宇宙裏有多少外星文明？

這是開普勒-186f的設想圖。開普勒-186f是首顆被證實在宜居帶，圍繞着遙遠的恆星運行的行星，與地球大小相仿。所謂宜居帶，指的是一顆恆星周圍的一定距離範圍，這裏的行星表面的液態水可以匯聚起來。

繪製：NASA AMES/JPL-CALTECH/T. PYLE

撰文：NADIA DRAKE

對於外星獵手而言，這是一個好消息：銀河系中，散佈着3億個與地球環境相似的星球。一項新分析得出結論，在銀河系裏，約半數類日恆星的宜居帶存在巖質行星。在宜居帶裏，液態水可以在行星表面匯聚或流動。

“這是我們期待已久的科學結論，”此次研究的參與者、加州大學聖克魯茲分校的天文學家Natalie Batalha說。

這一發現已被《天文學期刊》（Astronomical Journal）接受發表，確定了德雷克公式中的一個關鍵數字。1961年。我的父親Frank Drake提出了這個公式，爲計算銀河系中可探測到的文明的數量設立了框架。現在，公式中最初的幾個變量已經知道了，包括類日行星的生成速率、有行星的恆星比例、每個恆星系統中宜居星球的數量。

擁有類似地球世界的類日恆星的數量“可能是千分之一，也可能是百萬分之一，沒人知道確切答案”，地外文明搜尋（SETI）研究所的天文學家Seth Shostak說，他沒有參與此次研究。

天文學家通過NASA開普勒行星探測器的數據，估計了這些行星的數量。9年裏，開普勒探測器一直在凝望着這些恆星，觀察行星繞軌道運行過程中遮擋恆星光芒時短暫的閃爍。2018年任務結束時，開普勒探測器已經發現了約2800個系外行星，其中很多與圍繞太陽運行的行星完全不同。

但開普勒探測器的主要目標是確定地球這樣的行星有多普遍。這個計算過程需要歐洲航天局蓋亞探測器的幫助，蓋亞探測器負責觀測銀河系的恆星。有了蓋亞的觀測結果，科學家最終得以確定，銀河系裏有數億顆地球大小的行星在圍繞類日恆星運行，而最近的那顆可能距離太陽系不到20光年。

緩慢接近

德雷克公式利用七個變量來估計銀河系中可探測到的文明的數量，包括擁有行星系的類日恆星的比例，以及每個這樣的星系中宜居行星的數量。德雷克公式以此爲基礎，計算在條件合適的世界裏，進化出生命的概率，以及這些生命形式最終發展出可探測技術的概率。最初的公式假設，在類日恆星軌道運行的行星上，將會進化出技術先進的外星人。

“當天文學家說起尋找這些行星時，實際上每個人都在談論德雷克公式，對吧？”賓夕法尼亞州立大學的天文學家Jason Wright說：“計算的時候，我們都會想到它。”Wright一直在研究可能的宜居星球，但沒有參與此次研究。

科學家用了半個多世紀纔開始確定有多少行星可能存在生命。1961年時，天文學家對圍繞太陽以外的其他恆星運行的行星一無所知，雖然行星形成理論認爲，系外行星應該很普遍，但那時我們沒有觀測到它們存在的跡象。在過去幾十年裏，我們清楚地看到，銀河系裏的行星十分普遍，數量超過了恆星。平均而言，幾乎每顆恆星都擁有至少一個圍繞它運轉的行星世界。

這個認知“確實是一大進步”，Wright說：“這告訴我們，那裏有很多可能存在生命的地方。”但Batalha說，德雷克公式的另一要素則更難計算，即每個行星系統裏宜居星球的數量。

宜居世界

行星掠過恆星表面會短暫地遮住一小部分星光，導致光線變暗，開普勒探測器通過尋找這一現象來發現遙遠的世界。根據星光被阻擋的程度和頻率，科學家可以計算出行星的大小、圍繞恆星運行的時間。藉助這個方法，開普勒探測器發現了幾千顆大小和軌道各不相同的系外行星。但科學家真正的目標是找到類似地球的行星：溫度相似、巖質行星、圍繞類日恆星運行。

早期估計表明，大約有20%的類日恆星擁有符合這些標準的行星。現在我們知道，這個數字至少接近50%。

“這比我想的更高。我總是對公衆說，四分之一，五分之一，這個結果已經很驚喜了，”Batalha說：“平均而言，每個類日恆星可能都有一顆宜居行星。”

在計算這些行星出現的概率時，天文學家遇到了意想不到的挑戰。開普勒探測器觀測到的恆星比科學家預期的更爲活躍，它們產生的信號可能干擾或混淆行星凌日時的特徵。而且探測器本身也嬌貴，需要定期修正，這讓觀測變得更加複雜，尤其是幫助探測器保持正確方向的關鍵部件出故障之後。

爲了得出結論，Batalha和同事結合了開普勒和蓋亞的數據；蓋亞探測器正在追蹤和描述附近的10億顆恆星。他們發現，開普勒觀測到的行星半徑相當於地球的0.5至1.5倍，更有可能是巖質行星而非氣態行星；根據蓋亞的數據，他們獲得了這些行星圍繞的恆星的溫度和大小。

研究團隊判斷了行星的宜居性，不僅根據它們與恆星的距離，還計算了每顆行星接收到了多少能量。根據這些，研究團隊選出了溫度足夠讓星球表面存在液態水的行星。

有了溫度適宜、圍繞類日恆星運行的巖質行星的樣本大小後，研究團隊就可以估算整個銀河系有多少這樣的行星。他們發現，銀河系裏37%至60%的類日恆星都應該有一個溫度適宜、地球大小的行星；他們放寬條件，計算需要多少能量讓行星的溫度適宜，發現多達58%至88%的類日恆星都擁有這樣的行星。

當然，很多因素決定了位於宜居帶的行星是否真的適合生命。行星的各項特徵，比如磁場、大氣、含水量和板塊構造都起到了一定的作用，而在遙遠的小世界裏，這些很難觀察到。

儘管如此，“這篇論文有助於我們弄清楚究竟有多少可能存在生命的星球”，Wright說：“他們計算出了最近的這樣的行星距離我們有多遠，最終我們如數家珍。”最近的那顆可能不到20光年，有4個應該在33光年以內。

從適宜居住到文明誕生

既然知道了銀河系中有多少類似地球的世界，天文學家可以繼續研究德雷克公式裏的其他變量。這些因素裏有很多很難確定，包括一些關鍵問題：外星人發展出我們可以探測到的技術的概率，以及可被探測到的文明存在的時間長度。

還有一個問題：鑑於很多地球大小的行星圍繞着更小、更冷的恆星運轉，科學家是否應該考慮非類日恆星。也許我們應該把行星之外的世界也納入考慮範圍，儘管開普勒探測器探測到的很多世界很大，而且有氣體，“它們可能有《星球大戰》裏的恩多那樣的森林衛星”，Wright說：“或者，《阿凡達》裏的潘多拉星球。”

天文學家很快就會計算出公式中的另一個因素：進化出生命的宜居世界的比例。在探索太陽系的過程中，我們發現宜居世界的名單很長，而且多樣。在火星或者木星的冰封衛星木衛二這樣的星球上，可能孕育着微生物，甚至金星上空的有毒雲層中也可能存在某種生命形式。