宇宙中存在比地球上大得多的海洋!充滿水的宇宙為何還沒有發現其他生命?

  蒂姆·福傑爾是一位科學和自然作家,也是《發現》和《地球》雜誌的特約編輯。他還是《美國科學與自然》雜誌的系列編輯。他的作品發表在《國家地理》、《史密森尼》和《科學美國人》等雜誌上。他住在新墨西哥州北部。

  我們從來沒有在我們所知道的最大最深的水域航行過;這片水域沒有島嶼或海岸,沒有狂風巨浪,也沒有陽光照耀的銀色表面,這片黑暗的海洋在地球的任何地圖上都找不到——它在3億多英里之外的木衛二上,木衛二是圍繞著木星運行的其中一顆衛星(木星至少有69顆衛星)。伽利略號宇宙飛船在1995年至2003年間曾11次經過木衛二,它的數據顯示,在這顆衛星光滑冰冷的表面下有一個巨大的鹹海,據估計有60英里深(大約是太平洋最深深度的8倍)它擁有的水量是地球所有海域總和的2到3倍。

  潮溼的木衛二並不孤單,至少有另外兩顆木星衛星,Ganymede和Callisto,同樣有地下海洋。土星軌道上的土衛六和土衛一也可能是這樣。而毫無疑問,另一顆土星衛星土衛二(Enceladus)在其冰凍的地殼下同樣蘊藏著水,其體積可能與五大湖相當,這個發現的證據令人震驚但是卻不容置疑:在2005年,卡西尼號太空探測器捕捉到間歇泉向太空噴射冰和水蒸氣的圖像,高度高達數百英里;2015年10月,“卡西尼”號甚至穿越了這些間歇泉,掠過木衛二表面30英里的距離進行取樣。

  要是說外太陽系中液態水的豐富容量和普遍存在完全顛覆了科學家們的預期,那對這些發現是不公平的。在卡西尼號、伽利略號和其他探測器的發現之前,人們的共識是很明顯的:圍繞木星和土星的衛星看起來很像我們的衛星或者火星的衛星,都是岩石嶙峋、坑坑窪窪的荒地,它們的環境對生命都充滿敵意。加州山景城SETI研究所的天文學家希斯·肖斯塔克(Seth Shostak)說:“沒人料到那裡會有地下海洋,它將我們的宜居概念和可能會在哪裡找到生命的想法擴展到我們從未考慮過的世界。”我們一直認為它必須在一個行星上,我想我們有理由認為在我們太陽系中的其他7個地方可能存在生命,或者說至少有生命存在的條件,七個!大多數都是衛星!

  在我們自己的家門口就有如此多的水,那在其他恆星周圍無數的行星也幾乎可以肯定有海洋,更別說溼衛星了。天文學家已經初步確定了太陽系以外的一些“水世界”——根本沒有陸地的行星。“這真是令人難以置信,”德克薩斯州聖安東尼奧西南研究所的卡西尼號任務科學家克里斯托弗·格林(Christopher Glein)說,“這就像是發明了一個新的海洋學領域。”

  事後看來,可能外星海洋的存在並不應該讓人如此驚訝。氫佔宇宙中普通物質的74%;氧是存在的第三大最常見元素。把兩者結合起來,就得到H2O,即水。天文學家已經在月球上,甚至在最接近太陽的水星的環形山上發現了水冰的痕跡。這種現象在星際雲和初生行星系統的塵埃盤中也很常見;它已經在一些巨型系外行星的大氣層中被發現。

  美國國家航空航天局(NASA)詹姆斯韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)的副項目科學家梅恩克(Bonnie Meinke)說,對系外行星的研究一直在取得長足進展。“在過去的20年裡,我們的系外行星的瞭解已經從少數的幾顆發展到數千顆。”我們現在知道,你在夜空中看到的每一顆恆星都可能伴有一顆行星,我覺得我們可以認為圍繞著這些恆星的那些小行星上都存在水。

  哪裡有水,哪裡就可能有生命——“跟著水走”一直是天體生物學家的一個公理。是什麼讓水如此重要?為生命引擎提供燃料的化學反應需要液體溶解並在細胞內運輸分子,而水是已知的最佳溶劑之一;它可以在廣泛的溫度範圍內保持液態,幾乎比其他任何物質保持液態的溫度範圍都要廣。也許其他液體也有可能在某些非常奇異的外星生物化學中扮演水的角色——例如,在土衛六上就發現了液態甲烷湖。但到目前為止,還沒有人發現生命需要水這個規律存在有什麼例外。

  那麼,那些完全被這種基本物質所覆蓋的行星難道不是生命的理想避風港嗎?最近的一些研究給這樣的想法潑了一盆冷水:許多星球其實可能有太多的水了——對生命誕生來說,或者對生命繁榮說的話(假設生命已經誕生了)。亞利桑那州立大學(Arizona State University)天體物理學家史蒂文德施(Steven Desch)說,多未必就好。Desch和他的同事們一直在用計算機模擬外星世界可能存在的地質物理和大氣環境。他們的目標是為未來幾代的系外行星獵人提供一種行星指南——Desch稱其為行星週期表。它將對那些最有可能在其大氣中包含生命副產品(例如氧氣或甲烷之類的氣體)的行星類型進行排名。最重要的是,在未來的幾十年裡,這些氣體的數量將必須大到足以被望遠鏡探測到,Desch說:“我們需要優先觀察那些行星,在那裡我們可能得到最好的生命跡象。”

  事實證明,水行星可能是最不適合尋找生命的地方之一。Desch的團隊創建了一個與幾乎所有方面都與地球相似的行星計算機模型:它的大小,和與類日恆星的穩定距離,不太冷也不太熱的溫度;然後他們用地球上五到七倍的水淹沒了這個虛擬行星,這足夠淹沒所有的大陸。(Desch說,如果地球上多了6個海洋的水量,就足以淹沒珠穆朗瑪峰。)通過給他們的虛擬世界灌水,他們消除了一個我們地球人認為理所當然的維持生命的關鍵過程:裸露岩石的風化。

  沒有雨水或流動的水來腐蝕岩石,Desch的團隊創造的行星海洋中幾乎不含磷,而磷是所有生命都不可或缺的元素,海水本身的酸性不足以像淡水那樣有效地溶解磷。與Desch合作的亞利桑那州立大學(Arizona State University)微生物生態學家特莎·費舍爾(Tessa Fisher)說,磷是非常關鍵的,“除了RNA和DNA,它還組成ATP,ATP是我們所知的所有生物化學過程中攜帶能量的分子。”我們所理解的陸地生物化學在沒有磷的情況下是不會起作用的。

  Desch和Fisher強調說,他們的模型並不排除水世界中存在生命的可能性。這些行星上的海洋可能含有一些磷,但不足以支持能在大氣中留下明顯印記的生命,Fisher說,那種行星不會有你在地球上看到的含有30%氧氣的大氣層。“完全被海洋覆蓋的行星很可能適合生命居住。”只是那裡的生命會非常邊緣化,我們用近期的技術從地球上探測到它的可能性微乎其微。

  我們所探測到的最類似地球的世界對於生命來說可能都太潮溼或太多冰

  然而,也許會有一些行星,它們有非常多的水,致使生命不可能存在。Desch的團隊估計,一個地球大小的行星,如果它擁有其質量10%的水,那這個行星將會是完全沒有生命的。這樣一顆行星的水量相當於地球上400個海洋;海底巨大的壓力會形成一種奇特的高密度冰,被稱為ice-six或ice-seven。Desch說:“那真的會把事情搞砸,因為這樣的話水和岩石之間就不會有相互作用了。”

  儘管這些條件看起來很古怪,但這些行星可能比地球等岩石天體更為常見。在整個宇宙的行星系統中,水和岩石可能一樣豐富。在我們的太陽系中,彗星、一些衛星和冥王星之外柯伊伯帶的冰凍星體被認為是由等量的冰和岩石組成的。Desch說,“外行星大約有50%是冰,這才是常見的,地球這麼幹燥才是不常見的。”

  從我們狹隘的角度來看,地球似乎是典型的海洋行星——一個淡藍色的點——由它的海洋主宰。但所有這些海洋加起來只相當於地球表面最薄的一層薄膜。就質量而言,地球只有其質量0.025%的水。按照目前的技術,天文學家將無法判斷一顆系外行星(如地球)是否有水。天文學家使用兩種基本技術來確定系外行星的組成。首先,他們通過觀察一顆行星在經過它的恆星前時擋住了多少光線來估計它的大小,然後,他們測量了軌道行星向恆星傳遞的極其微小的擺動,這就產生了行星的質量。行星的質量除以其體積得到其密度,這反過來給天文學家對行星中氣體、岩石物質和水的比例一個粗略的概念。

  “想想我們的海洋有多薄,”Desch說,它不會以任何方式改變地球的半徑。他說,目前天文學家只能判斷一顆系外行星是否有海洋,前提還是這顆行星的水佔其質量的10%左右,正如上面提到的那樣,這相當於400個地球海洋,這是足以毀滅生命的水量。因此,我們能用現有技術探測到的那些水世界不太可能存在任何生命。Desch說,這是目前最先進的技術了,“我們是有尋找水的能力,當一顆行星的水超過其質量的10%的時候我們就能偵查到水,但這樣的話水就太多了。”

  7個這樣的行星圍繞著Trappist-1運行,Trappist-1是一顆49光年之外的恆星,它的比利時發現者以他們最喜歡的啤酒品牌命名它。這些行星都和地球大小差不多,其中三個位於恆星的宜居帶內,它們的軌道距離允許液態水的存在。它們是迄今為止發現的最具吸引力的類地行星之一,但它們可能都太潮溼或被冰壓得讓生命無法生存。

  從望遠鏡捕捉到的幾顆像素大小的光來測量遙遠行星的組成充其量是一門不精確的科學。

  考慮到這些限制,Desch和他的同事估計Trappist-1最外層的行星由50%的冰組成;最裡面的行星似乎至少也有10%的液態水和冰。Desch說:“這遠遠超出了覆蓋各個陸地的極限了,這種情況下在海洋底部會有數百公里甚至1000公里的高壓冰,這無疑是一顆死星。”

  所以怎樣才能確定一顆“活”的行星呢?一顆由大陸和海洋組成的類似地球的行星,既不太溼,也不太乾?考慮到可能存在的行星的範圍,肯定有很多像我們這樣的行星,但我們如何才能找到它們呢?詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)將在2020年開始其5到10年的任務,之後它將主導天文學;它將能夠分析海王星大小的系外行星的大氣層,甚至可能發現一些“超級地球”——質量是地球的兩到十倍的行星。但是,如果說要搞清楚這些行星的大氣層的話韋伯太空望遠鏡還是有點“近視”,更不用說搞清楚它們的海洋了。

  JWST項目副科學家梅恩克(Meinke)說,“很難看到這麼小的東西,就像地球大小的行星從它的恆星前面經過,但還要看到那一小片銀色大氣層一樣。”他說:“未來的望遠鏡應該能夠做到這一點,我將做出這樣的預測:我認為我們能夠在我的職業生涯裡做到這一點。但是韋伯望遠鏡的話無法確認在一個陸地類型的行星上是否有水。”

  能夠直接成像另一個世界的海洋和陸地質量的望遠鏡可能至少還需要幾十年的時間才會面世。但即使這樣的望遠鏡成功面世,整個行星的分辨率可能也會限制在一兩個像素內。所以這就是科學歷史上最令人驚訝的發現之一,我們第一次直接觀察與地球相像的行星可能會是這樣:單個像素的顏色將週期性由藍色轉變為棕色,正如遙遠的星球在不停地旋轉,時而露出它的陸地與海洋。

  在那一天到來之前,我們很可能會在離我們家更近的一些海洋外找到生命的證據。最容易到達的海洋是土衛二,它似乎擁有生命所需的所有條件。2015年10月,“卡西尼”號探測器以每小時近1.6萬英里的速度,潛入土衛二冰水的羽煙中,它探測到氫氣、二氧化碳和甲烷。這表明,這顆衛星很可能有類似地球的深海熱液噴口。“當我們穿過羽流的時候,我們真的嚐到了土衛二海洋的味道!”卡西尼號任務科學家之一Glein說。

  特別是氫的存在,這是一個跡象,表明在土衛二海底熱岩石和鹽水之間的化學反應正在把水分解成氫和氧。像土衛二這樣小的星體通常根本不會有任何可測量的氫元素,這種元素非常輕,它應該早就逃到太空去了,因此土衛二的氫肯定以某種方式得到了不斷補充,而最有可能的來源是熱岩石和水之間的化學反應。Glein說:“一旦我們發現了氫氣,我們就可以得出結論,那裡肯定存在大量的化學能——這正是地球深處或熱液噴口的生物為自身提供能量的同種能源類型。”

  “也許會有一些多細胞的生物,但你如果要說金槍魚之類的東西我就很懷疑了!”

  產甲烷菌是在地球上熱液噴口周圍發現的一種古老的細菌,他們將氫與二氧化碳結合,通過這種反應釋放能量進行新陳代謝,而甲烷則作為反應的廢物。類似的簡單生物被認為曾在地球早期的海洋中生活過。即使是在甲烷菌首次出現數十億年後的今天,它們仍然獨立於陽光而生存,形成了一種奇怪的食物鏈,支撐著管蟲和巨型蛤的生態系統。

  在土衛二、木衛二或其他月球海洋的暗無天日的深處,會有比細菌更復雜的生命形式出現嗎?搜尋地外文明計劃的天文學家肖斯塔克(Shostak)說,你可能會在這些地下海洋中發現細菌生命,但要為更復雜、需要更多食物的生物體提供能量可能有些困難。“這並不是說它不可能發生——它們(衛星)在那裡已經存在了45億年,所以可能有一些多細胞的生命體,但但你如果要說金槍魚之類的東西我就很懷疑了!”

  我們回答這些問題的唯一方法就是探訪這些世界。美國國家航空和宇宙航行局(NASA)已經批准了“木衛二快船”(Europa Clipper)任務,該任務最早可能於2024年發射,並於2030年抵達木星。計劃要求飛船經過木衛二上空45次,並距離冰面16英里。未來在木衛二、土衛二或土衛六上著陸的任務將尋找由生物產生的複雜氨基酸和其他生物分子。

  僅僅只有我們自己的世界這一個例子,很難說生命是非常平凡的還是不可能發生的宇宙事故。Glein說:“人們通常認為,由於生命的化石或化學證據可以追溯到很久以前,所以我們認為生命開始得相當快,人們認為這意味著生命的起源很簡單。”

  簡單、困難還是介乎於兩者之間,我們並不清楚,但我們現在可以肯定的是:如果生命需要水來開始的話,其實水並不稀缺,Glein說:“如果我們考慮的是生命的需求,那麼這個等式裡水的部分在太陽系中已經基本上被滿足了,這個滿足的範圍可能還包括整個宇宙。”

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