重元素──也就是天文學家們口中的“金屬元素”是在恆星內部經由核聚變形成，並通過超新星爆發的形式向周圍空間散播的。科學家們現在想知道，宇宙究竟是在何時開始具備允許行星形成的重元素豐度的？
研究顯示岩石行星可以在不同的重元素豐度環境下產生，這就意味著在更大的範圍內都有可能存在宜居行星，這也大大增加了宇宙中生命存在的可能性
新浪科技訊 香港時間9月15日消息，據物理學家組織網站報導，要想形成一顆行星，首先你需要非常大量的岩石，這就意味著大量的重元素，也就是質量大於氫和氦的元素。當初在塌縮過程中形成太陽和太陽系行星的原始星雲中包含了這樣的重元素，如鐵，矽和鎂，這些元素構成了岩石行星體，而其中含有的其它元素，如碳，氧，氮，鉀和其它類似元素則是形成生命不可或缺的基本物質。
然而，在當時的原始星雲中，這些物質僅僅占據微量成分，加起來一共僅占整個星雲物質質量的2%左右，相比之下氫元素占74%，氦元素占24%。然而儘管比例很低，但其實際總量仍然相當驚人，根據現在的計算，這一原始星雲中所含的重元素物質足以組成30個地球這樣的行星。這些重元素──或者天文學家們所說的“金屬”──在天文學中，科學家們將所有原子量大於氫和氦的元素都統稱為“金屬”。這些“金屬”並非憑空產生，它們是恆星內部核聚變反應的結果，隨後在超新星的劇烈爆發中被散播到宇宙各處，在空間中留下了形成行星的原始物質材料。要想形成如此之多的行星物質，那就意味著在此之前必須有恆星先行存在並消亡，在死亡的過程中將合成的重元素物質拋向空間之中，經過一代代恆星的不斷積累，改變著宇宙中化學元素的成分分佈。然而，要想形成一顆行星究竟需要多少這樣的物質？宇宙中的重元素達到何種水平之後才能符合形成行星的條件？
我們生活的地球是在大約45.4億年前由環繞太陽轉動的一個原始行星盤逐漸形成的，這一說法會出現在任何天文學教科書中，人盡皆知。而我們生活的這個宇宙迄今已有137億年，因此我們的太陽系誕生的歷史僅僅只占到了宇宙整個歷史的1/3。有沒有可能在更加早的時期，宇宙中便已經有了岩石行星？直到最近，科學家們都不這麼認為。因為主流的理論認為宇宙中不具備足夠的用於構建行星的物質，直到大爆炸之後至少60~70億年，這種可能性才開始出現。早期的系外行星研究也似乎支援這一觀點，因為科學家們觀察那些系外行星圍繞運行的中央恆星，它們的金屬度(也就是重元素含量)都和太陽相當或比太陽更高。而更高的金屬度就意味著更晚的形成年齡。然而，最後的事實証明，當初阻礙我們更好地搜尋系外行星的那種偏見同樣阻礙了我們對於“何種恆星周圍可以形成行星”這一問題的認識。
直到2009年，美國宇航局發射了開普勒空間望遠鏡之前，我們所知的絕大部分系外行星都是那種氣態巨行星，它們在圍繞恆星非常近的距離上運行，這當然僅僅是因為它們是所有系外行星中最容易被探測到的類型。這些行星看起來似乎更加傾向於在具有較高金屬度的恆星周圍形成。
然而開普勒望遠鏡的觀測結果完全改變了我們對系外行星的認識。開普勒望遠鏡可以一次將大量系外行星收入視野，從而為我們觀察這些外星世界提供一個前所未有的嶄新視角。到目前為止，開普勒項目已經發現了2321顆疑似系外行星目標，其中有超過1/3是體積相對較小的岩石行星體，其中木星大小的氣態行星僅占大約11%，另外還有一些海王星大小的，介於兩者之間的類型，而在開普勒望遠鏡升空之前，人類已經發現的系外岩石行星數量屈指可數。
對於這些擁有系外行星的恆星進行的後續觀察給出了讓人出乎意料的結果。丹麥哥本哈根大學尼爾斯‧玻爾研究院的拉爾斯‧巴克哈爾(Lars Buchhave)表示：“我們發現較小行星的存在並不像那些較大行星那樣和它們圍繞運行的恆星的金屬度之間存在那樣強烈的相關性。”巴克哈爾是一個多國天文學家小組的負責人，該小組利用光譜對150顆恆星進行了研究，這些恆星周圍一共有226顆疑似行星圍繞運行。有關他們的工作論文在今年6月份在阿拉斯加安克雷奇召開的第220屆美國天文學會會議上進行了提交，並隨後發表在了《自然》雜誌上。
瑞典倫德天文台的安德斯‧喬納森(Anders Johansen)是巴克哈爾研究論文的合著者，他說：“乍看起來這些巨行星對金屬度的依賴性反而高於類地行星是有悖常理的。”只有當你停下來認真思考行星的形成過程時，事情才會逐漸變得清晰起來。行星從規模較小的原始核心到最終通過吸積過程成為行星體，這一過程對於木星這樣的氣態巨行星仍然存在爭議：它們可以直接從太陽星雲中像恆星那樣冷凝形成嗎？或者它們需要一個較大的核心首先形成，並吸引周圍的原行星盤物質並以此實現迅速成長？
氣態巨行星對高金屬度恆星的“青睞”顯示它們是通過核心吸積過程形成的，也就是形成一個相當於地球質量10倍的岩石內核，並用強大的引力在其週遭氣體消散殆盡之前將它們積聚到了自己身上，因為在這之後大約1000萬年，來自太陽的強烈星風開始吹起，將那些來不及被積聚的氣體物質都吹散了。而在金屬度較低的恆星周圍，它將難以形成足夠的重元素物質用來形成較大的原行星核，因此最終只剩下較小的岩石行星。因此喬納森指出，對於岩石行星的另一種看法是將它們視為半途失敗了的氣態巨行星內核。
從這樣來看，那些圍繞低金屬度恆星運行的行星系統似乎就成了搜尋外星生命線索的適宜場所。因為沒有了氣態巨行星，生命可能將擁有更好的生存條件。
我們目前已經觀測到的系外氣態巨行星大多數都屬於一類被稱作“熱木星”的類別，這些行星都位於距離中央恆星非常近的軌道上，公轉一週的時間僅有數天。這些行星並非產生時就離開恆星如此之近，相反，它們是從誕生位置逐漸遷移過來的。喬納森表示，現在正有越來越多的天文學家傾向於認為這樣的遷徙動作是由於周圍氣體物質對其施加的引力阻滯以及摩擦作用所致，或者是由於受到了其它行星的引力攝動。這些和原始行星盤之間發生的摩擦和攝動轉移了行星的一部分角動量，讓其軌道逐漸向著中央的恆星靠攏。
當這些巨行星遷徙時，那些不幸恰好位於其遷徙路徑附近的較小的岩石行星就會被強大的引潮力拋出行星系。巴克哈爾表示：“如果一顆木星大小的巨行星在遷徙過程中將行星系中所有的岩石行星全部拋射了出去，那麼我們就只能去其它地方搜尋這些岩石行星了。”因此生命在早期宇宙中可能生活地更加愜意，因為拜較低的恆星金屬度所賜，當時的行星系中應當不存在巨行星。而沒有巨行星，生命同樣可以生存。而假如地球大小的岩石行星的形成並不需要較高的恆星金屬度，這將具有重大的意義，並擴展生命在時間和空間中可能存在的延伸範疇。
考慮這樣一種情形：星系的化學演化是從中心向著邊緣進行的，其重元素豐度最高的區域位於星系核心位置，而其外圍的旋臂部分的重元素豐度就要相對低一些。根據原先的理論，星系的外緣區域是無法讓生命生存的，因為這裏並不存在足以構成行星和生命體的重元素。但是當後來，這一區域的金屬度不再成為一個大問題時，星系宜居帶的範圍──即圍繞星系核心呈環狀分佈的一片區域，這裏的一些指標，包括金屬度和超新星密度都恰到好處，因而成為適宜生命存在的區域。在這一時期，這一宜居帶的範圍突然之間被大大延展了。
現在，設想宇宙中的重元素含量是隨著歷史的推移不斷累積增加的。因此在遙遠的過去，宇宙中的重元素含量應當是非常低的。根據之前的理論設想，在這樣的早期宇宙中將是很難產生足夠的重元素物質來構成岩石行星的，但是現在我們知道在這樣具有較低金屬度的環境中仍然可以產生出允許岩石行星形成的條件。這樣一來也就意味著，可能支援生命生存環境的行星最早可能在80億，100億甚至120億年前就已經出現了。系外行星探測的結果的確發現隨著恆星金屬度的降低，圍繞其運轉的系外行星數量同樣出現下降，然而科學家們同時也注意到這種下降的趨勢中，類地岩石行星的下降幅度要遠遠小於氣態巨行星。
當然，在行星形成過程中一些重元素的存在是必須的，然而問題就在於這一最低值究竟是多少仍然需要探討。喬納森表示：“我認為這裏存在一個下限值。”他說：“原因很簡單：低於這一金屬度閾值，將沒有足夠的重元素物質用來構建地球大小的行星。”
很顯然的一點是，在一個金屬度僅有太陽1/10甚至更低的環境中，要想形成任何行星體都將是困難重重的。然而每一個星系的演化歷程都各不相同，因此很難斷言我們的銀河系究竟是在多久之前跨越了這一閾值。不過我們確實知道這一時間一定很早，屬於早期宇宙範疇。因為很顯然的一點是，早期宇宙中恆星壽命很短，一代一代更新非常快，這也就讓重元素的快速積累成為可能。根據測量數據，在大爆炸後不到10億年，當時的恆星形成速率大約為每年4000個太陽質量，而在今天的銀河系，這一數值是每年大約10個太陽質量。
尼爾斯‧玻爾研究所的宇宙學教授約翰‧費恩博(Johan Fynbo)表示：“一顆典型的大質量恆星在大約100~120億年前發生爆發並釋放出重元素時，當時的這些恆星擁有的金屬度大約為今天太陽的1/10。”他說：“而一旦你擁有新一代的恆星，你就已經開始不斷地向宇宙中增加著重元素的含量。”因此“費米悖論”在這裏就會變得更加糟糕，更加詭異：看起來這些岩石行星正運行於遠比我們原先設想的要多得多的恆星周圍，運行於遠遠比我們設想更加久遠的年代之中，不管從時間還是空間範疇上去考慮，岩石行星的數量和存在的時間範圍都將大幅度地被延伸出去。
著名的費米悖論是由美籍意大利物理學家費米提出來的一項看似簡單的疑問：考慮到宇宙中如此數量眾多的恆星和行星，加上宇宙如此古老的年齡，如果宇宙中存在生命，為何它們到現在還沒有造訪我們？它們究竟在哪裡？而當你考慮德雷克方程第一項時，情況將會變得更加糟糕：這是一個計算宇宙中可能存在的智慧文明數量的估算方程式，其中的第一項指標是“恆星形成速率”。很顯然，在宇宙形成初期，這一速率是非常高的，相比現在，在100~130億年前的宇宙中恆星的新生速率要高得多，而當時宇宙中的第一批行星或許已經開始形成。
在今天的銀河系，恆星的形成速率約為每年10個太陽質量。而如果這一數值增加10倍或100倍，它將直接導致智慧文明可能存在的數量大幅增加。之前對於費米悖論的一項反駁意見是認為金屬度的積累需要時間，如此一來，太陽恰好成為首批達到這一閾值的恆星，而地球也就有幸成為首批擁有生命的行星體。然而現在這一論據已經被動搖，我們知道行星，或許還有生命，是可以在宇宙歷史中幾乎任意一個時間點上出現的，這樣的結果讓我們不得不再次發問：那麼其它的智慧生命在哪裡呢？如果生命果真在120~130億年前便已經出現，那麼這些智慧文明(如果它們能逃過被毀滅的命運的話)現在就應該已經比我們先進數十億年，這樣的文明社會估計已經不再會為一個小小的岩石星球所局限，它們或許已經可以從黑洞獲取能量，甚至已經生活在了“戴森球”中。所謂戴森球是美國物理學家弗里曼‧戴森假想出的包圍恆星的巨大球形結構，它可以捕獲大部分或者全部的恆星能量輸出用於自身使用，是一種只有極高級技術文明才能應用的獲得能源的可能方式。
然而在這個故事中間卻也出現了一些轉折。2010年，德國馬普天文研究所的研究人員發現一顆圍繞恆星運行的巨行星，這顆行星很獨特，它的金屬度非常低，因此它一定是在宇宙早期形成的。不僅如此，這顆編號為HIP 13044，距離地球2000光年之遙的恆星位於一條星流之中，這是一個存在於遠古時期，後來被銀河系吞噬的矮星繫留下的遺蹟。而在今年，同一個研究組又發現了兩顆氣態巨行星正圍繞一顆低金屬度恆星運行。這顆恆星編號為HIP 11952，根據其氫氦成分比例，其形成年代應為大約128億年之前，當時距離宇宙大爆炸僅有9億年。
目前，對於這些氣態巨行星為何可以在如此缺乏重元素的低金屬度恆星周圍形成，其原因尚不得而知，或許這暗示著一種新的氣態巨行星形成機制。從另一方面來看，這至少說明了在宇宙中的某些區域，氣態巨行星似乎可以在很早的時期便開始形成。
對於一些遙遠宇宙中的闇弱星系，它們發出的光芒太過闇弱，因而無法對其光譜進行測量，但是科學家們可以利用其中自然的背景光源，如高亮度的類星體來對這些星系進行探究。當使用這種手段對一個存在於120億年之前星系的化學成分進行研究時，一個包括費恩博在內的天文學家小組得到了一個相當令人驚訝的發現。費恩博表示：“我們對一個類星體的光進行觀察，這些光照亮了一個遙遠星系的背景，在那裡這些光被星系物質吸收。”他說：“這樣一來我們便可以查看這一星系形成的吸收光譜，我們看到了氧，硫，碳和所有在星系內部被合成的元素的吸收譜線。”
120億年之前的星系，其化學成分應當相當原始，然而在這個星系中情況卻似乎並非如此。費恩博和他的同事們將這一結果報告給了《皇家天文學會月報》，他們報告稱在這一星系中探測到了和太陽相等同水平的重元素豐度水平。實際上，在這一距離上出現這樣的重元素豐度本身並不令人驚訝，但是之前的發現都局限在類星體的核心位置，而在這一案例中，科學家們利用類星體的光穿過前景星系原始行星盤的契機，觀察這一行星盤的吸收線。最終觀察到具備太陽等同水平重元素豐度的區域距離星系核心至少有5.2萬光年，這已經位於該星系的邊緣位置。相比之下，即便是在今天，我們的銀河系最邊緣位置上的旋臂區域也還尚未達到如此程度的重元素豐度。那麼，在那麼古老的年代，這個星系究竟是怎麼會達到如此高的重元素豐度的？對於這一問題，目前最好的解釋是星爆現象──也就是速率極高的恆星新生過程，這種狂風驟雨般的過程在星系核心位置大量合成重元素並將其擴散至星系邊緣位置。這種擴散可能是通過強烈的星風或超新星爆發時的強烈衝擊波實現的。
另外，背景上的類星體光線由於這一前景星系中塵埃物質的作用呈現偏紅色。塵埃本身是構建行星的最主要組成成分，它們相互結合，擴大，形成最初的原始行星核。這些塵埃還是大規模撞擊作用的產物，這是所有年輕的原始行星都必須經受的一場嚴峻考驗，費恩博表示：“要想構建一顆行星，很顯然你需要金屬元素，現在看起來在遠離核心的星系邊緣位置，在很早的歷史時期便已經可以滿足這樣的條件，這一點讓我們很驚訝。”
然而這種高金屬度的情形也將滿足氣態巨行星的形成條件。儘管拉爾斯‧巴克哈爾在之前提到過這些氣態巨行星給宜居行星帶來的威脅，然而這種威脅也並不是絕對的，像我們太陽系這樣氣態行星和衍生行星共存的情況應當並非唯一的特例。
他說：“在開普勒-20行星系統中擁有5顆行星。其中有3顆是土星大小的氣態行星，另外兩顆是岩石質的類地行星，它們相互之間的排列順序是大-小-大-小這樣間隔排列。如果那些土星大小的行星發生了遷徙，那麼這些較小的行星是如何會排列到它們中間的？有一件事是清楚的，在宇宙大爆炸之後不久，產生類地行星的條件便已經成熟，這就讓遠比我們古老的生命在宇宙早期出現的可能性大增。或許它們生活在壽命漫長的紅矮星周圍，或者在它們的“太陽”熄滅之後已經在此踏上旅途尋找下一個家鄉。也或許，我們真的是宇宙中第一批智慧生命，這也就意味著到目前為止在整個宇宙歷史中生命僅僅還是第一次出現。那麼我們的存在真的是一個奇蹟，而我們所在的行星，也將因此變得非常非常與眾不同。(晨風)
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