人类该去哪寻找外星生命?

美国《探索》杂志日前撰文,探讨了在宇宙中哪些地方可能能够发现外星生命,以下为文章全文。


很多最新探测发现都指向“适居带”,认为在那里可能会找到外星生命。1976年美国海盗1号(viking1)飞船在火星上降落,它并没发现可支持“火星上存在生命”的明显的生物活性迹象,而且海盗1号发回地球的照片,展示了一个荒凉、寒冷的世界。




几十年后观念大变


那么在33年后人们的观点又发生了什么变化呢?33年前人们认为火星是地球以外唯一一颗可能曾有生命“安家落户”的行星。现在由于科学家在外太空发现大量有可能存在生命的天体,人们对宇宙生命的观念开始发生转变,认为火星并非地球以外唯一一颗可能曾有生命存在的行星。


因此,他们现在不只在一些地方寻找生命,而是在“适居带”里查找生命的痕迹,给除了地球以外的大量生命可以在上面繁衍生息的天体绘图。这种生命居所可能在我们星系里、整个宇宙以及宇宙以外的其他行星和卫星上。


这方面研究的发展速度令人吃惊。就在今年4月月对土星的卫星——土卫二进行的最新研究获得的成果,展示出在这颗卫星崎岖不平的表面下隐藏着暖水海洋。在“卡西尼”号飞船看到有间歇泉喷发出来的水蒸气从土卫二表面冒出以前,从没有人认为这颗直径大约是300英里的卫星有什么与众不同之处。现在土卫二跟木星的卫星——木卫二一样,都加是太阳系里似乎存在液态水和构成生命的物质的地方。


天文学家也在研究围绕在其他恒星周围的大量类地行星。从20世纪90年代开始,他们已经确定出大约340颗太阳系外行星。其中大部分都是庞大的气态行星,但是最近他们开始搜索体积更小的世界。两个月前,欧洲卫星Corot发现一颗直径是地球的两倍的系外行星,美国宇航局的新“开普勒(Kepler)”探测器也将在今年晚些时候,开始搜索真正跟地球类似的行星。


与此同时,最近的发现显示,微生物的忍耐性比我们认为的更强,这意味着即使那些跟地球不是特别相像的行星,可能也适合生物生存。这些发现说明火星只是这项搜索迈出的第一步。宇宙中的适居带似乎非常庞大,里面可能充满了生命。

太阳系适居带


我们已知的寻找生命的导向原则是那里必须要有水存在。直到现在为止,这条原则一直让科学家认为,只有满足以下条件的天体,才能成为生命的家园:适合的温度、岩质行星和表面拥有液态水。


如果这样考虑,这样的世界只能存在于我们的太阳系里。加州大学圣克鲁兹分校的格雷格·拉弗林说:“如果根据一系列非常有利的气候条件定义适居带,那么你可在太阳周围进行搜索的范围非常有限。当气候出现严重问题时,在距离太阳比地球稍近的范围内和在距离太阳比地球远大约30%的地方都有可能适合生命生存。”要是根据有没有水的观点来判断,在我们的太阳系里没有其他地方适合生命生存。即使很多其他恒星也拥有太阳系,但是正好位于适合生命生存的轨道上的行星少之又少。


如果不是在地球上获得一系列令每个人都意想不到的发现,寻找适居带的努力最终将得到一个令人倍感沮丧的结局。天体生物学是一项研究生命是如何在宇宙中出现和演变的专门学科。这个领域的先驱克里斯·麦克卡伊说:“每个人都不希望看到这种结果。人们发现细菌变种并非从地球表面获得食物、氧气,也不依靠照射到地球表面的阳光。”


这些最新发现的生命形式——“极端微生物(extremophiles)”生活的条件是如此恶劣,50年前的生物学家做梦也想不到能有生命可在这种环境下生存。巨型管虫、螃蟹和小虾喜欢生活在黑暗环境下、海面以下1英里深的地方和极热的热液喷口周围。这些热液喷口就是我们已知的“黑烟囱”,它不断向海洋里喷出像烟柱的黑色氢化硫。利用这种热液喷口喷出的化学物生存下来的生物体不需进行光合作用。


然而对麦克卡伊来说,这些生物并不是最令人感到兴奋的极端微生物类型。他说:“它们仍然依靠通过阳光间接生成的氧气。”与之相比,更加引人注意的细菌是那些在很深的地下繁衍生息的类型。一种细菌生活在南非5英里深的金矿内部。麦克卡伊说:“这些生物从我们从没想到的来源获得能量。南非极端微生物细菌是从岩石里不稳定的放射性原子获得能量。阳光和地表水对它不起任何作用。这种情况非常令人吃惊。”


极端微生物从非太阳能源获得能量的事实,说明外星生命也可能生活在类似环境下,在远离地表水和阳光的地下很深的地方繁衍生息。麦克卡伊说:“可居行星并不一定非得像地球一样。这些发现最大限度地扩展了我们对适居带的理解。”


说来也巧,这项极端微生物发现跟以前的研究结果正好相符,以前的研究显示,太阳系可能拥有很多人们以前根本没有想到的温暖潮湿的地区。20世纪90年代发射升空的“伽利略”探测器收集了大量可信证据,证明木星的大卫星——木卫二寒冷的地表下拥有一个球形液体海洋。美国宇航局刚刚宣布要在2027年重返那里,进行更加细致的研究。


最近在土卫二上发现的间歇泉,再一次惊醒了行星科学家,使他们想弄清楚是否在太阳系周围有更多这种热闹地带。这些地方缺少阳光,跟地表没有联系,但是一些生命显然非常喜欢这样的环境。麦克卡伊说:“当你在木卫二和土卫二地表下发现液态水,并把它与我们对陆地极端微生物的理解结合在一起时,你就会明白为什么‘适居带’的定义必须发生改变了。”

银河适居带


天体生物学家开始留意我们周围的星系后,寻找适居带的范围开始变得更广。银河包含大约2000亿颗恒星。现在我们只知道一小部分恒星拥有行星,这一小部分可能就包含无数个世界。


红矮星是迄今为止在我们的银河系里发现的最为普通的恒星,以前科学家曾认为在这些地方可能不会找到类地行星,但是最新研究结果正好与之相反。极端微生物告诉我们,生命或许能在不太跟我们的地球一样的行星上生存下来。除了这些好消息以外,还有一些坏消息。因为像星系的太阳系拥有自己的适居带,因此要找到这样的行星并不容易。并非所有星系都适合生命生存。澳大利亚国立大学的天体生物学家查尔斯·林维弗(CharlesLineweaver)在2004年发表的一篇论文,把目光放到我们银河系以外可能存在的危险外星生物上。在这种情况下,最重要的因素是不能有水,活动剧烈的庞大恒星与上述情况非常类似。


研究显示,星系中最明亮、最热、最重的恒星对行星和生物都是至关重要的。它们是宇宙的关键性重元素的唯一来源,例如硅(地壳里超过四分之一的物质都是硅)、钾(对细胞活性至关重要)和铁(我们血液里的这种元素负责携带氧气)。这些元素为恒星铸成了炙热的核熔炉。庞大恒星以超新星爆炸的方式结束生命,这个过程会向太空喷发大量重元素,然后这些元素不断结合,再次形成下一代恒星,并为行星形成播下种子。


考虑到银河的适居带,林维弗在最初的论文中提出了重元素。从银河中心向外,恒星形成的速度变得越来越慢,重元素的数量也与这保持一致。林维弗认为,当太阳在40亿年前形成时,外侧三分之一的星系缺少重元素支持生命生存。自此以后,重元素变得分布越来越广,现在只有银河系最外缘含有的重元素还不足以形成类地行星。我们所处的位置有三分之二位于银河的恒星圈内。我们所在的位置正好位于银河系中适于生命生存的区域中心。研究显示,银河内部也不适合生命生存。


庞大恒星促使适居带形成的同时,也限制了银河适居带的内侧范围。超新星爆炸产生和释放的重元素也释放出大量高能放射物,例如伽马射线、X射线和紫外线。这些恒星爆炸对距离恒星几十光年的行星都能产生致命影响。银河拥挤的中心地带拥有大量庞大的恒星和超新星,因此这里进化出复杂的生命形式并非不可能。不过目前要解决的首要问题是,超新星爆炸会产生多坏的影响。


林维弗和他的同事们认为,放射物毒害使银河内侧20%的地方无法支持生命生存,这个区域包含大约星系中的一半恒星。密歇根大学的弗瑞德·亚当斯说:“你一直在寻找一种美好地带。这些地方距离恒星不远不近,能确保重元素的含量不致过低。”但是银河非常庞大,因此亚当斯指出要合理提出设想。他说:“最糟糕的情况就是,在一到多种因素的影响下,银河中适合生命生存的地带不断减少。”


银河中的适居带数量主要根据生命对强剂量的放射物如何做出反应而定。我们或许已经获得被封锁在地球上的化石里的信息。堪萨斯州立大学的艾德里安·米洛特说:“每隔6200万年,地球上的生物多样性就会出现问题。古生物学家已经建立大量数据库,储存所有动物化石记录。通过这些数据,你能看到随着时间推移,生命力会发生什么变化。”


他的研究有力地支持了其他科研组的研究成果,显示出生命力下降,有时是生物大量灭绝,似乎遵循着一定的周期。米洛特把生物多样性的改变跟我们银河中的太阳和行星运动联系在一起。他说:“太阳在围绕银河运行的同时,也会出现上下波动,让星系平面举起,然后再让它落下。每一次太阳升起,向银河盘的北边移动时,我们的生物多样性就会下降。他注意到银河的北侧指向室女座星系,这是聚集在我们附近的一个庞大的星系。我们的银河每秒向室女座靠近大约120英里。


据米洛特说,当银河从星际物质间通过时,它前面会形成强大的冲击波。冲击波产生的高能粒子被称作宇宙射线,这种射线能扰乱生物分子,破坏DNA,使它无法被修复。通常情况下银河的磁场保护我们不被放射物伤害。但是每隔6200万年,太阳就会向危险区域的边缘靠近。他说:“当太阳奔向银河平面的北侧时,整个地球就会受到大量宇宙射线冲击。所有恒星在星系里移动时,都会遵循类似的跳跃运动,但是位于星系中心的恒星,跳跃的速度会更快。


这种情况可能支持了林维弗的观点,他认为这些区域包含复杂生命的可能性更小。但是生命也需要一定数量的放射物。放射物促使生物发生变异,而且大量灭亡也为进化变异清扫了道路。该说法支持了亚当斯的观点。米洛特总结说:“我们希望获得足够的放射物来促使新生命形式得到发展,但是我们不需要很多放射物,以至于消灭整个地球。”


临时适居带


米洛特有关大量消亡的假设阐述了适居带如何可以用空间进行测量,同时也可以用时间进行测量。根据他的假设,有关生命存在的“何时”与“何处”这两个问题同等重要。在此过程中,超新星也扮演了重要角色。在大炸弹孕育宇宙之时,新生的宇宙几乎完全由氢和氦构成。此时是形成行星的绝好时机而不是生命。


碳、氧、铁以及其它元素不得不等待恒星——尤其是大质量恒星——通过核聚变形成更重的元素。这些已处理的元素在恒星风或者超新星爆炸中逃离,随后又被后代的恒星“捕获”。以这种方式积累形成生命所需元素需要数十亿年之久。整个宇宙已经有137亿年历史,可能在最初的几十亿年时间里,宇宙完全是一个不适合生命居住的区域。


一旦宇宙中充斥着大量重元素,形势便会逆向发展,恒星孕育生命的能力也遭到限制。体积中等的恒星——太阳寿命为100亿年,此时的它大约已经“星到中年”。在另一个50亿年时间里,太阳将膨胀成一颗红巨星并吞噬我们的地球或者烘烤地球表面使其凝结。在最短10亿年时间里,太阳逐渐增加的发光度可能让地球变成生命无法承受的所在。亮度更高、质量更大的恒星以更快的速度消耗它们的核燃料,它们可能更快速地燃烧殆尽,允许复杂生命进化。


庆幸的是,暗淡的红矮星能够潜在地支持类似地球的行星在很大程度上孕育临时适居带。在这些恒星中,亮度最低同时也最“节俭”的成员寿命可能达到10万亿年之久,是太阳的1000倍。当前的研究显示,宇宙的扩张可能是永久性的。如果事实果真如此,我们熟知的宇宙——充满恒星同时也可能充满生命的——在永无止境的冰冷、黑暗的虚无状态将只是一个瞬间。是否再一次感到可怕?别担心,最新物理学理论指出,另一个适居带将允许生命在最后一颗恒星死亡之后继续存在下去。


多元宇宙适居带


目前,最大的适居带并不是我们认为中的宇宙,而是假设中的宇宙中的宇宙,也就是宇宙学家所说的多元宇宙。在我们的宇宙变得一片昏黑之后,另一个或者多个宇宙将负责将生命之火继续传递下去。


通常所说的宇宙是指我们能够观察到的一切,其中包括控制它的物理学定律。数量惊人的宇宙可能正如科幻小说和影片所描述的那样,而我们这个宇宙只是千千万万宇宙中的一个。现在,宇宙学家正利用一项名为“暴胀”的理论创建多元宇宙模型。


当前有关早期宇宙的最重要模型——暴胀宇宙论认为,整个可以观测到的宇宙开始于一个小斑点。这个斑点位于一个由大爆炸产生的可能永不消逝的存在物。在大爆炸后10至30秒时间里,这个斑点经历了一个超高速扩张时期,因此才有“暴胀”之说,扩张之后的宇宙形成我们现在看到的一切。虽然听起来非常怪异,但这个模型拥有一些合理的观测上的支持。


相比之下,一些宇宙学家的步子迈得更大一些,在他们看来,暴胀也可以在其它时间在其它地方出现,当时发生了其它创世时刻并随后经历自身的暴胀,成为单个的小型宇宙。物理学家将这种增殖现象称之为“永恒暴胀”。这种永恒性导致单个宇宙数量达到近乎无穷多的程度,每一个宇宙都拥有属于自己的物理学定律。这种现象与弦理论相当怪异的预言相吻合。弦理论是一种基础物理学模型,认为可能存在大约10500组不同的定律。


弗瑞德·亚当斯表示:“在这些宇宙中,部分宇宙的地心引力可能比我们所在的宇宙大或者小。其它宇宙控制原子和分子的电磁力可能存在差异。其它不同类型宇宙的生命形成过程可能呈现出戏剧化。”


适居带存在拥有更大可能性


虽然尚未发现存在这些多元宇宙的证据,但这并不能阻止理论学家对此进行各种各样的推测。在我们生存的宇宙,物理学定律似乎经过恰到好处的校准,以允许拥有稳定轨道的长寿恒星、行星以及允许复杂化学过程发生的分子存在。所有这些似乎都是形成生命的前提条件。亚当斯说:“人们经常问的一件事情是其它宇宙的恒星习性。如果是一些无法形成恒星的宇宙,它们可能就是一个个不毛之地。”


亚当斯严肃对待这个问题,并开始一项有关“另类”物理学以及影响恒星形成的研究。他说:“我决定进行一次实实在在的计算,看看能否将所有这些推测归结为一个适当的问题。4个基本力(重力、电磁力以及强弱核力)的每一个均拥有一种类型的理论按钮,这个按钮可以调大和调小以改变强度。我决定对一系列理论上的恒星模型进行计算,以确定多大的力孕育了工作恒星。”


计算结果令很多人惊讶不已。亚当斯说:“很多人认为只有数量极少的气泡宇宙拥有支持生命存在的条件。”亚当斯的计算结果发现,功能恒星在物理学变异方面较任何人认为的更具弹性。由于恒星是生命形成的前提条件,这些发现暗示生命适居带的存在拥有更大可能性。


亚当斯的四分之一模型能够孕育出长寿恒星,但同时也提出一个非常重要的告诫。亚当斯并未指出在一个随机选中的小型宇宙中,任何给定强度的重力或者电磁力拥有多大形成恒星的可能性。他说:“你需要的是将我所做的工作与一个多元宇宙的可能性分布结合在一起。”换句话说,我们需要了解有关小型宇宙物理学定律变异的统计学,在暴胀宇宙论中,并不存在指导科学家选择有关小型宇宙物理学的原则。


黑洞孕育新宇宙


加拿大安大略省沃特卢的普里美特理论物理学研究所理论物理学家李·斯莫林(LeeSmolin)提出一个富有争议的想法,即对其它宇宙进行可以测试的预测。在此过程中,斯莫林让有关适居性的研究较亚当斯的推断相比更为理想。


上世纪90年代初,斯莫林提出了一个多元宇宙模型,这个模型在很大程度上有别于暴胀宇宙论的小型宇宙。他的模型关注的是黑洞歪曲时间和空间的方式。自上世纪60年代以来,一些理论学家便开始传播这一想法,当时一颗大质量恒星塌陷成一个黑洞,黑洞可能孕育出一个新的宇宙。斯莫林的研究一直建立在这一想法基础之上。


黑洞产生的宇宙在很大程度上有别于与永恒暴胀有关的宇宙。在暴胀这种情况下,有关一个宇宙与另一个宇宙的物理学之间没有任何联系。斯莫林指出,这个黑洞模型在很大程度上趋向于确定类型的物理学。他说:“任何产生更多黑洞的宇宙都将形成更为危险的宇宙。它的物理学将遗传给自己的女儿。”作为结果,应该存在一个类似于自然选择的过程,这一过程更青睐在物理学方面能够形成更多黑洞的宇宙。类似这样的宇宙成为多元宇宙的统治者。


斯莫林的模型拥有两大重要优势。首先,它解释了我们的宇宙为何拥有当前的物理学定律,类似我们的宇宙形成可产生黑洞的大质量恒星,这些宇宙在很大程度上被选中。其次,它解释了为什么我们的物理学定律允许生命存在,原因在于:允许恒星存在的元素恰好与允许地球生命生物学存在的元素一致。


实际上,斯莫林的模型还拥有第三个优势。斯莫林指出,他的黑洞多元宇宙假设能够进行检验。能够孕育最多数量黑洞的宇宙也拥有最多后代,我们的宇宙应该是形成黑洞的最理想选择。斯莫林的假设——包括有关宇宙暴胀以及最重稳定中子星质量的想法——一直获得相关支持。他说:“这一理论是可以验证的。如果观测结果与我的预测相矛盾,这一理论就是错误的。”如果斯莫林是正确的,便说明我们不仅仅生存于一个宇宙,而是一个完整的可能充满生命的多元宇宙,即一个不受束缚的适居带。


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