教授声称：如果地球是普通的，我们应该在60光年内找到外星生命

德雷克方程，宇宙中发现生命或高级文明概率的数学公式。学分:uux.cn/罗切斯特大学

（神秘的地球uux.cn）据《今日宇宙》（马特·威廉姆斯）：1960年，在为第一次搜寻地外文明(SETI)会议做准备时，传奇天文学家和SETI先驱弗兰克·德雷克博士公布了他的概率方程，用于估计我们银河系中可能存在的文明的数量——又名德雷克方程。这个方程中的一个关键参数是ne，即我们银河系中能够支持生命的行星数量，也就是“可居住的”当时，天文学家还不确定其他恒星是否有行星系统。但是由于像开普勒这样的任务，5523颗系外行星已经被确认，还有9867颗等待确认。

基于这些数据，天文学家对我们银河系中可居住行星的数量做出了各种估计——根据一种估计，至少有1000亿颗。在最近发布到arXiv预印本服务器的一项研究中，Piero Madau教授介绍了一个数学框架，用于计算距离太阳100秒差距(326光年)内的可居住行星的数量。假设地球和太阳系是标准的代表，Madau计算出这个空间体积可能包含多达11，000个地球大小的类地(又名岩石)系外行星，这些行星在其恒星的可居住区(HZs)内运行。

Madau教授是加州大学圣克鲁斯分校(UCSC)的天文学和天体物理学教授。他研究的中心是哥白尼原理，以著名的波兰天文学家尼古拉斯·哥白尼命名，他是日心说模型的发明者。也被称为宇宙学原理(或平庸原理)，该原理指出，无论是人类还是地球都不处于观察宇宙的特权地位。简而言之，当我们观察太阳系和宇宙时，我们所看到的代表了整体。

在他的研究中，马道考虑了依赖于时间的因素如何在我们宇宙中生命的出现中发挥了至关重要的作用。这包括我们银河系的恒星形成历史，重元素对星际介质(ISM)的富集(在第一批恒星内部锻造)，行星的形成，以及水和有机分子在行星之间的分布。正如马道向《今日宇宙》解释的那样，时间和年龄的核心作用在德雷克方程中并没有明确强调:

“德雷克方程相当于一个有用的教育学总结，它总结了可能影响我们今天探测到生命承载世界——以及最终探测到技术先进的地外文明——的可能性的因素(概率)。但这种可能性和这些因素取决于其他因素，包括恒星的形成和当地星系盘的化学富集历史，以及简单微生物和最终复杂生命出现的时间表。”

地球对我们的银河系来说是一个相对较新的东西，大约在45亿年前与我们的太阳一起形成(这使得它的年龄不到宇宙年龄的33%)。与此同时，生命花了大约5亿年才从地球上存在的原始状态中出现。40亿年前。大约5亿年后，光合作用以单细胞生物的形式出现，这种生物代谢二氧化碳并产生氧气作为副产品。这逐渐改变了我们大气的化学组成，引发了大约24亿年前的大氧化事件，并最终导致了复杂生命形式的出现。

一个漫长而复杂的化学和生物进化过程随之而来，最终导致了适合复杂生命的条件和所有已知物种的出现。鉴于这些依赖于时间的步骤的重要性，马道认为德雷克方程只是故事的一部分。除此之外，他创建了一个数学框架来估计“温带类地行星”(TTP)何时在银河系的我们这个角落形成，以及微生物生命何时可能出现。

这个框架允许天文学家确定哪些潜在的目标恒星(根据质量、年龄和金属性)可能是搜索大气生物特征的最佳候选。正如Madau所描述的，他的方法包括将长寿恒星、系外行星和TTP的本地群体视为一系列数学方程，这些方程可以作为时间的函数进行数值求解:

“这些方程描述了恒星、金属、巨行星和岩石行星的变化率，以及太阳附近历史上可居住世界的形成，在这个地方，来自天基和地基设施的大量新数据证明了更详细的计算是合理的，也是当前和下一代恒星和行星调查的目标。这些方程本质上是统计性的，即它们没有描述单个行星系统的诞生和演化，而是描述了在太阳100秒差距内的TTP数量(随着时间)的变化。”

最终，马道的分析表明，在距离太阳100秒差距内，可能有多达10，000颗岩石行星围绕其恒星的HZs运行。他还发现，我们太阳系附近TTP的形成很可能是阶段性的，开始于大约100-110亿年前的恒星形成爆发，随后是另一次事件，该事件在大约50亿年前达到顶峰，产生了太阳系。从马道的数学框架中得到的另一个有趣的结论表明，100秒差距内的大多数TTP很可能比太阳系更古老，这证实了我们是这个政党的相对后来者。

同样有趣的是这项研究对寻找外星生命的意义。使用普遍接受的地球上生命出现的时间线(自然发生),并应用对其他行星上生命存在率的保守估计——德雷克方程的fl参数——马道的框架还表明了距离最近的拥有生命的系外行星可能有多远:

“因此，如果微生物生命在超过1%的TTPs中像在地球上一样迅速出现(这是一个很大的假设)，那么人们预计最近的、拥有生命的类地行星距离我们不到20 PC[65光年]，”他说。“这可能是下一代大型地面设施和仪器寻找可居住性标记和生物特征的谨慎乐观的原因。不用说，检测生物特征将会非常困难。也有可能生命如此稀少，以至于在一个kpc或更多的KPC中没有我们可以探测到的生物特征。”

当然，不能保证我们太阳系附近的任何TTP能够支持生命。自然发生的原因和共性是最不为人所知的科学追求之一，主要是因为它缺乏数据。仅凭一个例子(地球和陆地生物)，科学家们无法自信地说出生命的出现需要什么样的条件组合。马道还强调(像德雷克方程一样)，他的方法本质上是统计的。尽管如此，他的工作在不久的将来可能会对天体生物学产生重大影响。

使用我们的太阳系作为指南，以及许多其他有大量数据的参数(即，恒星的形成，质量，大小，金属含量，以及在恒星赫兹内轨道运行的附近系外行星的数量)，科学家将能够优先使用下一代望远镜研究恒星系统。

马道说:“类地行星的产量和特征将是未来太空旗舰任务的主要科学指标。随着寻找系外行星上可居住环境和生命的机会迅速接近，真正的挑战是实际设计最佳的观测策略。对少数系外行星大气的详细光谱研究必须伴有旨在揭示行星特性趋势的群体研究和统计研究，以便我们能够评估生物特征可探测性的可能性。”