科研解碼:宇宙文明的歷史與未來

「人類在宇宙中寂寞嗎?」

在卡爾.薩根 (Carl Sagan) 的小說《超時空接觸》(Contact) 電影尾聲,主角 Ellie Arroway 說:「宇宙之大,超越我們的任何想像。如果只有我們,那真是太浪費地方了。」

The universe is a pretty big place. It’s bigger than anything anyone has ever dreamed of before. So if it’s just us… seems like an awful waste of space. Right?

在最近一篇研究論文之中,Peter Behroozi 和 Molly S. Peeples 利用行星形成速率,計算出今天 (宇宙誕生後 137 億年),地球比宇宙中 80% 的類地行星更遲誕生。但他們同時亦推測,地球文明有 92% 的機會並非宇宙中唯一文明。

行星形成速率

要知道銀河系及宇宙中有多少個文明,首先要知道存在多少個行星。文章假設類地行星 (即是如同地球般有固態地表的行星) 是支持文明發展的條件之一。當然,現在還不知道類木行星 (如木星般巨大而且擁有厚重大氣的行星) 有沒有可能支持文明的出現,所以這論文的結論大概是一個最小極限 (lower limit)。

要知道銀河系及宇宙中存在多少個行星,我們需要知道的是由宇宙誕生一直到今天的行星形成速率。類地及類木行星的形成速率各有不同,而兩者都與恆星形成速率、平均氣態金屬相對豐度的冪、恆星平均行星數量成正比﹐也與新形成之恆星的平均質量成反比。(留意:與一般科學定義不同,在天文學裡「金屬」指的是除氫和氦以外所有元素。)

結果顯示,以每年每個銀河系計算 (planets / year / galaxy),類地行星形成速率在宇宙早期比類木行星的高。如果把此速率與宇宙中的銀河系密度相乘,就得到於宇宙的不同時期的、以每年每個體積計算 (planets / year / comoving volume) 的行星形成速率。他們發現,地球比宇宙中現存的 80% 類地及 50% 類木行星更遲誕生。

費米悖論

如果我們的地球真的比 80% 的類地行星更遲誕生,那為何我們找不到其他文明存在的證據?費米早在 1950 年,就提出了一個類似的問題:「人類文明剛剛起步,因此地外文明比人類文明先進非常多的機會,就非常高。為何我們找不到他們?」這個問題被稱為費米悖論 (Fermi’s paradox)

Behroozi 和 Peeples 以產生一個行星所需的質量,計算出宇宙在未來億萬年裡還會有多少個行星誕生。他們發現,宇宙現在可能只產生了約 8% 的行星。換句話說﹐仍然有 92% 的行星尚未誕生。

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[圖一。上:一個在宇宙後期才發展出望遠鏡的文明會認為他們的行星比已誕生的行星年齡中位數更早出現。下:一個在宇宙早期就發展出望遠鏡的文明會認為他們的行星比已誕生的行星年齡中位數更遲出現。取自 Behroozi & Peeples 2015, MNRAS, 454, 1811。已獲論文作者同意轉載。]

他們推論說,由於現在的宇宙仍然很年輕 (約 137 億歲),因此我們就會有地球很遲誕生的錯覺。首先,並不是每一個行星都適合生命演化。例如因為元素必須靠一代一代的恆星熔合而來,在宇宙非常早期誕生的行星就沒有足夠的元素去孕育生命。因此,在今天已經發展出望遠鏡的文明 (例如我們) 就會發現,我們的行星比已誕生的行星年齡中位數遲了很久才出現 (見圖一下)。可是,如果一個文明在宇宙後期才發展出望遠鏡,他們就會發現他們的行星比已誕生的行星年齡中位數更早就出現了 (見圖一上)。

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[圖二。宇宙中存在某數量文明行星的機會。取自 Behroozi & Peeples 2015, MNRAS, 454, 1811。已獲論文作者同意轉載。]

基於地球比 92% 的行星更早誕生的假設,他們也簡單估計,如果地球是第 N 個出現文明的行星﹐宇宙中存在文明的行星數量的機會有多少。他們發現,如果地球是第 N 個出現文明的行星,那麼宇宙中平均就會有 12.5N 那麼多個文明 (見圖二)。另外,由於明顯宇宙中已經存在了至少一個文明 (我們),所以他們也能夠估算宇宙中只存在一個文明 (我們) 的機會:少於 8%。換句話說,有大於 92% 的機會,人類並不孤單。

封面圖片:1997 年電影《超時空接觸》截圖。

延伸閱讀:

科學家巡禮:我們都是星塵.卡爾.薩根 (Carl Sagan)》- 余海峯

By David Yu

David Yu is the father of Simba and an Astrophysicist. He obtained his PhD in Astrophysics from the Max Planck Institute of Extraterrestrial Physics, Germany. He was formerly a postdoc at the KTH Royal Institute of Technology, Sweden, and is currently a lecturer at the University of Hong Kong. He served as the host of the RTHK TV31 programme Science Night, the Depute Editor-in-Chief of the Taiwanese Science Magazine Physics Bimonthly, and the Science Consultant of Stand News. The books he authored include Dr David’s 21 Mysteries of The Universe (2021), Space – A Down-to-Earth Astrophysicist (2021), Time – A Spacetime Journey of Astronomy and Physics (2019), and Secrets from the Stars (2017).

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