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1、 现代现代(xindi)天文学天文学第十五讲第十五讲 地外文明和生命的探索地外文明和生命的探索(tn su)(tn su)北京大学北京大学 天文系天文系 吴鑫基吴鑫基第一页，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一，寻找太阳系内的生命二，地外生命存在二，地外生命存在(cnzi)(cnzi)可能性的探讨可能性的探讨三、飞碟之谜三、
2、飞碟之谜四，搜寻地外智慧生命（四，搜寻地外智慧生命（SETISETI）五、寻找太阳系外的行星系统五、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，寻找一，寻找(xnzho)(xnzho)太阳系内的生命太阳系内的生命 1 1，人类的家园，人类的家园(jiyun)(jiyun)地球地球第四页，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，
3、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，提供了充足的水。第六页，共五十五页。2 2，地球，地球(dqi)(dqi)生命生命大约(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；生命的孕育需要条件，非常苛刻的条件；需要时间
4、，非常长的时间！需要时间，非常长的时间！第七页，共五十五页。地球型生命地球型生命(shngmng)存在的存在的5个条件个条件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
5、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、碳氢化合物。3 3，地球上的生命来自彗星，地球上的生命来自彗星(huxng)(huxng)和陨石吗？和陨石吗？第十页，共五十五页。火星火星(huxng)陨石陨石目前，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
6、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某种微生物的形态(xngti)结构。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
7、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 4，寻找，寻找(xnzho)(xnzho)太阳系内的生命太阳系内的生命第十四页，共五十五页。金星金星温度高达摄氏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。火星火星上没有肉眼可见的动植物，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
8、星木星、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在太阳系行星及卫星(wixng)(wixng)上寻找水和大气上寻找水和大气第十六页，共五十五页。“惠更斯惠更斯”探土卫六探土卫六 “惠更斯”探测器于2005年1月14日到达泰坦的表面。发回第
9、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；非常类似于非常类似于4646亿亿 年前的早期地球。年前的早期地球。第十七页，共五十五页。5 5，在地球上寻找，在地球上寻找(xnzho)(xnzho)极端恶劣环境下的生物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
10、。第十八页，共五十五页。细菌和微生物能承受恶劣细菌和微生物能承受恶劣(li)环境环境格陵兰冰川下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。地球地球(dqi)细菌在月球上存活细菌在月球上存活 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
11、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”仍然存活。在太阳系的一些行星和卫星上能否在太阳系的一些行星和卫星上能否 找到微生物？找到微生物？第二十页，共五十五页。南极洲冰原南极洲冰原(bn yun)(bn yun)深处发现虾状生物深处发现虾状生物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
12、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，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 6，生命的多种可能，生命的多种可能(knng)(knng)形式形式 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（
13、沙粒）。硅基生命硅基生命(shngmng)(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。氨基氨基(nj)(nj)生命生命 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(
14、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。硫基生命硫基生命(shngmng)(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，地外生命二，地外生命(shngmng)存在可能性的探讨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
15、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 2、“类地行星类地行星”的估计的估计 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
16、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
17、(knng)没有地外的文明社会，如某系数为零。3 3，文明，文明(wnmng)(wnmng)社会的计算公式（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、飞碟三、飞碟(fi di)之谜之谜第三十一页，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
18、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 11 1，我国关于，我国关于，我国关于，我国关于(guny)(guny)(guny)(guny)“飞碟飞碟飞碟飞碟”的报道的报道的报道的报道第三十二页，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
19、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年才能到达。天文学家探测过近处的恒星（100PC）没有发现那里有文明社会存在。有人说看见了乘飞碟来地球的外星人，但总是回避和人类见面，不可信的。能坐飞船到地球，其科技水平远远超过我们，还怕与人类交流？2，飞碟是外星人乘坐，飞碟是外星人乘坐(chn zu)的飞船吗？的飞船吗？第三十四页，共五十五页。四，搜寻地外智慧四，搜寻地外智慧(zhhu)(zhhu)生命（生命（SETISETI）国际宇航科学院成立了“
20、搜寻地外智慧生命”的专门的委员会，把搜寻地外智 慧生命有关的各种活动纳入了科 学的轨道。简称SETI。1959先驱性的论文：德雷克提 出在1420兆赫附近搜寻地外文明 的建议，得到(d do)了强烈的反映。成 为SETI科学的第一块里程碑。第三十五页，共五十五页。射电望远镜的发展已具备接收来自宇宙空间微弱的电波信号，装备电波发射设备后，将成为有很强的空间通讯设备。美国阿雷西博的305米口径射电望远镜已被应用到宇宙通讯。进行宇宙通讯必需选择理想的频率窗口。选用的频率是能穿过地球(dqi)的电离层，也能穿过地外文明所居住的星球的大气层。1 1、宇宙、宇宙(yzhu)(yzhu)通讯通讯第三十六页，
21、共五十五页。在1400兆赫频率附近，天空背景噪音很小，只有50oK，而在300兆赫附近，背景噪音则高达300oK。1400兆赫附近的21厘米和18厘米波长成为进行宇宙星际通讯理想的频率窗口(chungku)。21厘米是中性氢谱线(H)，18厘米是氢氧基谱线(OH)。所以这个频率范围称为“水洞”。最佳最佳(zu ji)的通讯频段：水洞的通讯频段：水洞第三十七页，共五十五页。把无线电能量集中在一个很小的束中发射出，可使发射功率提高一百万倍以上。1960年奥兹玛计划是第一次有计划地搜寻地外文明。使用美国国立射电天文台25米射电望远镜，在21厘米波段，对两颗最可能存在智能生物的波江座星和鲸鱼座星 作了
22、监测，累计达200小时，没有(mi yu)检测到外星人发来的信号。2 2，奥兹玛计划，奥兹玛计划(jhu)(jhu)第三十八页，共五十五页。第二期奥兹玛计划第二期奥兹玛计划 改用两台口径较大的射电望远镜，仍在21厘米波段上，对660颗离我们较近的类太阳恒星进行监测，也没有得到结果。“高分辨率微波(wib)巡视”计划 改用阿雷西博305米的射电望远镜，对100光年以内的800-1000颗类太阳恒星进行监测，结果还是一无所获。第三十九页，共五十五页。“赛克洛普斯星际通讯相位阵赛克洛普斯星际通讯相位阵”示意图示意图 没有获得经费支持没有获得经费支持(zhch)(zhch)，未能实现，未能实现第四十页
23、，共五十五页。目前，载入星际航行不可能。恒星遥远(yoyun)、生命有限和飞船的速度和燃料限制等；不载人飞船可以离开太阳系，20世纪70年代美国在“先驱者”10号、11号探测器携带一封向宇宙人致意的信件。信写在铝板上，几亿年也不会变形和变质。“旅行者”1号和2号带着可以播放两个小时的关于“地球之音”的唱片。唱片是用喷金的铜制成的，经久不坏。3 3，拜访地外文明，拜访地外文明(wnmng)(wnmng)社社会会第四十一页，共五十五页。美国总统卡特签署的电文写道：“这是一个来自遥远的小小星球的礼物。它是我们的声音(shngyn)、科学、形象、音乐、思想和感情的缩影。我们正在努力使我们的时代幸存下来
24、，使你们能了解我们的生活情况。联合国秘书长瓦尔德海姆代表全世界人民向外星人致意。“先驱者”和“旅行者”所携带的地球文明信息是丰富多彩的。美国美国(mi u)总统和联合国秘书长的问候总统和联合国秘书长的问候第四十二页，共五十五页。1974年，用阿雷西博射电望远镜向武仙座M13球状星团发射信息。这份电报是要告诉“武仙座”的智能生物，关于太阳系，氢、碳、氮、氧、磷五种重要元素，人类生命、人体形状和高度、地球上的人口等。电报以光速传播，达到目的地要2.4万年(wnnin)，如果真的收到后立即给我们回电，地球人要在4.8万年以后才能收到。4 4，向武仙座，向武仙座M13M13球状星团球状星团(xngtu
25、n)(xngtun)发射信息发射信息第四十三页，共五十五页。“先驱者先驱者”号飞船号飞船(fi chun)(fi chun)携带的表征人类文明的图形携带的表征人类文明的图形第四十四页，共五十五页。银河系中，有多少像我们太阳系差不多的恒星行星系统？有多少具有像地球一样条件的行星？这成为寻找地外文明的关键所在。寻找银河系中的行星系统主要有两个方法：直接获得(hud)恒星和它的行星的图象，很困难，但必须用特大光学望远镜；间接的方法，检测出行星系统对恒星的影响。五、寻找太阳系外的行星五、寻找太阳系外的行星(xngxng)系统系统第四十五页，共五十五页。太阳系外的行星距离遥远，又处在光芒四射的恒星附近，
26、要想直接观测到它们是非常困难。通常是通过间接的方法推断太阳系外行星的存在，即检测行星对中心恒星所产生的影响来判断行星的存在。细心地观测和调查了太阳系周围17光年(gungnin)以内的49颗恒星的情况，其中单星35颗。没有发现这些恒星的行星系统。1 1，太阳系附近，太阳系附近(fjn)(fjn)的搜索的搜索第四十六页，共五十五页。1882年对毫秒脉冲星的观测发现毫秒脉冲星PSR1257+12的两个行星的系统。后来(huli)确认，是3颗行星，成为人类最先发现的太阳系外行星系统。2 2，脉冲星观测，脉冲星观测(gunc)(gunc)捷足先登捷足先登第四十七页，共五十五页。行星A离脉冲星最近(zu
27、jn)，平均距离为0.19天文单位，质量约为月球的两倍，公转周期为25.262天。行星B的平均距离为0.36天文单位，质量为地球的4.3倍，公转周期为66.5419天。行星C的平均距离为0.46 AU，质量为地球3.9倍，其公转周期为98.2114天。第四十八页，共五十五页。天文学家用“海尔”、“里克”光学望远镜、哈勃空间望远镜来寻找太阳系外的行星系统，已发现350多行星系统。最现发现类太阳(tiyng)恒星飞马座51星的行星系统，行星的质量是木星质量的一半，轨道周期约为4天，运行轨道我们太阳系中的水星离太阳还近。表面温度高达上千度，很难有生命存在。3 3、光学、光学(gungxu)(gung
28、xu)望远镜搜索发现望远镜搜索发现350350例例第四十九页，共五十五页。4，直接拍摄，直接拍摄(pish)系外行星的图像系外行星的图像由于行星只是反射其母星的光，其体积(tj)远比母星小，在可见光波段行星比它的母星要暗100亿倍。直接拍摄行星图像很困难。有些年青行星的红外辐射比较强，它们与母星的红外辐射强度之比就不像可见光波段那么悬殊。这意味着应用大型红外望远镜有可能直接拍摄到系外行星的图像。第五十页，共五十五页。凯克望远镜、北双子座望远镜凯克望远镜、北双子座望远镜和哈勃望远镜拍摄和哈勃望远镜拍摄(pish)(pish)到系外行星到系外行星2008年，在红外波段拍摄到3颗系外行星的图像。它们
29、绕一颗距离地球(dqi)约130光年的恒星HR8799运行。质量分别为木星的7、10和10倍，轨道周期分别为460年、190年和100年。几乎同期，哈勃空间望远镜在可见光波段拍到了系外行星北落师门星b。北落师门星距地球约25光年。行星质量约为木星的3倍，轨道周期为872年。第五十一页，共五十五页。5，展望未来，展望未来万里长征的第一步。进一步探索(tn su)重点是搜寻“适宜居住的行星”和“有生命存在息的行星”。这需要在观测上有一个革命性的转变。美国宇航局正在筹备建造类地行星搜索器（TPF）。它将是由四台光学望远镜组成的干涉仪系统，基线长度至少是1千米。在空间运行中将保持四台望远镜不变的队形。
30、分辨率空前高。第五十二页，共五十五页。干涉仪系统将把行星的母星的光线去掉，对行星进行红外和可见光波段的光谱观测。可发现行星大气的化学成分，获得某些(mu xi)生命迹象。如可能发现二氧化碳、臭氧和水的谱线，可以探测行星上存在大气层，氧化海洋。谱线的形状可以显示行星大气的温度，以及这个温度是否适合液态水的存在。第五十三页，共五十五页。思考思考(sko)和复习题和复习题1，为什么太阳系中只有地球上生机勃勃？2，人类已经有哪些搜索“地外文明”的活动？有无意义？3，如何看待(kndi)UFO现象？4，试叙述搜寻太阳系外行星系统的方法。第五十四页，共五十五页。内容(nirng)总结现代天文学。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。的原始微生物的化石。带来彗星上的有机物，比现在(xinzi)地球上的所有的。几千米的海洋深处、几万米的高空。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”仍然存活。细胞的蛋白质和DNA的最基本的元素。文明社会也是有寿命的，最长的也会随恒星的。的两个行星的系统第五十五页，共五十五页。