科學也可以如此靠近

外星生命是否已經超越地球2.0?

6月
15
2019

2019年6月15日20時 老胡說科學

老胡說科學

藝術家對一顆可能適合居住的系外行星的描繪。但是我們可能不需要找到一個類似地球的世界來尋找生命;圍繞著不同恆星的不同行星可能會在很多方面給我們帶來驚喜。無論如何,都需要更多的信息。

當我們想到宇宙中遠在地球之外的生命時,我們不禁把我們自己的星球當作嚮導。地球有許多我們認為極其重要的特徵,甚至是必不可少的特徵,這些特徵使生命得以產生和繁榮。幾代人以來,人類一直夢想著地球之外的生命,努力尋找另一個與我們相似但有著獨特成功故事的世界:我們自己的地球2.0。

但是,僅僅因為生命在地球上取得了成功,並不一定意味著生命在類似地球的世界上也可能取得成功,只是這是可能的。同樣,僅僅因為沒有在非類地行星上發現生命並不意味著不可能。事實上,很有可能銀河系中最常見的生命形式與地球上的生命形式非常不同,而且更頻繁地出現在與我們不同的世界上。唯一知道的方法是觀察,這就需要尋找可能導致我們重新思考我們在宇宙中的位置的觀測信號。

藝術家對系外行星開普勒-186f的構想,這顆行星可能具有類地(或早期無生命類地)特徵。儘管像這樣的插圖能夠激發想像力,但它們僅僅是猜測,而傳入的數據根本不會提供任何類似的視圖。開普勒186f和許多已知的類地行星一樣,並不是圍繞著一顆類似太陽的恆星運行,但這並不一定意味著這個星球上的生命不受歡迎。

我們擁有合適的輕元素和重元素的組合,從而擁有一顆岩石行星,它的大氣層很薄,但卻很堅固,並且含有生命的原始成分。我們圍繞著一顆恆星運行,它與我們表面液態水的距離合適,我們的行星同時擁有海洋和大陸。我們的太陽足夠長(質量也足夠低),生命可以進化成複雜的、有區別的、甚至可能是智能的,但質量足夠高的太陽耀斑不會多到足以把我們的大氣層拉走。

我們的行星繞軸自轉,但沒有潮汐鎖定,所以我們全年都有白天和黑夜。我們有一個大月亮來穩定我們的軸向傾斜。我們有一個大的世界(木星)在我們的霜凍線外,以保護內部行星免受災難性的打擊。當我們用這些術語來思考這個問題時,尋找一個像地球一樣的世界——眾所周知的「地球2.0」——似乎是一個無需動腦筋的決定。

太陽系外行星開普勒-452b (R)與地球(L)相比,可能是地球2.0的候選行星。觀察與地球相似的世界是一個引人注目的起點,但它可能不是在銀河系或整個宇宙中發現生命的最有可能的地方。

有很多理由相信,尋找一個儘可能像地球一樣的世界,圍繞一顆儘可能像太陽一樣的恆星,可能是在宇宙其他地方尋找生命的最佳地點。我們知道,由於我們在過去30年對系外行星的研究取得了巨大進展,很可能有數十億個太陽系至少在某種程度上具有與地球和太陽類似的性質。

由於生命不僅在地球上出現,而且變得複雜、分化、智能和技術先進,所以選擇與地球相似的世界來尋找銀河系中有人居住的世界是有意義的。當然,如果它是在我們所處的條件下在這裡出現的,那麼在其他地方,在類似的條件下,生命一定有可能再次出現。

開普勒系外行星已知存在於其恆星的宜居帶。被歸類為「超級地球」的行星是類地行星還是類海王星行星是一個懸而未決的問題,但對於一個圍繞類太陽恆星公轉的行星,或者是為了讓生命有可能出現在這個所謂的「宜居帶」里的行星來說,可能都不重要。

實際上,在系外行星或天體生物學領域,沒有人認為尋找類似於眾所周知的「地球2.0」的世界是個壞主意。但是,把我們絕大多數的資源投入到尋找和調查那些與我們自己的、生命豐富的星球有類似之處的星球上,這是最明智的做法嗎?我有機會坐下來和科學家Adrian Lenardic一起錄製播客,他完全不同意這個觀點。

如果說科學教會了我們什麼的話,那就是我們不應該在做關鍵實驗或進行關鍵觀察之前就假定自己知道答案。是的,我們必須找到證據,但我們也必須找到我們認為生命不太可能出現、繁榮或以其他方式維持自身的地方。宇宙充滿了驚喜,如果我們不給自己機會讓宇宙給我們驚喜,我們就會得出有偏見的——因此,根本不科學的——結論。

在海底深處,在沒有陽光照射的熱液噴口周圍,生命依然在地球上茁壯成長。如何從非生命體中創造生命是當今科學界懸而未決的重大問題之一,但如果生命可以在這裡存在,也許在木衛二或土衛二的海底,那麼生命也存在。將有更多更好的數據,最有可能由專家收集和分析,最終確定這個謎題的科學答案。

我們對生命如何運作的先入之見以前是錯誤的,因為我們認為是必要的限制,結果卻被大量地繞過了,而且可能很容易,也很頻繁。

例如,我們曾經認為生命需要陽光。但是,在海平面以下數英里處的熱液噴口附近發現的生命告訴我們,即使在絕對沒有陽光的情況下,生命也能找到出路。

我們曾經認為生命不能在含砷豐富的環境中生存,因為砷是一種已知的生物系統毒素。然而,最近的發現不僅表明,在砷含量豐富的地方可能存在生命,而且砷甚至可以用於生物過程。

也許最令人驚訝的是,我們認為複雜的生命不可能在惡劣的太空環境中生存。但緩步動物證明我們錯了,它在太空真空中進入了假死狀態,並在返回地球時成功地補水。

緩步行走動物(緩步行走動物,或「水熊」)處於活動狀態的掃描電鏡圖像。緩步動物長期暴露在真空環境中,回到液態水環境後恢復正常的生物活動。

它會讓你思考外面可能還有什麼。在木星的衛星歐羅巴、土星的衛星恩克拉多斯、海王星的衛星特里同,甚至寒冷遙遠的冥王星的地下海洋中,是否存在生命?所有這些行星都圍繞著巨大的行星運行(冥王星的Charon計算在內),這些行星對行星內部施加潮汐力,提供熱量和能量,即使在沒有陽光可以穿透的環境中也是如此。

在沒有足夠的大氣層來容納液態水的岩石世界裡,仍然有可能存在地下海洋。例如,火星表面下可能有大量的液態地下水,為生命的存在提供了可能的環境。即使是像金星這樣完全不適合居住的環境也可能有生命,因為在雲頂上方約60公里的區域,溫度和氣壓與地球相似。

NASA的假設浩劫(高空金星運行概念)任務可以在我們最近的行星鄰居的雲層中尋找生命。儘管金星表面的環境並不友好,但云層上方的區域與我們在地球表面發現的環境有著相似的pH值、溫度和大氣壓。

當然,我們可能會看看宇宙中最常見的恆星類別——紅矮星(m類),它占所有恆星的75% -80%——然後得出各種各樣的理由,說明為什麼那裡不可能存在生命。以下是一些:

M級恆星將潮汐鎖定任何地球大小(岩石)行星,只要液態水能夠在非常短的時間尺度(~ 100萬年或更短)內形成。

M級恆星的耀斑無處不在,很容易在短時間內剝離出類似地球的大氣層。

這些恆星發出的x射線太大、數量太多,足以使我們所知的生命無法生存。

而缺乏高能量的光(紫外線和黃/綠/藍/紫)將使光合作用成為不可能,阻止原始生命的存在。

紅矮星系統中所有的內行星都將被潮汐鎖定,一邊總是面對恆星,另一邊總是背對恆星,在白天和黑夜之間有一個類似地球的宜居圈。但是,儘管這些世界與我們自己的世界如此不同,我們不得不提出一個最大的問題:它們中的一個是否還有可能適合人類居住?

如果這些你不贊成的理由是生活在宇宙中最常見的類恆星,這些恆星,大約有6%的被認為包含地球般大小的行星在一個我們叫做「可居住帶」(在適當的距離世界類似地球的條件對其表面液態水),你將不得不重新考慮你的假設。

潮汐鎖定可能並不一定像我們想像的那麼糟糕,因為磁場和帶有大風的大氣仍然可以提供能量輸入的變化。一顆不斷產生新的大氣粒子的行星(如金星)有可能在太陽風/耀斑剝離事件中倖存下來。在x射線事件中,生物體可以潛到更深的地方,保護自己免受輻射。光合作用,就像地球上所有的生命過程一樣,僅僅是基於20種胺基酸的使用,但是已知宇宙中還有60多種胺基酸是自然產生的。

在20世紀墜落在澳大利亞的默奇森隕石中發現了許多自然界中沒有的胺基酸。80多種獨特的胺基酸存在於一塊普通的古老太空岩石中,這一事實可能表明,生命的成分,甚至生命本身,可能在宇宙的其他地方以不同的方式形成,甚至可能在一個根本沒有母星的行星上。

儘管我們有充分的理由相信,在與地球非常相似的星球上,生命可能是無處不在的——或者至少有機會存在——但也很有可能,在與我們不同的星球上,生命可能更為豐富。

也許環繞大行星運行的外行星(具有巨大的潮汐力)比地球這樣的星球更有利於生命起源。

也許地球上的液態水本身並不是生命存在的必要條件,因為也許合適的細胞壁或細胞膜能夠使水以水的狀態存在。

也許放射性同位素衰變、地熱能、甚至化學能源可以為生命提供它所需要的外部來源;也許流浪行星——完全沒有母星——可能是外星生命的家園。

當一顆行星在它的母星前面凌日時,部分光不僅會被阻擋,如果有大氣層存在,光還會通過大氣層過濾,形成吸收線或發射線,這是一個足夠精密的天文台能夠探測到的。如果有有機分子或者大量的氧分子,我們也能找到。重要的是,我們不僅要考慮我們所知道的生命的特徵,還要考慮我們在地球上找不到的可能的生命。

也許甚至超級地球,可以說比地球大小的世界還要多,在合適的環境下也有可能適合人類居住。這個想法的奇妙之處在於,它是可以測試的,就像圍繞著一顆類太陽恆星的類地世界一樣容易。要研究一顆行星是否有生命跡象,我們可以用許多不同的方法來解決這個難題。我們可以:

等待行星凌日,嘗試對吸收的光進行光譜分析,探測外大氣層的內容,

我們可以嘗試通過直接成像來解決世界本身的問題,尋找季節變化和跡象,比如世界的周期性綠化,

或者我們可以尋找核、中微子或技術信號,這些信號可能表明存在著一顆被其居民操縱的行星,無論他們是否聰明。

這個藝術家的印象顯示TRAPPIST-1和它的行星反射在一個表面。在每個世界上,水的潛力也由周圍的霜、水池和蒸汽所代表。然而,目前還不清楚這些星球中是否還有大氣層,或者它們是否被它們的母星吹走了。然而,有一件事是肯定的:除非我們親自深入研究它們的性質,否則我們不會知道它們是否有人居住。

這可能是宇宙中生命稀少的情況,在這種情況下,我們需要觀察大量的候選行星——可能是非常精確的——以揭示一個成功的探測。但是,如果我們只尋找與地球性質相似的行星,而把自己局限在與我們相似的母恆星和太陽系中,我們就註定會得到對那裡存在的東西有偏見的描述。

你可能會想,在尋找外星生命的過程中,越多越好,而尋找地球以外生命的最好方法就是觀察更多的候選行星,它們可能就是我們一直夢想已久的地球2.0。但非類地行星可能是我們從未考慮過的生命的家園,除非我們去看,否則我們不會知道。越多越好,但「不同」也越多。作為科學家,我們必須小心,不要在我們真正開始研究之前就對我們的發現產生偏見。


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