命的基础。蛋白质为我们的身体提供结构（包括头发、指甲，以及肌肉等），而另一种称为酶的蛋白质家族，则直接控制人身体内的化学反应。核酸（其中还包括著名的DNA，脱氧核糖核酸）含有编码，能够告诉细胞工厂如何制造不同种类的蛋白质。这两种分子都有一个共同的重要特点——他们都是由长链分子构成的，其中分子的次单位都是由化学键组织在一起形成一种结构，其中包含了大量的信息。而且这里所谓的长也是有根据的——一个碳原子的重量是12个单位，蛋白质的分子量则从几千到几百万单位不等。

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1700903269 在蛋白质中，分子的亚单位是称作“氨基酸”的分子。以同样的尺度测量，氨基酸本身的重量一般很少超过一百个单位，这样我们就能看出要想构成一个蛋白质，需要多少氨基酸。氨基酸对于生命的重要性，从一个事实就可以看出：地球上所有生物材料的总质量中，氨基酸的质量占到一半。使氨基酸具有各自的名字的化学单位，是围绕一个单一的碳原子构成的。碳原子的4个化学键中有一个连接到一个单一的氢原子，一个连接到一组3个相连的原子，称为胺组（NH2），还有一个连接到羧酸组（COOH）——由此得名“氨基酸”。第4个化学键可以自由地与另一个碳原子连接，而那个碳原子则有3个化学键可以与其他的原子连接。

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