1、现代(xindi)天文学,第十五讲 地外文明和生命的探索(tn su)北京大学 天文系 吴鑫基,第一页，共五十五页。,地球上生机勃勃、五彩缤纷(w ci bn fn)的生命世界使人们期望在地球之外、太阳系之外寻找生命和与智能生物。地外文明很非常可能存在，如果不是，我们地球人类和文明不就成了神秘、偶然的东西了吗？当然，也有人认为，就是独一无二的。屡遭挫折，百折不饶的奋斗。,第二页，共五十五页。,一，寻找太阳系内的生命二，地外生命存在(cnzi)可能性的探讨三、飞碟之谜四，搜寻地外智慧生命（SETI）五、寻找太阳系外的行星系统,第三页，共五十五页。,地球诞生于46亿年之前，诞生时温度较高，大气中的
2、氧气也很少。几亿年后，逐渐(zhjin)冷却，形成地壳；大气中的水汽凝结变为雨水，形成海洋；变成了氧气和氢气；变成适于生命诞生和存活的星球。,一，寻找(xnzho)太阳系内的生命,1，人类的家园(jiyun)地球,第四页，共五十五页。,地球表面70.8%的海洋使它成为美丽(mil)的“蓝色水球”,第五页，共五十五页。,地球离太阳距离适中，阳光适中，不太冷，不太热，为各种生命的存活提供了基本条件。其它行星都不具备这个条件。地球质量适中，能够维持住海洋和大气层。水是生命孕育和发展的必要条件，地球上的水资源十分丰富，地球引力(ynl)阻止了水蒸气逃离地球，通过水的蒸发云彩降雨的循环过程，提供了充足的
3、水。,第六页，共五十五页。,2，地球(dqi)生命,大约(dyu)在36亿年前，地球上开始出现生命，先在海洋里，然后到陆地，先是低级的，然后发展到高级；36亿年前，地球上最早的微生物化石形成；6亿年前，三叶虫有了完整生命；4亿年前，生命从海洋爬上陆地；生命的孕育需要条件，非常苛刻的条件；需要时间，非常长的时间！,第七页，共五十五页。,地球型生命(shngmng)存在的5个条件,1）合适的温度；2）液态(yti)的水，或相当于水的某种液体。既是生物体的必要组成部分，也是各种生物化学反应的必要介质。若是固体，反应的几率很低。3）适宜的大气层，防止宇宙线和陨石的侵害，保护水资源。导致生命起源的多种天
4、然有机化合物，需要在大气中通过紫外线照射和电火花才能合成。,第八页，共五十五页。,4）足够长的时间。生命的发生过程是非常缓慢的。地球上最早的生命发生在地壳诞生后10亿年，到现在已有几十亿年的时间。5）必要的有机物的化学元素，如氢、碳、氮、氧、铁等。宇宙诞生初期缺少(qusho)这些元素，所以生命形成也需在宇宙诞生相当长时间之后才能发生。,第九页，共五十五页。,彗星主要由水、氨、甲烷、氰、氮、二氧化碳、甲基氨的分子组成。彗星瓦解后散落在轨道上的碎片闯入地球大气形成流星雨，落到地面(dmin)成为陨石。19世纪，开始研究陨石的成分。分析1838年降落在南非的陨石后，发现其中确实含有氨基酸、核酸盐、
5、碳氢化合物。,3，地球上的生命来自彗星(huxng)和陨石吗？,第十页，共五十五页。,火星(huxng)陨石,目前，共有12块陨石被确认是来自火星。它们是由于小天体撞击(zhungj)火星被抛入空间，来到地球的。右上图是火星陨石的ALH84001的，分析出由碳酸盐组成的微细管状结构，是36亿年以前火星上存在的原始微生物的化石。,第十一页，共五十五页。,在地球南极发现的火星陨石中，出现了可能是某种微生物的形态(xngti)结构。,第十二页，共五十五页。,在40亿年以前，地球和月球经常受到彗星和陨石的袭击，可能有10万多个彗星撞到地球上，带来彗星上的有机物，比现在(xinzi)地球上的所有的生物的
6、总质量要大一万倍。有些天文学家认为地球上的生命是由彗星和陨石带来的。水最先是由彗星带来的。,第十三页，共五十五页。,在太阳系里寻找地球之外的行星和卫星上的生命过程一直是天文学家追求的目标。太阳系的空间探测没有发现其它行星和卫星有肉眼可见的动植物。水星是所有行星中表面温差最大的，向阳面的温度最高时可达连锡和铅都会熔化(rnghu)的摄氏430度。但背阳面的温度可降到摄氏零下160度。很难有生命存在。,4，寻找(xnzho)太阳系内的生命,第十四页，共五十五页。,金星温度高达摄氏450度，表面压力为90个大气压。云层的主要成分是硫酸的浓缩溶液及少量的盐酸和氢氟酸。很难有生命存在。火星上没有肉眼可见
7、的动植物，更没有像人类一样的智能动物。火星人、火星运河、火星人发射人造卫星等，已经被证实不存在。木星、土星、天王星、海王星的大气(dq)主要是由液态的甲烷、氢和氨构成的。从现在探索的结果来看，存在生命的可能性微乎其微。,第十五页，共五十五页。,退而研究行星和卫星的环境，如有没有水、大气及其成分等。探测(tnc)到火星表面在历史上有水的证据，还发现火星南极有大量氢分子，间接地表明那里有冰冻水的存在。土星的第六个卫星，木星的第二个卫星被探有大气层，认为具有地球类似的演化历史，可能孕育生命。,在太阳系行星及卫星(wixng)上寻找水和大气,第十六页，共五十五页。,“惠更斯”探土卫六“惠更斯”探测器于
8、2005年1月14日到达泰坦的表面。发回第一批350多幅照片。证实关于土卫六上具有甲烷河流的猜想；大气浓度约是地球大气的1.5倍；最上面是一层薄薄的岩石外壳；底部有侵蚀的痕迹(hnj)，曾遭到过河流的冲刷；时速为 24千米的风存在；非常类似于46亿 年前的早期地球。,第十七页，共五十五页。,5，在地球上寻找(xnzho)极端恶劣环境下的生物,已探测的行星和卫星上，自然环境恶劣，没有找到生命的迹象。地球上有些地方的自然环境也是极端恶劣：如智利最干燥的阿塔卡马沙漠；南极洲的千年冰架；几千米的海洋深处、几万米的高空(gokng)。地外生物学家进行生物学研究的宝地。,第十八页，共五十五页。,细菌和微生
9、物能承受恶劣(li)环境,格陵兰冰川下3千米处发现微生物；深海火山口发现能够承受高压和高温(gown)的细菌；阿塔卡马沙漠的土壤中发现能够经受住寒冷、真空、干旱和辐射考验的细菌；在红海附近盐滩发现耐盐的细菌；在美国加州金矿毒液中发现耐酸细菌；在南非矿井中发现能够从周围岩石和空气中获取所需的所有营养物质的微生物。,第十九页，共五十五页。,地球(dqi)细菌在月球上存活,地球上的微生物到了在几近真空(zhnkng)、充满宇宙射线的月球表面还能继续生存。1969年降落月球的“阿波罗12号”太空船，收回了两年半前无人探测船“观察家三号”留在月球上的相机，发现其底部带着的地球上的微生物“缓症链球菌”仍然
10、存活。在太阳系的一些行星和卫星上能否 找到微生物？,第二十页，共五十五页。,南极洲冰原(bn yun)深处发现虾状生物,2010年初，美国宇航局的科学家在南极洲180米深的冰原深处发现了一种虾状生物和一根水母的触须。较复杂的生命体能在这样恶劣的环境下生存，令人惊奇。有理由(lyu)认为，在太阳系的一些星球上，如木卫二的冰层下面也可能有类似的生物存在。水下摄像机纪录了当时的情景。,第二十一页，共五十五页。,地球上的生命都是以碳和水为基础，因此称为碳基生命，它们需要一定的温度环境(hunjng)，并且要有水和氧气，否则就会热死、冻死、渴死和憋死。有些科学家也在思考和探寻这样一个似乎很离奇的可能性，
11、即宇宙中是否可能存在与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，生命的多种可能(knng)形式,第二十二页，共五十五页。,1891年，德国申纳尔提出硅基生命概念：硅与碳在同一(tngy)族元素中，性质与碳很相似。宇宙中有很多硅，硅化合物的热稳定性使得以其为基础的生命可以在高温摄氏200度甚至到400度下生存。这种生命可以不摄取有机物，而只从宇宙空间中吸收星光维持生命。硅基生命呼出的则是二氧化硅（沙粒）。,硅基生命(shngmng),第二十三页，共五十五页。,液态氨和水有许多显著的化学相似性，液态氨在溶解方面比水更强。液态氨取代水，作为生命所必需(bx)的溶液和介质。一个大
12、气压，温度在摄氏-34以下氨是液态，所以氨基生命可能在温度比较低的世界里生存。如果星球表面的大气压很高，如在60个大气压时，液态氨的沸点温度变成98摄氏度，氨基生命可能在高压下生存。,氨基(nj)生命,第二十四页，共五十五页。,元素周期表中硫与氧同族，性质相似。硫在地球上的室温时是固体，高温时是气体。科幻作家构思在温度较高的星球上生存着硫基生物，吃含硫量极高的食物。地球上曾经找到生活(shnghu)在硫矿里的、厌氧的古细菌。很有可能是以硫作为自己生命的介质。它们不需要氧。,硫基生命(shngmng),第二十五页，共五十五页。,1、宇宙中的有机分子 生命进化：由低级生物进化到高级生命；由无生命物
13、质转化为生命物质。射电观测发现来自银河系内外的星际分子共100多种，构成地球生物的基本元素在宇宙空间的各个(gg)方向都有。星际分子大多数由氢、氧、碳、氮、硫、硅6种元素组成。前4种元素是组成生命单元细胞的蛋白质和DNA的最基本的元素。,二，地外生命(shngmng)存在可能性的探讨,第二十六页，共五十五页。,DNA是细胞核中的一种复杂分子，储存了生命个体过程的信息。星际空间有大量有机分子，说明构成生命的基本物质到处可见。生命的存在和发展需要适宜(shy)的外界自然环境，如适宜的温度、液态水、大气、光和热等。发现这些构成生命的基本物质并不等于发现了地球之外的生命。,第二十七页，共五十五页。,2
14、、“类地行星”的估计 生命的孕育需要长期稳定：地球年龄为46亿年，30亿年(y nin)时出现有细胞核的细胞，7亿年(y nin)前，出现多细胞生物，3500万年前才出现类人猿，人类的文明史才有5000多年，而发达的高科技时代更是近百年的事。从孕育生命到发展成文明社会需要几十亿年的时间。只有类太阳恒星主宰的行星系统才能提供长期稳定的条件。如果恒星质量太大，演化太快。,第二十八页，共五十五页。,银河系千亿颗恒星中约有40亿颗与太阳质量和温度差不多，且有行星系统的恒星；它们的行星系统中也有可能(knng)有一颗和地球差不多的行星，即“类地行星”。只有老年“类地行星”则可能有生命，但也可能因“恐龙灭
15、绝”式的灾难而毁灭。文明社会也是有寿命的，最长的也会随恒星的演化为红巨星的时候毁灭。,第二十九页，共五十五页。,Rs恒星诞生率；fp有行星系统的恒星概率；n 适合生命居住的行星数；f1可居住生命并出 现生命的行星概率；fl出现智慧生命的概率；fc能进行星际通讯的概率；L为文明社会寿命。预计有智慧生命的星球有10万1000万个。宇宙中也可能(knng)没有地外的文明社会，如某系数为零。,3，文明(wnmng)社会的计算公式（美国德雷克）,第三十页，共五十五页。,如果有众多的文明星球，可能有比我们的科学技术更先进的。他们有能力与地球人类联系，可能乘坐“飞碟”来地球。“飞碟”是人们发现的一些在空中飞
16、行的形似碟子一样的不明飞行物（UFO）。最初(zuch)报导在1974年，有几个直径有30多米，碟子形状的怪物在天上飞行。甚至有人宣称看到了“宇宙人”、“曾被宇宙人抓去”等等。,三、飞碟(fi di)之谜,第三十一页，共五十五页。,2002年7月6月30日晚10点半左右，一个神秘的发光体掠过江苏、河南、陕西、四川、重庆等地的天空。目击者很多，描述非常相似：飞得很高，很大，速度并不快，呈扇形；持续两三分钟到十几分钟。判断：高度在500千米以上，远比飞机(fij)的速度快，外形很像一只向外喷射物质的空间飞行器。,1，我国关于(guny)“飞碟”的报道,第三十二页，共五十五页。,1974年11月17日丹麦人劳尔森拍摄的不明飞行物照片（左图）。研究表明，许多不明飞行物为气象气球、陨星、行星以及飞机着陆时的指示灯，及某些气象现象。有些飞碟现象是由电离了的空气所形成的明亮的等离子体组成，它们是电晕放电造成的。有些关于(guny)飞碟的报道则是有意编造出来的骗局。,第三十三页，共五十五页。,恒星的行星如果有智能生物，要到地球来拜访，即使是近处的，飞碟速度也接近光速(un s)，也要经过4.3100年