当第一个生命世界形成时是什么样子的？

过去的几十年里，人类在发现潜在的宜居世界方面取得了多大的进步，这几乎是不可思议的。 就在1990年，除了太阳系中的行星之外，还没有已知的、已确认的行星; 截至今天，已经有超过5000颗已确认的系外行星，从超级木星一直到亚地球大小的世界。 许多较小的恒星都围绕着稳定的、类似太阳的恒星; 它们中的许多人被认为大气稀薄; 许多人可能拥有生命过程所需的重元素; 许多是多行星系统的一部分，其表面有可能产生类似地球的温度和压力。

虽然地球可能是我们认为的理想、宜居世界的模板，但我们仍然可以设想各种各样的情况，这些情况与我们自己的情况截然不同，这些环境也可能长期支持生命。 然而，地球在形成之前经历了超过90亿年的宇宙演化。 假设宇宙需要所有这些时间来为宜居性创造必要的条件，这是非常不合理的。

当我们以最少的假设来研究宜居性的最低限度时，这些条件可能起源得更早。 生命的原始化学成分是这个谜题的一部分，但不能是故事的全部。 但为了形成一个宜居的星球，我们必须更深入地研究。 以下是我们需要了解的关于最早的宜居世界的信息。

随着最近的发现，我们对行星的数量有了大量的了解，包括它们周围的恒星以及它们与恒星的大小和距离。 但是当谈到它们是否有人居住的问题时，我们根本没有信息。 图片来源 ：Lucianomendez

如果你想拥有一个有人居住的世界，你首先需要的是合适的恒星类型，让它绕着它运行。 可能有各种各样的情况，一个星球上的生命甚至可以在一颗活跃的、暴力的恒星周围生存，并且在敌对的情况下仍然适合居住。

质量最低的恒星，像比邻星这样的红矮星，会爆发耀斑和高能辐射。 任何潜在的宜居行星都将面临失去大气层的风险，直到剧烈的恒星活动稳定下来：对于质量最低的恒星来说，这个过程比宇宙目前的年龄更长。 虽然您可以想象以下场景：

也许所有这些结合在一起，使这样一个世界在可持续的基础上适合居住，很难想象在早期宇宙阶段，这样一个世界会有一个繁荣的生态系统。

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层，並以最快的速度用X射线和耀斑照射其表面。

这张图像显示了恒星HD 12545的温度曲线，与我们的太阳不同，它不仅有少量的微小太阳黑子，而且由一个巨大的、跨越恒星的星黑子主导，覆盖了大约25%的表面。 许多恒星，包括低质量、年轻和快速旋转的恒星，都有巨大的太阳黑子，可以在其系统的宜居性中发挥重要作用：不利于它们作为生命的良好候选者。 图片来源 ：K.Strassmeier，维也纳，NOIRLab/NSF/AURA

事实证明，恒星的质量越大，它就越快地稳定下来，进入以下状态：

在巨大的爆发中，这将阻碍轨道行星的宜居性。 此外，恒星的质量越大，它释放的总能量就越大。 将这些事实结合在一起可以表明，如果能量是生命所需的能量，那么也许这些恒星周围的大量空间，在类地行星表面的液态水温度将「恰到好处」，可能是最好的观察地点。

但是，如果你的恒星寿命太短，那么宜居性就是不可能的。 此外，如果你的恒星系统太原始，这意味着它含有太少的重元素，那么宜居性也将是不可能的，因为生命过程所需的原材料根本不存在。 如果我们想要一个可以容纳生命的星球，我们需要：

恒星形成区域Sh 2-106展示了一组有趣的现象，包括被照亮的气体，一颗明亮的中心恒星提供照明，以及尚未被吹走的气体的蓝色反射。 这个区域的各种恒星可能来自许多不同过去和世代历史的恒星的组合，但它们都不是原始的：它们都含有大量的重元素。 这是岩石行星和潜在宜居性的必要成分之一。 图片来源 ：ESA/哈勃和美国宇航局

第一代恒星，被称为第三族恒星，正好有这些限制。 平均而言，这些恒星的质量非常大：是太阳质量的10+倍，这意味着它们不会活~100亿年，而只能活~1000万年：这个时间尺度太短，无法满足我们的必要条件。 此外，第一代恒星是原始的，这意味着内部几乎没有重元素。 （如果我们看一下大爆炸期间产生的氧和碳等元素的数量，它比今天观察到的太阳氧和碳丰度（宇宙中第三和第四大最常见的元素）低了数万亿倍。

事实上，我们现在知道，就化学富集而言，行星存在于恒星周围的粗略阈值是多少：大约在太阳中发现的重元素比例的10-25%之间。 在 已发现的5000多颗系外行星 中，只有：

行星需要大量的化学富集，这不仅需要时间，而且需要多代恒星。

这张彩色编码的地图显示了银河系内超过600万颗恒星的重元素丰度。 红色、橙色和黄色的恒星都富含重元素，它们应该有行星; 绿色和青色编码的恒星应该很少有行星，而编码为蓝色或紫色的恒星周围应该绝对没有行星。 请注意，银河系盘的中心平面一直延伸到银河系核心，有可能形成宜居的岩石行星。 图片来源 ：ESA/Gaia/DPAC; CC BY-SA 3.0 国际教育组织

在一个足够丰富且恒星寿命足够长的恒星系统中，我们还必须认识到，陨石坑/撞击率，或「猛烈轰击」时期，也会不利于生命的可持续性。 根据我们今天对我们自己的太阳系以及其他恒星系统的最佳观测，这些条件的发生需要大约五亿年的时间。 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岩石世界，我們也需要時間來傳遞這些世界。

为什么我们需要岩石世界？ 就我们的理解而言，生活需要一个容纳生活的世界：

一颗足够大的岩石行星，以合适的大气密度形成，并以合适的距离绕其世界运行，是有机会的。 （气态巨行星的岩石卫星也有机会。 考虑到所有可能围绕一颗新恒星形成的行星，以及每个星系中形成的恒星的天文数量，这些条件中的前几个很容易满足。

这幅描绘的类地系外行星展示了一个岩石世界，在其母星的宜居带中，大气层稀薄。 它有海洋、大陆和云层，表面可能拥有宏观的生命形式。 在数光年之外的距离上，需要一个巨大的望远镜来对它们进行成像，而且它只能看到遥远过去的世界，而不是现在的样子。 图片来源 ：NASA Ames/JPL-Caltech/T. Pyle

绕恒星运行将提供能量梯度，就像绕行星运行一样，拥有大卫星的气态巨行星，或者只是一个地质足够活跃的世界。 无论是来自太阳能输入还是热液/地热活动，不均匀的能量输入都很容易。 有了足够多的元素，如碳、氢、氮、氧、磷和其他一些元素，大量的大气将允许液态水在表面。 具有这些条件的行星应该在短短几亿年后就存在了，但这些行星也需要足够的时间来稳定它们最初暴力的环境。

这些所需的元素也必须是可获取的，因此这通常需要一个水环境，其中磷和硫等元素可以与碳、氧和氮原子发生反应，从而形成正确的化学物质。 如果这些环境是独立的，例如在潮汐池中，在陆地上的淡水储存中，或者其他一些浅层环境中，那就更好了，因为原子和分子之间的碰撞会导致有趣的结合模式和结构。 没有这些条件，就很难看出我们生命过程所需的正确生化反应是如何发生的。

这张黄石国家公园大棱镜泉的鸟瞰图是世界上陆地上最具标志性的热液特征之一。 颜色是由于生活在这些极端条件下的各种生物，并取决于到达泉水各个部分的阳光量。 像这样的热液田是生命首次出现在年轻地球上的一些最佳候选地点，并且可能是各种系外行星上丰富生命的家园。 图片来源 ：Jim Peaco/国家公园管理局

同样值得一提的是，这些条件将首先出现在哪里。 在大型星系的外围发现，可能需要数十亿年的时间才能让足够多的恒星生存和死亡才能达到必要的丰度。 但是在这些大质量星系的中心，恒星的形成频繁、连续地发生，并且从前几代超新星、行星状星云和中子星合并的回收残余物中，这种丰度可以迅速上升。

即使在我们自己的银河系中，球状星团 Messier 69也显示出证据表明 ，当宇宙只有7亿年的历史时，恒星的重元素含量高达太阳重元素含量的22%：接近不到10亿年的宇宙历史中岩石行星和生命过程所需的条件。

然而，对于一颗行星来说，活跃星系的中心是一个相对难以居住的地方，因为伴随的宇宙烟花是一个必须忽视的危险。 无论你在哪里有星星不断形成，你都会有一系列壮观的宇宙烟花。 伽马射线暴、超新星、黑洞形成、类星体和坍缩的分子云构成了一个充其量是生命产生和维持的不稳定环境。

这张壮观的图像是用斯皮策和哈勃的合成数据创建的，显示了一个潮汐扭曲的星系，富含气体并积极形成新恒星，与一个由较老恒星组成的古老、无气体的椭圆星系合并。 从诗意上讲，这被称为「企鹅和蛋」，企鹅活跃的恒星形成区域可能会为生命创造一个不利的环境，而蛋的平静环境可能是持续生命出现和茁壮成长的最佳场所之一。 图片来源 ：NASA/JPL-Caltech

为了有一个环境，我们可以自信地声明生命产生并维持自身，我们需要恒星形成过程突然结束。 我们需要一些东西来阻止恒星的形成，这反过来又使基博什对一个世界的宜居性构成最大威胁的活动。 这很可能是来自恒星的反馈，它将清除中心环境中的气体和尘埃，不久之后，中心黑洞将安静下来，而不是处于活跃状态。 正是由于这些原因，最早的、最可持续的宜居行星可能不是在像我们这样的星系中，而是在数十亿年前停止形成恒星的红死星系中。

当我们今天观察星系时，其中约99.9%的星系中仍然有气体和尘埃，这将导致新一代恒星和持续不断的恒星形成。 但是，大约1000个星系中有1个在大约100亿年前或更长时间内停止形成新恒星。 当它们的外部燃料耗尽时，这可能发生在灾难性的主要星系合并之后，恒星的形成突然结束。 如果没有新的恒星形成，质量更大、更蓝的恒星在燃料耗尽时就会结束生命，留下更冷、更红的恒星是唯一的幸存者。 因此，这些星系今天被称为「红色和死亡」星系，因为它们所有的恒星都是稳定的，古老的，并且不受新恒星形成带来的暴力的阻碍。

其中一个星系 NGC 1277 甚至可以在我们相对的宇宙后院找到。

这个附近的星系，NGC 1277，虽然它可能看起来与宇宙中发现的其他典型星系相似，但它主要由较老的恒星组成。 它的内在恒星群和球状星团都是非常红色的，表明它在~100亿年内没有形成新的恒星。 一些最早的行星和世界可能出现在诸如此类的「红色和死亡」星系中。 图片来源 ：美国宇航局、欧空局和 M. Beasley（加那利群岛天文研究所）

最早的宜居行星的秘诀可能是

这可以让我们找到具有类似太阳的重元素丰度的恒星，其中围绕这些恒星运行的行星（或卫星或其他世界）已经稳定下来，在热大爆炸开始后的十多亿年内，没有频繁的巨大撞击。

一旦这些条件到位，复杂的分子很可能会形成，粉碎在一起，并实现各种各样的构型。 当第一个复杂分子 同时满足两个条件 时：

1. 它们可以从环境中代谢一些能量或营养来源，

2. 它们可以复制和/或复制自己，

然后我们可以说，即使它是一种原始的生命形式，许多生物学家不会承认它是「活着的」，但生命从非生命中首次到来。 生命能够自我维持、生存、繁衍和长期存在，而不是几乎立即消亡的世界，将成为宇宙中第一个有人居住的世界。

智能外星人，如果他们存在于银河系或宇宙中，可能会从各种信号中检测到：电磁，行星改造，或者因为他们正在太空航行。 但到目前为止，我们还没有发现任何有人居住的外星球的证据。 我们可能真的在宇宙中是孤独的，但诚实的答案是，我们对相关概率的了解还不够，无法得出明确的结论。 我们对地球以外生命的首次发现仍在等待着我们。 图片来源 ：Ryan Somma/flickr

虽然地球可能花了90多亿年的时间才形成，生命也花了数亿年的时间才在我们的星球上出现并开始繁衍生息，但我们可以肯定的是，在宇宙历史的10多亿年里，类似的世界，具有类似的生命友好条件。 这是一个非常迅速、乐观的估计，但考虑到今天宇宙中有数万亿个星系，其中一些星系将成为宇宙的怪异和统计异常值，这使得生命的到来比平均水平更有利。 剩下的唯一问题是：

在达到十亿年的门槛之前，宇宙中甚至可能出现生命，这仍然是合理的，但我们的目标是持续的、持续的宜居性，而不仅仅是生命仅仅出现，只是几乎立即灭绝。 当宇宙不到20亿年的时候——只有现在年龄的13-14%——里面应该存在许多星系，其中应该存在许多类似太阳的恒星、类似地球的行星，以及生命出现和持续存在的所有正确成分和条件。 剩下的关键一步是我们仍然不知道的一步：量化地球以外行星上生命的普遍性。 一旦第一个生命世界出现，我们可以肯定的是，很快就会有更多的生命世界出现，可能遍布整个宇宙。