8-地外生命概述

1、西華師范大學公共選修課天 文 學 概 論第7講 地外生命劉雄偉物理與電子信息學院生命的誕生和演化人類從哪里來？ 我們都產(chǎn)生于幾十億年前的一顆恒星的核心。 也曾經(jīng)是恐龍身上的一部分。 地外文明非常應(yīng)該是存在的，否則，地球人類和文明不就成了神秘、偶然的東西了嗎？當然，也有人認為，就是獨一無二的。 尋找地外生命 屢遭挫折，百折不饒。我們是唯一的嗎？一、尋找太陽系內(nèi)的生命二、地外生命存在可能性的探討三、飛碟之謎四、搜尋地外智慧生命（SETI）五、尋找太陽系外的行星系統(tǒng) 地球誕生于46億年之前，誕生時溫度較高，大氣中的氧氣也很少。 幾億年后，逐漸冷卻，形成地殼；大氣中的水汽凝結(jié)變?yōu)橛晁纬珊Ｑ?；變成?/p>

2、氧氣和氫氣；變成適于生命誕生和存活的星球。一、尋找太陽系內(nèi)的生命 1，人類的家園地球地球表面70.8%的海洋使它成為美麗的“藍色水球” 地球離太陽距離適中，陽光適中，不太冷，不太熱，為各種生命的存活提供了基本條件。其它行星都不具備這個條件。 地球質(zhì)量適中，能夠維持住海洋和大氣層。 水是生命孕育和發(fā)展的必要條件，地球上的水資源十分豐富，地球引力阻止了水蒸氣逃離地球。我們?yōu)槭裁辞『蒙钤谶@樣一顆星球？2，地球生命大約在36億年前，地球上開始出現(xiàn)生命，先在海洋里，然后到陸地，先是低級的，然后發(fā)展到高級；6億年前，三葉蟲有了完整生命；4億年前，生命從海洋爬上陸地； 生命的孕育需要非常苛刻的條件！ 需要

3、非常長的時間！地球型生命存在的5個條件1）合適的溫度；2）液態(tài)的水，或相當于水的某種液體。既是生物體的必要組成部分，也是各種生物化學反應(yīng)的必要介質(zhì)。若是固體，反應(yīng)的幾率很低。3）適宜的大氣層，防止宇宙線和隕石的侵害，保護水資源。導致生命起源的多種天然有機化合物，需要在大氣中通過紫外線照射和電火花才能合成。4）足夠長的時間。生命的發(fā)生過程是非常緩慢的。地球上最早的生命發(fā)生在地殼誕生后10億年，到現(xiàn)在已有幾十億年的時間。5）必要的有機物的化學元素，如氫、碳、氮、氧、鐵等。宇宙誕生初期缺少這些元素，所以生命形成也需在宇宙誕生相當長時間之后才能發(fā)生。 彗星主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳、甲基氨的

4、分子組成。 彗星瓦解后散落在軌道上的碎片闖入地球大氣形成流星雨，落到地面成為隕石。 19世紀，開始研究隕石的成分。分析1838年降落在南非的隕石后，發(fā)現(xiàn)其中確實含有氨基酸、核酸鹽、碳氫化合物。3，地球上的生命來自彗星和隕石嗎？ 火星隕石目前，共有12塊隕石被確認是來自火星。它們是由于小天體撞擊火星被拋入空間，來到地球的。右上圖是火星隕石的ALH84001的，分析出由碳酸鹽組成的微細管狀結(jié)構(gòu)，是36億年以前火星上存在的原始微生物的化石。在地球南極發(fā)現(xiàn)的火星隕石中，出現(xiàn)了可能是某種微生物的形態(tài)結(jié)構(gòu)。太陽系的空間探測沒有發(fā)現(xiàn)其它行星和衛(wèi)星有肉眼可見的動植物。 水星是所有行星中表面溫差最大的，向陽面的

5、溫度最高時可達連錫和鉛都會熔化的攝氏430度。但背陽面的溫度可降到攝氏零下160度。很難有生命存在。4，尋找太陽系內(nèi)的生命金星溫度高達攝氏450度，表面壓力為90個大氣壓。云層的主要成分是硫酸的濃縮溶液及少量的鹽酸和氫氟酸。很難有生命存在?；鹦巧蠜]有肉眼可見的動植物，更沒有像人類一樣的智能動物?；鹦侨恕⒒鹦沁\河、火星人發(fā)射人造衛(wèi)星等，已經(jīng)被證實不存在。木星、土星、天王星、海王星的大氣主要是由液態(tài)的甲烷、氫和氨構(gòu)成的。從現(xiàn)在探索的結(jié)果來看，存在生命的可能性微乎其微。 退而研究行星和衛(wèi)星的環(huán)境，如有沒有水、大氣及其成分等。 探測到火星表面在歷史上有水的證據(jù)，還發(fā)現(xiàn)火星南極有大量氫分子，間接地表明那

6、里有冰凍水的存在。 土星的第六個衛(wèi)星，木星的第二個衛(wèi)星被探有大氣層，認為具有地球類似的演化歷史，可能孕育生命。 在太陽系行星及衛(wèi)星上尋找水和大氣 “惠更斯”探土衛(wèi)六 “惠更斯”探測器于2005年1月14日到達泰坦的表面。發(fā)回第一批350多幅照片。 證實關(guān)于土衛(wèi)六上具有甲烷河流的猜想； 大氣濃度約是地球大氣的1.5倍； 最上面是一層薄薄的巖石外殼； 底部有侵蝕的痕跡，曾遭到過河流的沖刷； 時速為 24千米的風存在； 非常類似于46億年前的早期地球。 5，在地球上尋找極端惡劣環(huán)境下的生物 行星和衛(wèi)星上的自然環(huán)境惡劣，沒有找到生命的跡象。地球上有些地方的自然環(huán)境也是極端惡劣。 如果一些生物在地球上的

7、一些惡劣環(huán)境下可以生存，在其他行星和衛(wèi)星上是否也可能存在？細菌和微生物能承受惡劣環(huán)境格陵蘭冰川下3千米處發(fā)現(xiàn)微生物；深?；鹕娇诎l(fā)現(xiàn)能夠承受高壓和高溫的細菌；阿塔卡馬沙漠的土壤中發(fā)現(xiàn)能夠經(jīng)受住寒冷、真空、干旱和輻射考驗的細菌；在紅海附近鹽灘發(fā)現(xiàn)耐鹽的細菌；在美國加州金礦毒液中發(fā)現(xiàn)耐酸細菌；在南非礦井中發(fā)現(xiàn)能夠從周圍巖石和空氣中獲取所需的所有營養(yǎng)物質(zhì)的微生物。地球細菌在月球上存活！ 地球上的微生物到了在幾近真空、充滿宇宙射線的月球表面還能繼續(xù)生存。1969年降落月球的“阿波羅12號”太空船，收回了兩年半前無人探測船“觀察家三號”留在月球上的相機，發(fā)現(xiàn)其底部帶著的地球上的微生物“緩癥鏈球菌”仍然存活

8、。南極洲冰原深處發(fā)現(xiàn)蝦狀生物2010年初，美國宇航局的科學家在南極洲180米深的冰原深處發(fā)現(xiàn)了一種蝦狀生物和一根水母的觸須。 較復雜的生命體能在這樣惡劣的環(huán)境下生存。有理由認為，在太陽系的一些星球上，如木衛(wèi)二的冰層下面也可能有類似的生物存在。 地球上的生命都是以碳和水為基礎(chǔ)， 因此稱為碳基生命，它們需要一定的溫度環(huán)境，并且要有水和氧氣，否則就會熱死、凍死、渴死和憋死。有些科學家也在思考和探尋這樣一個似乎很離奇的可能性，即宇宙中是否可能存在與地球上完全不同的非碳基生命？ 硅基生命；氨基生命；硫基生命：6，生命的多種可能形式 1891年，德國申納爾提出硅基生命概念：硅與碳在同一族元素中，性質(zhì)與碳很

9、相似。宇宙中有很多硅，硅化合物的熱穩(wěn)定性使得以其為基礎(chǔ)的生命可以在高溫攝氏200度甚至到400度下生存。這種生命可以不攝取有機物，而只從宇宙空間中吸收星光維持生命。硅基生命呼出的則是二氧化硅（沙粒）。硅基生命 液態(tài)氨和水有許多顯著的化學相似性，液態(tài)氨在溶解方面比水更強。液態(tài)氨取代水，作為生命所必需的溶液和介質(zhì)。一個大氣壓，溫度在攝氏-34以下氨是液態(tài)，所以氨基生命可能在溫度比較低的世界里生存。如果星球表面的大氣壓很高，如在60個大氣壓時，液態(tài)氨的沸點溫度變成98攝氏度，氨基生命可能在高壓下生存。氨基生命 元素周期表中硫與氧同族，性質(zhì)相似。硫在地球上的室溫時是固體，高溫時是氣體?？苹米骷覙?gòu)思在溫

10、度較高的星球上生存著硫基生物，吃含硫量極高的食物。地球上曾經(jīng)找到生活在硫礦里的、厭氧的古細菌。很有可能是以硫作為自己生命的介質(zhì)。它們不需要氧。硫基生命 1、宇宙中的有機分子 生命進化：由低級生物進化到高級生命；由無生命物質(zhì)轉(zhuǎn)化為生命物質(zhì)。 射電觀測發(fā)現(xiàn)來自銀河系內(nèi)外的星際分子共100多種，構(gòu)成地球生物的基本元素在宇宙空間的各個方向都有。 星際分子大多數(shù)由氫、氧、碳、氮、硫、硅6種元素組成。前4種元素是組成生命單元細胞的蛋白質(zhì)和DNA的最基本的元素。二，地外生命存在可能性的探討 星際空間有大量有機分子，說明構(gòu)成生命的基本物質(zhì)到處可見。 發(fā)現(xiàn)這些構(gòu)成生命的基本物質(zhì)并不等于發(fā)現(xiàn)了地球之外的生命。因為

11、生命的存在和發(fā)展需要適宜的外界自然環(huán)境，如適宜的溫度、液態(tài)水、大氣、光和熱等。2、“類地行星”的估計 生命的孕育需要長期穩(wěn)定：地球年齡為46億年，30億年時出現(xiàn)有細胞核的細胞，7億年前，出現(xiàn)多細胞生物，3500萬年前才出現(xiàn)類人猿，人類的文明史才有5000多年，而發(fā)達的高科技時代更是近百年的事。從孕育生命到發(fā)展成文明社會需要幾十億年的時間。 只有類太陽恒星主宰的行星系統(tǒng)才能提供長期穩(wěn)定的條件。如果恒星質(zhì)量太大，演化太快。 銀河系千億顆恒星中約有40億顆與太陽質(zhì)量和溫度差不多，且有行星系統(tǒng)的恒星； 它們的行星系統(tǒng)中也有可能有一顆和地球差不多的行星，即“類地行星”。只有老年“類地行星”則可能有生命，

12、但也可能因“恐龍滅絕”式的災(zāi)難而毀滅。 文明社會也是有壽命的，最長的也會隨恒星的演化為紅巨星的時候毀滅。 Rs恒星誕生率；fp有行星系統(tǒng)的恒星概率；n適合生命居住的行星數(shù)；f1可居住生命并出現(xiàn)生命的行星概率； fi出現(xiàn)智慧生命的概率；fc能進行星際通訊的概率；L為文明社會壽命。 預(yù)計有智慧生命的星球有10萬1000萬個。3，文明社會的計算公式（美國德雷克） 如果有眾多的文明星球，可能有比我們的科學技術(shù)更先進的。他們有能力與地球人類聯(lián)系，可能乘坐“飛碟”來地球。 “飛碟”是人們發(fā)現(xiàn)的一些在空中飛行的形似碟子一樣的不明飛行物（UFO）。最初報導在1974年，有幾個直徑有30多米，碟子形狀的怪物在天

13、上飛行。 甚至有人宣稱看到了“宇宙人”、“曾被宇宙人抓去”等等。三、飛碟之謎 2002年7月30日晚10點半左右，一個神秘的發(fā)光體掠過江蘇、河南、陜西、四川、重慶等地的天空。目擊者很多，描述非常相似：飛得很高，很大，速度并不快，呈扇形；持續(xù)兩三分鐘到十幾分鐘。 判斷：高度在500千米以上，遠比飛機的速度快，外形很像一只向外噴射物質(zhì)的空間飛行器。1，不明飛行物（UFO）的報道 1974年11月17日丹麥人勞爾森拍攝的不明飛行物照片（左圖）。 研究表明，許多不明飛行物為氣象氣球、隕星、行星以及飛機著陸時的指示燈，及某些氣象現(xiàn)象。有些飛碟現(xiàn)象是由電離了的空氣所形成的明亮的等離子體組成，它們是電暈放電

14、造成的。有些關(guān)于飛碟的報道則是有意編造出來的騙局。 恒星的行星如果有智能生物，要到地球來拜訪，即使是近處的，飛碟速度也接近光速，也要經(jīng)過4.3100年才能到達。 天文學家探測過近處的恒星（100PC）沒有發(fā)現(xiàn)那里有文明社會存在。 有人說看見了乘飛碟來地球的外星人，但總是回避和人類見面，不可信的。能坐飛船到地球，其科技水平遠遠超過我們，還怕與人類交流？2，飛碟是外星人乘坐的飛船嗎？四，搜尋地外智慧生命（SETI）國際宇航科學院成立了“搜尋地外智慧生命” 的專門的委員會，把搜尋地外智 慧生命有關(guān)的各種活動納入了科 學的軌道。簡稱SETI。 1959先驅(qū)性的論文：德雷克提 出在1420兆赫附近搜尋地

15、外文明 的建議，得到了強烈的反映。成 為SETI科學的第一塊里程碑。 射電望遠鏡的發(fā)展已具備接收來自宇宙空間微弱的電波信號，裝備電波發(fā)射設(shè)備后，將成為有很強的空間通訊設(shè)備。 進行宇宙通訊必需選擇理想的頻率窗口。選用的頻率是能穿過地球的電離層，也能穿過地外文明所居住的星球的大氣層。1、宇宙通訊 在1400兆赫頻率附近，天空背景噪音很小，只有50K，而在300兆赫附近，背景噪音則高達300K。 1400兆赫附近的21厘米和18厘米波長成為進行宇宙星際通訊理想的頻率窗口。21厘米是中性氫譜線(H)，18厘米是氫氧基譜線(HO)。所以這個頻率范圍稱為“水洞”。最佳的通訊頻段：水洞 1960年奧茲瑪計劃

16、是第一次有計劃地搜尋地外文明。使用美國國立射電天文臺25米射電望遠鏡，在21厘米波段，對兩顆最可能存在智能生物的波江座星和鯨魚座星作了監(jiān)測，累計達200小時，沒有檢測到外星人發(fā)來的信號。2，奧茲瑪計劃 第二期奧茲瑪計劃 改用兩臺口徑較大的射電望遠鏡，仍在21厘米波段上，對660顆離我們較近的類太陽恒星進行監(jiān)測，也沒有得到結(jié)果。 “高分辨率微波巡視”計劃 改用阿雷西博305米的射電望遠鏡，對100光年以內(nèi)的800-1000顆類太陽恒星進行監(jiān)測，結(jié)果還是一無所獲。 “賽克洛普斯星際通訊相位陣”示意圖 沒有獲得經(jīng)費支持，未能實現(xiàn) 目前，載入星際航行不可能。恒星遙遠、生命有限和飛船的速度和燃料限制等；

17、 不載人飛船可以離開太陽系，20世紀70年代美國在“先驅(qū)者”10號、11號探測器攜帶一封向宇宙人致意的信件。信寫在鋁板上，幾億年也不會變形和變質(zhì)。 “旅行者”1號和2號帶著可以播放兩個小時的關(guān)于“地球之音”的唱片。唱片是用噴金的銅制成的，經(jīng)久不壞。 3，拜訪地外文明社會 “先驅(qū)者”號飛船攜帶的表征人類文明的圖形 把無線電能量集中在一個很小的束中發(fā)射出，可使發(fā)射功率提高一百萬倍以上。 1974年，用阿雷西博射電望遠鏡向武仙座M13球狀星團發(fā)射信息。 這份電報是要告訴“武仙座”的智能生物，關(guān)于太陽系、地球、和地球人的一些信息。 電報以光速傳播，達到目的地要2.4萬年，如果真的收到后立即給我們回電，

18、地球人要在4.8萬年以后才能收到。4，向武仙座M13球狀星團發(fā)射信息 銀河系中，有多少像我們太陽系差不多的恒星行星系統(tǒng)？有多少具有像地球一樣條件的行星？這成為尋找地外文明的關(guān)鍵所在。 尋找銀河系中的行星系統(tǒng)主要有兩個方法： 直接獲得恒星和它的行星的圖象，很困難，必須用特大光學望遠鏡； 間接的方法，檢測出行星系統(tǒng)對恒星的影響。五、尋找太陽系外的行星系統(tǒng) 太陽系外的行星距離遙遠，又處在光芒四射的恒星附近，要想直接觀測到它們是非常困難。 通常是通過間接的方法推斷太陽系外行星的存在，即檢測行星對中心恒星所產(chǎn)生的影響來判斷行星的存在。 細心地觀測和調(diào)查了太陽系周圍17光年以內(nèi)的49顆恒星的情況，沒有發(fā)現(xiàn)

19、這些恒星的行星系統(tǒng)。1，太陽系附近的搜索1982年對毫秒脈沖星的觀測發(fā)現(xiàn)毫秒脈沖星PSR1257+12的兩個行星的系統(tǒng)。后來確認，是3顆行星，成為人類最先發(fā)現(xiàn)的太陽系外行星系統(tǒng)。2，脈沖星觀測 捷足先登行星A離脈沖星最近，平均距離為0.19天文單位，質(zhì)量約為月球的兩倍，公轉(zhuǎn)周期為25.262天。行星B的平均距離為0.36天文單位，質(zhì)量為地球的4.3倍，公轉(zhuǎn)周期為66.5419天。行星C的平均距離為0.46 AU，質(zhì)量為地球3.9倍，其公轉(zhuǎn)周期為98.2114天。 天文學家用“海爾”、“里克”光學望遠鏡、哈勃空間望遠鏡來尋找太陽系外的行星系統(tǒng)，已發(fā)現(xiàn)350多行星系統(tǒng)。 最先發(fā)現(xiàn)類太陽恒星飛馬座51星的