去球状星团里找文明

□ 郭金承 邱艳丽

去球状星团里找文明

□ 郭金承 邱艳丽

图1 球状星团杜鹃座47是个拥挤的地方，相对于宇宙中其他空旷的天区，这里的恒星与恒星之间距离更近，这将可以保证文明之间的星际通讯和转移的可行性。在这样一个相对稳定且容易进行星际交流和旅行的环境中，当文明发展到一定程度，文明的延续就变得容易得多，天文学家认为或许这类球状星团就是寻找地外高级文明信号的不错选择。图片来源：APOD

你相信有外星人存在吗？

前不久上映的电影《独立日2》，让外星人的话题又火了一把。外星人到底存不存在，还是个没有定论的问题。根据网站space.com的网络投票显示，参与的网民中有高达66%的人认为外星人是存在的，只是人类还没有发现他们而已。但是，如果我们真的发现了外星人，一定会是件好事吗？

图2 “Breakthrough Starshot”(突破摄星)计划。图片来源：breakthroughinitiatives.org。

不少科幻作品，例如《三体》，就担心发现外星人的同时可能带来的是对人类资源的掠夺和侵略。就连著名天体物理学家史蒂芬•霍金也在2010年的《探索发现》节目中警告说：“外星人几乎是肯定存在的。但如果外星人真的拜访我们的话，人类的命运很有可能和当初哥伦布发现新大陆后的印第安人一样。”

当然，这些担忧并不能阻止人类的好奇心。早期科学家就已经做出了很多与地外文明接触的尝试，比如，发射带有人类信息的探测器到外太空等。最近两年，一直是寻找外星人问题上的“大反派”霍金也改变了态度，积极参与了几个重要的寻找地外文明的科学项目。例如，其中一个项目计划利用美国的绿堤射电望远镜和澳大利亚的帕克斯射电望远镜，对离地球最近的一百万颗恒星以及银河系中心等区域进行大范围扫描（甚至可能延伸到离银河系最近的一百个星系），以此来寻找可能包含外星智慧生命的无线电讯号。另一个大胆的计划就是“Breakthrough Starshot”(突破摄星)。这个计划将会发射质量为克级的自动化纳米飞行器，通过地球上光速阵列的集中光压推动到五分之一光速，计划在发射后二十年后到达最近的恒星——半人马座α星，并通过飞行器上的探测器发回该恒星系统中行星的图片。

图3 潜在宜居地外行星的位置分布。图片来源：PHL @ UPR Arecibo, Jim Cornmell

怎样寻找外星人？

为了寻找地外生命和文明，人类一方面分析来自外太空的信号是否包含外星人的问候，另一方面努力地去寻找适合生命生存的地外行星。

截至2016年7月27日，通过开普勒望远镜找到的系外行星已经达到了3368颗，其中多行星系统已有569个，另外，处于宜居带的行星有42个。开普勒望远镜探测的是行星掩食恒星时产生的微小光变，除此以外还可以通过测量径向速度曲线，直接成像，引力透镜效应，以及脉冲星脉动时间细微变化等特殊方法来寻找行星。无论是用什么方法探测，通常天文学家都认为在银盘上的恒星周围更有可能找到智慧生命，因为相对于球状星团里密集的恒星和复杂的相互作用，银盘上的行星更容易形成，也能够有更长久稳定的时间来进化出生命，从而演化出先进的文明。然而，最近美国哈佛-史密松天体物理中心的研究员罗赞•迪斯蒂法诺(Rosanne Di Stefano)等人对于球状星团的模拟研究表明，球状星团里面可能更有机会找到先进文明。

什么是球状星团？

球状星团（Globular Clusters, 简称GCs）是由几千到几百万个恒星组成的球状天体。这些恒星被自引力束缚在很小的尺度（几千个光年）内，因此球状星团中的恒星密度非常大。球状星团是已知最古老的天体，被称为星系形成早期的“化石”。最老的球状星团几乎是和星系同时形成的，它们的年龄高达130亿年，快赶上137亿年的宇宙年龄了。

球状星团较多分布于星系的晕中，像卫星一样围绕星系核球中心转动。在我们居住的银河系中，目前已知有157个球状星团，它们在距离银心半径13万光年或更远的地方绕转。对于更大的星系，可以拥有更多的球状星团。比如仙女座星系(M31)可能有500个。一些巨大的椭圆星系，尤其是星系团中心的星系，比如M87，可能拥有多达13000个球状星团。

德国的天文学家亚伯拉罕•伊贺里（Abraham Ihle）于1665年发现第一个球状星团，即位于银河系中的M22。当时的观测设备还不足以分辨出球状星团内单独的恒星。直到1764年，梅西叶第一次发现原来球状星团M4是由很多颗恒星组成的。二十年后，威廉•赫歇尔用更大的望远镜分辨出了梅西叶星表中球状星团的成员星。

图4 天蝎座中的球状星团M4及包含行星的多星系统PSR B1620-26。左边的图片显示了地面望远镜拍摄的M4光学图像；右边的图片来自哈勃空间望远镜（HST），放大显示了左图的绿色方框部分，白色箭头指向包含系外行星的多星系统PSR B1620-26。图片来自NASA

球状星团与系外行星

随着科学技术的进步，到了2000年，天文学家使用哈勃空间望远镜的数据，在球状星团M4中发现了一个具有2.5倍木星质量的行星。该行星位于M4星场密集的核心处，围绕着一个由中子星和白矮星组成的双星系统PSR B1620-26运动（图4和图5），距离我们5600光年。这个球状星团中的类木行星，有着上百亿年的高龄，约为地球年龄（45亿年）的两倍多，是目前为止发现的最年老的一颗行星。

这颗行星引人注目的地方在于，它为第一代行星在宇宙大爆炸后10亿年内的快速形成提供了证据，也使得天文学家相信或许宇宙中存在数目惊人的行星。在此之前，天文学家们一直对球状星团中是否存在行星充满怀疑。由于球状星团在宇宙早期形成，那时重金属还没有通过恒星的核聚变形成，因此可能由于缺乏重金属元素而很难形成行星。另外，球状星团中由于恒星非常密集，彼此之间相距很近，因此靠得很近的恒星之间会产生比较明显的引力作用。如果存在行星，很难能够维持一个比较稳定的公转轨道。对于公转轨道较远的行星，甚至有可能被弹出所在行星轨道，被其他恒星捕获或者在星团里自由漂移。1999年，哈勃空间望远镜在杜鹃座47中寻找类木行星的计划以失败告终，使得一些天文学家认为球状星团中可能不会有行星。但PSR B1620-26中类木行星的发现，证实天文学家们当初只是找错了地方，由气体组成的大行星应该在球状星团中非常普遍。之后对开普勒望远镜数据的研究也表明，行星是可以在密集区域中形成并且存活下来的。

图5 球状星团M4中的包含行星的PSR B1620-26系统想象图。图上方蓝色的星球为具有2.5个木星质量的气体行星，下方两颗白色较亮的星球分别是PSR B1620-26系统中的脉冲星（左）和白矮星（右）。图片来自NASA

文明可在球状星团中存活

既然球状星团中可以存在行星，那么只要有行星处在生命宜居带，就可能诞生生命继而发展出文明。

球状星团中的一些条件，确实适合文明的生存和延续。球状星团就像是性情温和的老年人社团，它们的成员星由于年老而表现得很安静，可以在几十亿年甚至更长时间里稳定燃烧。而且星团内的物资很匮乏，气体和尘埃很少，因此就不会有恒星婴儿的诞生或者超新星爆炸这种剧烈事件影响到生命的生存环境。此外，球状星团中的恒星非常密集，它们之间的距离只有太阳到比邻星（距离太阳最近的一颗恒星）之间距离的二十分之一，而对于银盘中恒星之间的距离，更是短到几百甚至几千分之一。因此球状星团中恒星之间的通讯，可能只需要几星期或者几个月，从星团中心到星团边缘的通讯也只需要几十年。假设外星文明的天文工具和技术发展到与地球人类相当，那么球状星团内的不同行星上的外星人应该早就开始互相通信了。

在这样一个相对稳定且容易进行星际交流和旅行的环境中，当文明发展到一定程度，文明的延续就变得容易得多。一旦某个外星文明所在的行星存在任何可能的天灾人祸，这个文明都可以通过星际旅行来继续发展。这乍一听起来似乎很科幻，但哈佛-史密森天文研究中心的研究员迪斯蒂法诺和其合作者雷（Ray）通过对球状星团的一些理论计算，告诉我们球状星团确实很可能存在更为先进的文明。

文明的“最宜居区域”

那么，是不是球状星团中所有的地方都适合文明生存呢？答案是否定的。

迪斯蒂法诺研究员与合作者利用理论模型对不同质量和大小的球状星团进行数值模拟，发现只有在一些特殊的区域，才适合高级文明的长期生存。在这些区域内，恒星的密度刚刚好，足够稀疏以保证行星具有稳定的轨道而不会被近邻的恒星踢走，但又足够密集以保证邻近恒星之间可以在较短的时间内进行星际转移。这样的特殊区域被称为球状星团内高级文明的“最宜居区域”。

文明的最宜居区域的概念，与恒星系统内生命的宜居带概念很相似。例如对于太阳系来说，生命的宜居带是地球所处的这样一个区域——离太阳不太远以便获得足够的热量，又离太阳不那么近以免被烤焦——在这个区域里，地球表面可以有液态水存在，生命得以生存。对于不同的质量、大小的恒星组成的球状星团来说，文明的最宜居区域的大小会有所不同，但大致认为是一个球壳状的区域。这个球壳的内半径更靠近球状星团核心，在这里，处在生命宜居带上的行星能够存活像地球一样长的时间。离球状星团核心越近，恒星越密集，行星越容易遭到近邻恒星的毁灭式撞击、俘虏或者直接被踢出星团，因此行星的存活时间越短。最宜居区域的外半径，更靠近球状星团的外边界，在这里，恒星之间的距离不超过十万个日地距离，可以保证星际通讯和转移的可行性。

图6 球状星团外边缘的行星设想图。图片来自：RC Davison

展望

迪斯蒂法诺研究员及其合作者不仅对球状星团中存在最佳区域进行了数值模拟论证，并根据对实际球状星团进行最宜居区域大小的计算，得到了28个具有较大最宜居区域的优先候选体。由于球状星团的成员星多为个头较小的M型星（光谱型为M的恒星），很难通过探测行星最常用的掩食方法来发现行星。然而如果这些球状星团中毫秒级脉冲星越多的话，那么在其中发现行星的可能性就越大。这是因为观测脉冲星的周期变化相对行星掩食的方法更容易些，通过分析脉冲星的周期性质，就可以判断该脉冲星是否带有行星。我们迄今已知的唯一一个球状星团内的行星，正是处在脉冲星系统PSR B1620-26中。

虽然目前在球状星团中只发现了一颗行星，但是多项研究表明球状星团中可能普遍存在行星。对银河系盘中系外行星的研究结果显示，小质量恒星可能拥有更多处在宜居带的行星。令人高兴的是，球状星团的大部分成员星正是小质量的年老恒星，因此其中可能存在很多处于宜居带的行星。并且由于球状星团中恒星之间距离要短得多，相比之下更加方便智慧生命的迁移，来继续保持文明的发展和延续。因此球状星团中不仅更有可能存在先进文明，而且先进文明也极有可能已经散布到了整个星团。

鉴于这些研究成果，人类不如换个方向试试，对太阳系近邻的球状星团加大观测和研究力度。这样说不定在不远的将来，人类就能发现来自星星的小伙伴了。

图7 球状星团内部的行星设想图。图片来自：RC Davison

题外话

爱思考的读者也许会想到一个有趣的问题，在星场如此密集的球状星团内，外星人在自己的星球上能仰望到繁星璀璨的夜空吗？图7显示了一种可能出现的景象：这是一颗距离星团核心较远处的行星，来自众多恒星的星光可能使该星球上夜晚变得如同地球上黎明或者黄昏一般明亮。也可能会如同艾萨克•阿西莫夫的小说《日暮》（Nightfall）所描述那样，生活在一个球状星团里的文明具有六个太阳，他们有着持续的白昼，除非每隔2049年发生一次五星连珠，并且第六颗恒星被卫星掩食，才会出现一次黑夜。我们也可以想见，住在球状星团里的外星天文学家能够很容易地研究邻近的恒星，但也正是因为这些恒星的遮挡，而无法看到球状星团外的更大更深处的宇宙。正所谓不识庐山真面目，只缘身在此山中。

（责任编辑 冯翀）