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宇宙射线可能影响外星生命演化

示意图:宇宙射线暴露下对生物体DNA造成的伤害
示意图:宇宙射线暴露下对生物体DNA造成的伤害
示意图:近距离γ射线爆发对地球的影响。由于高能射线的轰击,地球大气中出现了一层厚厚的二氧化氮气体层
  示意图:近距离γ射线爆发对地球的影响。由于高能射线的轰击,地球大气中出现了一层厚厚的二氧化氮气体层
 

 据物理学家组织网站报道,宇宙射线不断轰击地球,而一项最新研究则认为这种看不见摸不着的高能粒子流可能在决定其它行星上是否存在生命方面起着关键性的作用。

  在其被发现100多年之后,宇宙射线仍然困扰着科学家们。这种高能粒子流几乎以光速在宇宙空间中传播,其中一些粒子携带的能量比地球上最强大加速器达成的粒子能量还要高1亿倍。宇宙射线是核子流,其中的主要成分是质子,也就是氢核。

  当宇宙射线轰击地球大气层,它们会产生一系列的次级粒子流,其中包括μ子,这是一种与电子相似但质量要大得多的亚原子粒子。这其中的部分粒子流会抵达地面,对地面上和海洋中的生命产生危害。事实上μ子甚至可以穿透数十米后的地表岩土层。

  科学家们对宇宙射线可能对遥远的系外行星宜居性造成的影响开展研究。在过去20年间,科学家们使用地面和空间望远镜设备发现了上百颗系外行星,这唤起了人们的希望,人们认为在那些系外行星中或许存在着某种形式的外星生命。研究人员的兴趣尤其集中在那些位于所谓“宜居带”区域内的系外行星,在这些区域,行星距离恒星的远近适当,从而允许水以液态形式存在于其地表。在地球上,液态水孕育了丰富的生命形式。

  研究人员认为,一颗行星遭受的辐射水平将影响其宜居性。尽管一颗行星经受的外部辐射通量中,来自它的“太阳”的通量要远高于来自星系的宇宙射线,但后者的粒子能量要远远高于太阳辐射中的光子和质子流能量,从而使其具有不可忽视的影响。

  这项研究的作者迪米特里·艾特利(Dimitra Atri)是一名来自“蓝色大理石空间科学研究所”的天体物理学家,这是一家由来自世界各地的科学家们组成的非盈利研究机构。研究人员对可能影响行星接受到辐射剂量的两个重要因素进行了关注,包括其磁场的强度,以及大气层的厚度。

  艾特利表示:“当我在对火星和地球开展研究时便开始思考这个问题。这两颗行星是近邻,但地球上拥有繁盛的生物圈,火星却是一片荒芜。这是为什么?”他说:“主要的原因就在于,相比地球,火星的环境辐射通量很高。这是因为火星的大气层相比地球几乎可以忽略不计,以地球的标准来看,它非常非常稀薄。另外火星也没有全球性的磁场,因此它便相应的缺乏地球那样面对宇宙射线的保护层。因此我认为正是这样的差异导致了两颗原本相似的行星完全迥异的命运。”

  研究人员模拟了不同的行星情景,从完全缺乏磁场的行星,到像拥有地球那样强磁场的行星;从拥有非常稀薄大气层的行星,到拥有像地球那样浓密大气层的行星。艾特利表示:“我们知道地球的磁场保护着我们免受宇宙射线的伤害,我们也认为宇宙射线是对地面环境辐射通量造成显著影响的因素。”

  然而出乎意料的是,艾特利表示:“我们发现行星的大气层厚度才是对行星地表辐射通量具有更重要作用的因素。”他说:“如果以地球为例,你将地球的磁场完全去除,那么我们暴露于环境中的辐射通量将上升两倍,这是非常大的增加,但尽管如此,这样也不会对我们的生存构成严重的威胁。然而,如果你保留磁场,但将地球的大气层浓度降低10倍,那么我们接受到的辐射通量将会上升两个数量级。”

  科学家们现在倾向于认为那些围绕红矮星运行的系外行星是搜寻外星生命的理想地点,因为这类恒星相对暗弱,它们的数量是宇宙中最多的,大约占到宇宙中全部恒星数量的80%左右。然而统计学研究显示在相对接近红矮星的宜居带中的系外行星似乎更倾向于拥有较弱的磁场,这一倾向在一类被称作“超级地球”的系外行星中显得尤其明显。所谓“超级地球”是指那些质量在10倍地球质量以下的岩石质行星。天体生物学家们认为这些行星较弱的磁场可能会导致其不适宜生命生存,然而此次的这项发现表明,较弱的磁场可能并不会构成大的问题。

  艾特利表示,未来的进一步研究将考察增长的辐射通量将如何影响生命的演化进程。他说:“现有针对辐射剂量对生物体作用的研究主要做法是使用很高的辐射剂量来考察生物体在这样的环境下将受到怎样的伤害,是否会死亡。但我认为系统考察在逐渐升高的辐射剂量环境下生物体的反应将能更好地为研究宇宙射线对宜居环境的影响提供参考。”

  艾特利和他的同事们已经在10月份出版的《天体生物学》杂志上详细介绍了他们的发现。

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