當第一個生命世界形成時是什麽樣子的？

過去的幾十年裏，人類在發現潛在的宜居世界方面取得了多大的進步，這幾乎是不可思議的。 就在1990年，除了太陽系中的行星之外，還沒有已知的、已確認的行星; 截至今天，已經有超過5000顆已確認的系外行星，從超級木星一直到亞地球大小的世界。 許多較小的恒星都圍繞著穩定的、類似太陽的恒星; 它們中的許多人被認為大氣稀薄; 許多人可能擁有生命過程所需的重元素; 許多是多行星系統的一部份，其表面有可能產生類似地球的溫度和壓力。

雖然地球可能是我們認為的理想、宜居世界的樣版，但我們仍然可以設想各種各樣的情況，這些情況與我們自己的情況截然不同，這些環境也可能長期支持生命。 然而，地球在形成之前經歷了超過90億年的宇宙演化。 假設宇宙需要所有這些時間來為宜居性創造必要的條件，這是非常不合理的。

當我們以最少的假設來研究宜居性的最低限度時，這些條件可能起源得更早。 生命的原始化學成分是這個謎題的一部份，但不能是故事的全部。 但為了形成一個宜居的星球，我們必須更深入地研究。 以下是我們需要了解的關於最早的宜居世界的資訊。

隨著最近的發現，我們對行星的數量有了大量的了解，包括它們周圍的恒星以及它們與恒星的大小和距離。 但是當談到它們是否有人居住的問題時，我們根本沒有資訊。 圖片來源 ：Lucianomendez

如果你想擁有一個有人居住的世界，你首先需要的是合適的恒星型別，讓它繞著它執行。 可能有各種各樣的情況，一個星球上的生命甚至可以在一顆活躍的、暴力的恒星周圍生存，並且在敵對的情況下仍然適合居住。

品質最低的恒星，像比鄰星這樣的紅矮星，會爆發耀斑和高能放射線。 任何潛在的宜居行星都將面臨失去大氣層的風險，直到劇烈的恒星活動穩定下來：對於品質最低的恒星來說，這個過程比宇宙目前的年齡更長。 雖然您可以想象以下場景：

也許所有這些結合在一起，使這樣一個世界在永續的基礎上適合居住，很難想象在早期宇宙階段，這樣一個世界會有一個繁榮的生態系。

換句話說，如果我們要尋找第一個可能有人居住的行星，我們應該圍繞達到「穩定點」的恆星，在那裡它們不會剝奪一顆生命行星的氣層，並以最快的速度用X射線和耀斑照射其表面。

這張影像顯示了恒星HD 12545的溫度曲線，與我們的太陽不同，它不僅有少量的微小太陽黑子，而且由一個巨大的、跨越恒星的星黑子主導，覆蓋了大約25%的表面。 許多恒星，包括低品質、年輕和快速旋轉的恒星，都有巨大的太陽黑子，可以在其系統的宜居性中發揮重要作用：不利於它們作為生命的良好候選者。 圖片來源 ：K.Strassmeier，維也納，NOIRLab/NSF/AURA

事實證明，恒星的品質越大，它就越快地穩定下來，進入以下狀態：

在巨大的爆發中，這將阻礙軌域行星的宜居性。 此外，恒星的品質越大，它釋放的總能量就越大。 將這些事實結合在一起可以表明，如果能量是生命所需的能量，那麽也許這些恒星周圍的大量空間，在類地行星表面的液態水溫度將「恰到好處」，可能是最好的觀察地點。

但是，如果你的恒星壽命太短，那麽宜居性就是不可能的。 此外，如果你的恒星系統太原始，這意味著它含有太少的重元素，那麽宜居性也將是不可能的，因為生命過程所需的原材料根本不存在。 如果我們想要一個可以容納生命的星球，我們需要：

恒星形成區域Sh 2-106展示了一組有趣的現象，包括被照亮的瓦斯，一顆明亮的中心恒星提供照明，以及尚未被吹走的瓦斯的藍色反射。 這個區域的各種恒星可能來自許多不同過去和世代歷史的恒星的組合，但它們都不是原始的：它們都含有大量的重元素。 這是巖石行星和潛在宜居性的必要成分之一。 圖片來源 ：ESA/哈伯和美國國家航空暨太空總署

第一代恒星，被稱為第三族恒星，正好有這些限制。 平均而言，這些恒星的品質非常大：是太陽品質的10+倍，這意味著它們不會活~100億年，而只能活~1000萬年：這個時間尺度太短，無法滿足我們的必要條件。 此外，第一代恒星是原始的，這意味著內部幾乎沒有重元素。 （如果我們看一下大霹靂期間產生的氧和碳等元素的數量，它比今天觀察到的太陽氧和碳豐度（宇宙中第三和第四大最常見的元素）低了數萬億倍。

事實上，我們現在知道，就化學富集而言，行星存在於恒星周圍的粗略閾值是多少：大約在太陽中發現的重元素比例的10-25%之間。 在 已發現的5000多顆系外行星 中，只有：

行星需要大量的化學富集，這不僅需要時間，而且需要多代恒星。

這張彩色編碼的地圖顯示了銀河系內超過600萬顆恒星的重元素豐度。 紅色、橙色和黃色的恒星都富含重元素，它們應該有行星; 綠色和青色編碼的恒星應該很少有行星，而編碼為藍色或紫色的恒星周圍應該絕對沒有行星。 請註意，銀河系盤的中心平面一直延伸到銀河系核心，有可能形成宜居的巖石行星。 圖片來源 ：ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 國際教育組織

在一個足夠豐富且恒星壽命足夠長的恒星系統中，我們還必須認識到，隕石坑/撞擊率，或「猛烈轟擊」時期，也會不利於生命的永續性。 根據我們今天對我們自己的太陽系以及其他恒星系統的最佳觀測，這些條件的發生需要大約五億年的時間。 換句話說，我們不僅需要前幾代恆星的生死，以創造足夠豐富的物質來形成巖石世界，我們也需要時間來傳遞這些世界。

為什麽我們需要巖石世界？ 就我們的理解而言，生活需要一個容納生活的世界：

一顆足夠大的巖石行星，以合適的大氣密度形成，並以合適的距離繞其世界執行，是有機會的。 （氣態巨行星的巖石衛星也有機會。 考慮到所有可能圍繞一顆新恒星形成的行星，以及每個星系中形成的恒星的天文數量，這些條件中的前幾個很容易滿足。

這幅描繪的類地系外行星展示了一個巖石世界，在其母星的宜居帶中，大氣層稀薄。 它有海洋、大陸和雲層，表面可能擁有宏觀的生命形式。 在數光年之外的距離上，需要一個巨大的望遠鏡來對它們進行成像，而且它只能看到遙遠過去的世界，而不是現在的樣子。 圖片來源 ：NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

繞恒星執行將提供能量梯度，就像繞行星執行一樣，擁有大衛星的氣態巨行星，或者只是一個地質足夠活躍的世界。 無論是來自太陽能輸入還是熱液/地熱活動，不均勻的能量輸入都很容易。 有了足夠多的元素，如碳、氫、氮、氧、磷和其他一些元素，大量的大氣將允許液態水在表面。 具有這些條件的行星應該在短短幾億年後就存在了，但這些行星也需要足夠的時間來穩定它們最初暴力的環境。

這些所需的元素也必須是可獲取的，因此這通常需要一個水環境，其中磷和硫等元素可以與碳、氧和氮原子發生反應，從而形成正確的化學物質。 如果這些環境是獨立的，例如在潮汐池中，在陸地上的淡水儲存中，或者其他一些淺層環境中，那就更好了，因為原子和分子之間的碰撞會導致有趣的結合模式和結構。 沒有這些條件，就很難看出我們生命過程所需的正確生化反應是如何發生的。

這張黃石國家公園大棱鏡泉的鳥瞰圖是世界上陸地上最具標誌性的熱液特征之一。 顏色是由於生活在這些極端條件下的各種生物，並取決於到達泉水各個部份的陽光量。 像這樣的熱液田是生命首次出現在年輕地球上的一些最佳候選地點，並且可能是各種系外行星上豐富生命的家園。 圖片來源 ：Jim Peaco/國家公園管理局

同樣值得一提的是，這些條件將首先出現在哪裏。 在大型星系的外圍發現，可能需要數十億年的時間才能讓足夠多的恒星生存和死亡才能達到必要的豐度。 但是在這些大品質星系的中心，恒星的形成頻繁、連續地發生，並且從前幾代超新星、行星狀星雲和中子星合並的回收殘余物中，這種豐度可以迅速上升。

即使在我們自己的銀河系中，球狀星團 Messier 69也顯示出證據表明 ，當宇宙只有7億年的歷史時，恒星的重元素含量高達太陽重元素含量的22%：接近不到10億年的宇宙歷史中巖石行星和生命過程所需的條件。

然而，對於一顆行星來說，活躍星系的中心是一個相對難以居住的地方，因為伴隨的宇宙煙花是一個必須忽視的危險。 無論你在哪裏有星星不斷形成，你都會有一系列壯觀的宇宙煙花。 Gamma射線暴、超新星、黑洞形成、類星體和塌縮的分子雲構成了一個充其量是生命產生和維持的不穩定環境。

這張壯觀的影像是用斯皮策和哈伯的合成數據建立的，顯示了一個潮汐扭曲的星系，富含瓦斯並積極形成新恒星，與一個由較老恒星組成的古老、無瓦斯的橢圓星系合並。 從詩意上講，這被稱為「企鵝和蛋」，企鵝活躍的恒星形成區域可能會為生命創造一個不利的環境，而蛋的平靜環境可能是持續生命出現和茁壯成長的最佳場所之一。 圖片來源 ：NASA/JPL-Caltech

為了有一個環境，我們可以自信地聲明生命產生並維持自身，我們需要恒星形成過程突然結束。 我們需要一些東西來阻止恒星的形成，這反過來又使基博什對一個世界的宜居性構成最大威脅的活動。 這很可能是來自恒星的反饋，它將清除中心環境中的瓦斯和塵埃，不久之後，中心黑洞將安靜下來，而不是處於活躍狀態。 正是由於這些原因，最早的、最永續的宜居行星可能不是在像我們這樣的星系中，而是在數十億年前停止形成恒星的紅死星系中。

當我們今天觀察星系時，其中約99.9%的星系中仍然有瓦斯和塵埃，這將導致新一代恒星和持續不斷的恒星形成。 但是，大約1000個星系中有1個在大約100億年前或更長時間內停止形成新恒星。 當它們的外部燃料耗盡時，這可能發生在災難性的主要星系合並之後，恒星的形成突然結束。 如果沒有新的恒星形成，品質更大、更藍的恒星在燃料耗盡時就會結束生命，留下更冷、更紅的恒星是唯一的幸存者。 因此，這些星系今天被稱為「紅色和死亡」星系，因為它們所有的恒星都是穩定的，古老的，並且不受新恒星形成帶來的暴力的阻礙。

其中一個星系 NGC 1277 甚至可以在我們相對的宇宙後院找到。

這個附近的星系，NGC 1277，雖然它可能看起來與宇宙中發現的其他典型星系相似，但它主要由較老的恒星組成。 它的內在恒星群和球狀星團都是非常紅色的，表明它在~100億年內沒有形成新的恒星。 一些最早的行星和世界可能出現在諸如此類的「紅色和死亡」星系中。 圖片來源 ：美國國家航空暨太空總署、歐空局和 M. Beasley（加那利群島天文研究所）

最早的宜居行星的秘訣可能是

這可以讓我們找到具有類似太陽的重元素豐度的恒星，其中圍繞這些恒星執行的行星（或衛星或其他世界）已經穩定下來，在熱大霹靂開始後的十多億年內，沒有頻繁的巨大撞擊。

一旦這些條件到位，復雜的分子很可能會形成，粉碎在一起，並實作各種各樣的構型。 當第一個復雜分子 同時滿足兩個條件 時：

1. 它們可以從環境中代謝一些能量或營養來源，

2. 它們可以復制和/或復制自己，

然後我們可以說，即使它是一種原始的生命形式，許多生物學家不會承認它是「活著的」，但生命從非生命中首次到來。 生命能夠自我維持、生存、繁衍和長期存在，而不是幾乎立即消亡的世界，將成為宇宙中第一個有人居住的世界。

智慧外星人，如果他們存在於銀河系或宇宙中，可能會從各種訊號中檢測到：電磁，行星改造，或者因為他們正在太空航行。 但到目前為止，我們還沒有發現任何有人居住的外星球的證據。 我們可能真的在宇宙中是孤獨的，但誠實的答案是，我們對相關機率的了解還不夠，無法得出明確的結論。 我們對地球以外生命的首次發現仍在等待著我們。 圖片來源 ：Ryan Somma/flickr

雖然地球可能花了90多億年的時間才形成，生命也花了數億年的時間才在我們的星球上出現並開始繁衍生息，但我們可以肯定的是，在宇宙歷史的10多億年裏，類似的世界，具有類似的生命友好條件。 這是一個非常迅速、樂觀的估計，但考慮到今天宇宙中有數萬億個星系，其中一些星系將成為宇宙的怪異和統計異常值，這使得生命的到來比平均水平更有利。 剩下的唯一問題是：

在達到十億年的門檻之前，宇宙中甚至可能出現生命，這仍然是合理的，但我們的目標是持續的、持續的宜居性，而不僅僅是生命僅僅出現，只是幾乎立即滅絕。 當宇宙不到20億年的時候——只有現在年齡的13-14%——裏面應該存在許多星系，其中應該存在許多類似太陽的恒星、類似地球的行星，以及生命出現和持續存在的所有正確成分和條件。 剩下的關鍵一步是我們仍然不知道的一步：量化地球以外行星上生命的普遍性。 一旦第一個生命世界出現，我們可以肯定的是，很快就會有更多的生命世界出現，可能遍布整個宇宙。