问伊森:生命在宇宙中出现的速度有多快?


在整个银河系中,有机分子存在于恒星形成区域,恒星残留物中以及星际气体中。 原则上,岩石行星的成分及其上的生命可能足够快地出现在我们的宇宙中,并且早于地球出现

从宇宙大爆炸到充满星团,星系,恒星,行星和生命的巨大空间,关于宇宙如何成为今天我们所看到的故事,将我们所有人团结在一起。 从地球上的居民的角度来看,在太阳和地球出现之前已经过去了2/3的空间历史。 但是,只要我们能够使用测量结果回顾过去,甚至在44亿年前,生命就出现在我们的世界上。 这使我们感到疑惑:生命没有出现在我们星球之前的宇宙中吗?从原理上讲,生命可以出现多久? 我们的读者想知道这一点:
大爆炸之后多久可以积累足够的重元素来形成行星,甚至可能形成生命?

即使我们将自己局限于我们认为“与我们相似”的生活类型,但对这个问题的答案将使我们比您想象的更远。


锆石中发现的石墨沉积物是地球上基于碳的生命的最古老证据。 这些沉积物和其中的12碳含量可追溯到40亿年前地球上生命的出现。

当然,我们不能进入宇宙的最开始。 大爆炸之后,不仅有恒星或星系,甚至没有原子。 一切都需要时间来出现,而宇宙在诞生之后就充满了物质,反物质和辐射,并以一种相当统一的状态存在。 最密集的区域比平均密度高百分之几-可能仅为0.003%。 这意味着,重力坍缩的工作需要花费大量时间才能产生,例如,密度比宇宙平均密度高10-30倍的行星。 然而,宇宙有足够多的时间出现在这一切上。


宇宙历史的标准时间表。 尽管地球在大爆炸发生仅92亿年后出现,但创造像我们这样的世界所需的许多步骤却是在很早的时候发生的

在第一秒之后,反物质大部分消失,中子和光子海中几乎没有质子,中子和电子。 3-4分钟后,质子和中子形成中性原子核,但几乎所有原子核都是氢和氦的同位素。 而且只有当宇宙冷却到一定温度(耗时38万年)时,电子才可以首次加入这些原子核并形成中性原子。 即使有了这些基本要素,到目前为止,生命-甚至岩石行星-都是不可能的。 氢和氦原子本身是必不可少的。


随着宇宙的冷却,原子核出现,并且在它们之后,随着进一步的冷却,出现中性原子。 但是,几乎所有这些原子都是氢和氦,只有在数百万年前,恒星才开始形成,其中出现了重质元素,这是出现岩石行星和生命所必需的

但是引力坍塌是一个现实,拥有足够的时间,它将改变宇宙的外观。 尽管起初需要很长时间,但它会不懈地持续发展并获得发展势头。 宇宙区域变得越密集,就越能吸引越来越多的物质。 从最高密度开始的站点增长得比其他站点快,我们的模拟表明,第一颗恒星应该在大爆炸之后约50-100年形成。 这些恒星本应仅由氢和氦组成,并且可以增长到非常大的质量:成百上千个太阳。 当一颗如此巨大的恒星形成时,它将在一两百万年后死亡。


但是,在这样的恒星死亡之时,发生了令人惊奇的事情-这一切都要归功于它们的生命。 所有的恒星都由核心中的氢合成氦,但是最大的恒星不仅从氦中合成碳,它们还转换成由碳合成氧,氖/镁/硅/硫由氧合成,并且它沿着元素周期表越来越远直到它们达到铁,镍和钴为止。 之后,无处可去,核心坍塌,引发了超新星爆炸。 这些爆炸将大量重元素注入到宇宙中,从而产生了新一代恒星,并丰富了星际空间。 突然,重元素,包括出现岩石行星和有机分子所需的成分,填充了这些原星系。


原子在行星上和星际空间中结合形成分子,包括有机分子和生物过程。 一旦必要的重元素在宇宙中可用,这些“生命种子”的形成就不可避免了

存活,燃烧和死亡的恒星越多,下一代恒星将越丰富。 许多超新星产生中子星,并且在中子星的聚变中,出现了数量最多的元素周期表中最重的元素。 重元素比例的增加意味着密度更高的岩石行星数量,已知生命所需的元素数量以及复杂有机分子出现的可能性增加。 我们不需要宇宙的一般恒星系统就可以像太阳系那样。 我们只需要几代恒星就可以在最稠密的空间中生存和死亡,以便再现适合出现岩石行星和有机分子的条件。


在超新星RCW 103残余物的中心是一颗缓慢旋转的中子星,该星原为大质量恒星,寿命终止。 尽管超新星能够将核中合成的重元素发送回宇宙,但随后的中子星融合产生了大部分最重的元素。

到宇宙只有十亿年的时候,最遥远的物体(可以测量的大量重元素)已经含有大量的碳 :与我们太阳系中的碳一样多。 足够多的其他重元素的键入速度甚至更快; 碳可能需要更多时间才能达到高浓度,因为它主要出现在不会转变为超新星的恒星中,而不是出现在爆炸的超大质量恒星中。 岩石行星不需要碳。 其他沉重的因素将下降。 ( 许多超新星产生磷 ;人们不必相信最近的报道错误地夸大了其赤字)。 可能在第一批恒星点燃几亿年后-到宇宙诞生300到5亿年之时-岩石行星已经围绕最丰富的恒星形成。


围绕一颗年轻恒星HL Taurus的原行星盘; 图片ALMA 磁盘上的间隙表明存在新的行星。 一旦磁盘上有足够重的元素,岩石中可能会出现岩石。

如果碳对于生命来说不是必需的,那么在太空的某些区域,生命过程可能同时开始。 但是对于与我们类似的生活,则需要碳,这意味着要有很大的机会出现生命,您必须等待更长的时间。 尽管会遇到碳原子,但要积累足够的碳原子将需要1-15亿年:直到宇宙达到其当前年龄的10%,而不仅仅是达到3-4%时,这只是岩石出现所必需的行星。 有趣的是,除了碳以外,宇宙以合适的数量构成了行星和所有必要成分以维持生命的外观,并且为了产生足够数量的生命中最重要的成分,您需要等到最庞大的太阳般恒星存活并死亡。


超新星残留物(左)和行星状星云(右)-这两种方法都允许恒星将燃烧的重元素返回到星际空间,并将其用于下一代恒星和行星的出现。 太阳般的恒星在其死亡后仍然是行星状星云,是宇宙中碳的主要来源。 产生它需要更长的时间,因为恒星比死于超新星形式的恒星寿命更长,恒星在恒星死亡后会出现行星状星云。

推断过去不同时代出现的地球上最先进的生命形式是一项有趣的练习。 事实证明,增加基因组的复杂性遵循一定趋势。 如果我们返回成对的碱基 ,我们得到的时期比12-13亿年前更接近9-100亿年。 这是否表明地球上存在的生命比地球本身早得多? 这是否表明生命可能已经开始了数十亿年,而在我们的太空中,还需要数十亿年才能开始?


在此半对数图中,通过功能性非冗余DNA相对于基因组的长度(从核苷酸的配对碱基计数)来衡量,生物的复杂性随时间呈线性增加。 从当前时刻开始,时间可以追溯到数十亿年。

目前,我们还不知道这一点。 但是我们不知道生命与生命之间的界线在哪里。 我们也不知道地球生命是从这里开始的,是在先前形成的行星上,还是在星际空间深处的某个地方,根本没有任何行星


默奇森陨石中发现了许多自然界中未发现的氨基酸,该陨石于1969年在澳大利亚落入地球。 简单的宇宙石中有80多种独特的氨基酸这一事实表明,生命的成分,甚至生命本身根本没有出现在地球上。

有趣的是,生命所必需的原始基本成分是在第一颗恒星形成后不久出现的,最重要的成分-碳,宇宙中第四大含量的元素-是达到我们所需数量的最新成分。 在某些地方,岩石行星的出现比生命的出现要早得多:在大爆炸发生后仅五亿年,甚至更早。 但是,在大爆炸发生1到15亿年之后,一旦我们有了足够的碳,有机分子出现和开始走向生活的所有必要步骤就变得不可避免。 不管是什么导致人类兴起的生命过程,据我们了解,当宇宙比现在小十倍时,他们就可以开始自己的旅程。

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN414023/


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