有水的行星有"千千万",但找到生命为何不那么容易

2018-05-31 09:08 网易科技报道

  5月31日消息,据Aeon报道,到目前为止,我们所知的最大、最深的水体还从来没有人踏足过,它里面没有岛屿、海岸及风浪,没有波光粼粼的表面。这片黑暗的海洋无法在地球上的任何地图上找到,它远在距离地球4.8亿公里之外的木卫二欧罗巴(Europa)上。木卫二是环绕木星运行的至少69颗卫星之一。

图:由“伽利略”号探测器拍摄到的木卫二(Europa)近照

  从1995年到2003年间,“伽利略”(Galileo)号探测器已经11次略过木卫二,其获得的数据显示,在这颗卫星光滑冰层的表面之下有个巨大的咸海。据估计,它的深度约为9.6万米(相当于太平洋最大深度的8倍),其水量是地球海洋总和的两到三倍。而木卫二绝非唯一充满液态水的行星或卫星。至少还有两颗木星卫星——木卫三(Ganymede)和木卫四(Callisto)有地下海洋。

  土星卫星——土卫六(Titan)和土卫一(Mimas)也可能有类似海洋。毫无疑问,另一颗土星卫星——土卫二(Enceladus),在其冰冻地壳下面肯定也有大量液态水,其水量很可能与五大湖相当。2005年,“卡西尼”(Cassini)号探测器捕捉到土卫二间歇泉喷出的冰和水蒸汽进入太空数百公里的景象,提供了其上有水的确凿证据。2015年10月份,“卡西尼”号甚至从间歇泉上空飞过。当时这艘探测器从距离土卫二表面上空58公里处略过,对其喷发物进行采样。

  宇宙中液态水的丰富性和普遍性完全颠覆了科学家们的期望。在“卡西尼”号、“伽利略”号和其他探测器有所发现之前,人们的共识是:木星和土星的卫星看起来很像我们地球卫星(月球)或者火星的卫星,它们都由岩石构成,地表是布满陨石坑的荒原,对生命充满了敌意。

  位于加州山景城SETI研究所的天文学家塞斯·肖斯塔克(Seth Shostak)说:“没人预料到会有地下海洋。它扩展了我们有关可居住性的概念范畴:在我们之前没有考虑过的世界,同样可能发现生命迹象。我们总是假设,生命肯定生存在行星上。但在我们的太阳系中还有其他七个地方,我们有理由认为可能存在生命——至少是生命存在的条件。七个!大多数都是卫星!”

  在我们自己太阳系中都有如此多的水,几乎可以肯定的是,其他恒星周围的无数行星上也肯定有海洋存在,更不用说有水的卫星了。天文学家已经初步确定了太阳系以外的部分“水世界”,即根本没有陆地的行星。位于德克萨斯州圣安东尼奥市的西南研究所“卡西尼”号任务科学家克里斯多弗·格林(Christopher Glein)说:“这真是令人难以置信,就像发现了全新的海洋学领域。”

  事后看来,也许外星海洋的存在不应该令人感到如此惊讶。氢占宇宙中普通物质的74%,氧是宇宙中第三常见的元素。将两者结合起来,你就可以找到水。天文学家已经在月球甚至是水星(离太阳最近的行星)上的陨石坑中,观察到水冰的痕迹。在星际云团和新生行星系统的尘埃盘中,以及在许多巨大系外行星的大气中,水冰也很常见。

  美国宇航局(NASA)下属詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,计划于明年发射)的项目副科学家伯尼·米尼克(Bonnie Meinke)说:“对系外行星的研究已经十分深入。在过去的20年里,我们了解的系外行星数量已经从很少增至数千颗。我们现在知道,在夜空中看到的每一颗恒星,可能都伴随着行星。我认为我们可以预期,这些恒星周围的大部分行星上都存在某种形式的水。”

  有水的地方可能就有生命,因此“追踪水”始终是天体生物学家们信奉的格言。是什么使水显得如此重要?燃烧生命引擎的化学反应需要这种液体来溶解和运输细胞中的分子。水是已知的最好溶剂之一,与其他任何物质相比,水能在更大温度范围内保持液态。其他液体可能会在某些真正的外星生物化学反应中发挥作用,—例如,在土卫六上发现的液态甲烷湖。但到目前为止,还没有任何已知的生命成为例外,不必遵守“生命需要水”的规律。

  那么,那些完全被这种基本物质(水)覆盖表面的行星,是否都能成为生命的理想避风港呢?最近的许多研究给这样的期望泼了一盆冷水:许多“水世界”上实际上可能有太多的水,这反而阻碍了生命的诞生。或者即使生命诞生,太多的水也限制了它们的茁壮成长。美国亚利桑那州立大学天体物理学家史蒂文·德斯(Steven Desch)说:“更多不一定意味着更好。”

  德斯和他的同事们始终在运行模拟地球物理和大气环境的计算机模拟,这些环境可能在外星世界里被发现。他们的目标是为未来几代系外行星搜寻者提供行星野外指南,德斯称其为“行星周期表”(Periodic Table of Planets)。它对那些大气层中最有可能含有生命副产品(例如氧气或甲烷等)证据的外星天体进行排序。最重要的是,这些气体必须大量存在,足以在未来几十年里用望远镜观测到。德斯说:“我们需要优先观察那些可能存在生命最佳指标的行星。”

  事实证明,外星“水世界”可能是最糟糕的地方之一。德斯的团队模仿地球建立了一颗行星的计算机模型,它的每个方面几乎都与地球相似。它的大小与地球相当,处于既不太热也不太冷的舒适位置,与恒星保持着稳定的距离。然后,他们用大约相当于地球5到7倍的水量淹没了这个世界,这足以淹没所有大陆。德斯称:“假如地球上多了6个大洋,那么珠穆朗玛峰也可能被淹没。”

  通过使这样的虚拟世界变得单调乏味,它消除了我们地球人认为理所当然的、一个至关重要的生命诞生过程,即裸露岩石的风化作用。由于没有雨水或流水侵蚀岩石,德斯团队所创造世界的海洋中含有极少的磷元素,这是所有生命中不可或缺的元素。海水本身的酸性还不足以像淡水那样有效地溶解磷。亚利桑那州立大学的微生物生态学家泰莎·费舍尔(Tessa Fisher)说:“磷是非常重要的,除了RNA和DNA,它还构成了ATP,这是我们所知道的几乎所有生物化学能量的携带分子。我们所理解的陆地生物化学,在没有磷的情况下不会发生反应。”

  德斯和费舍尔强调,他们的模型并不排除“水世界”有生命存在的可能性。这些行星上的海洋可能含有少量磷,但不足以维持大量的生命存在,帮助他们在大气层中留下明显的印记。费舍尔说:“这样的星球大气层中,不会有你在地球上看到的30%氧气含量。一个完全由海洋覆盖的星球很有可能有生命存在,只是因为那里的生命是如此的边缘化,我们短期内不太可能从地球上利用技术探测到它们。”

  不过,虽然有些外星世界上有太多水,但这并非意味着生命绝不可能存在。德斯的团队估计,如果一颗行星与地球大小相当,但其10%的质量以水的形式存在,那么它上面可能没有任何生命。这样的行星相当于地球上有400个海洋,海洋底部巨大的压力会产生密度超大的冰,被称为ice-six或ice-seven。德斯说:“这种情况会把事情搞砸,因为你不会有水-岩石交互作用。”

  尽管看起来很古怪,但这些“水世界”可能比像地球这样的岩石星体更常见。在整个宇宙的行星系统中,水和岩石可能同样丰富。在我们的太阳系里,彗星、部分卫星以及冥王星外的柯伊伯带冰冻居民,都被认为是由等量的冰和岩石组成的。德斯称:“系外行星大约有50%的冰组成,这是正常的。不正常的是为何地球如此‘干燥’。”

  从我们狭隘的角度来看,地球似乎是最典型的海洋行星。从太空中看,它就是个淡蓝色的点,完全由海洋占主导。但所有这些海洋都在地球表面形成了最薄的薄膜。按质量计算,地球只有0.025%属于水。利用当前技术,天文学家们还无法判断类似地球的系外行星上是否有水。

  天文学家使用两种基本技术来测定系外行星的构成。首先,他们通过观察行星在其恒星前方经过时的亮度来估计行星的大小。其次,他们测量行星环绕的恒星的微小摆动,就得出行星的质量。将行星的质量除以其体积就得到了密度,从而帮助天文学家们大致了解了该星球上气体、岩石物质和水的百分比。

  德斯说:“想想我们地球的海洋有多薄,它不会以任何方式改变地球的半径。”他说,就目前而言,如果水占某颗系外行星质量的10%左右,天文学家可以判断出上面是否只有海洋。正如上面所提到的,这相当于400个地球海洋,这是有关生命能否诞生的临界点。因此,我们能用现有技术探测到的“水世界”,不太可能承载任何生命。德斯表示:“这就是现在的艺术状态:我们有寻找水的能力,当有10%的水时我们就能看到它,但这样的水量对生命诞生来说太多了。”

  七个这样的“水世界”正围绕距离地球49光年远的恒星Trappist-1旋转,这颗恒星是其比利时发现者用他们最喜欢的啤酒品牌命名的。所有行星都与地球大小相当,其中三个位于其恒星的宜居带内,其轨道距离允许液态水存在。它们是迄今为止探测到的最接近地球的类地行星之一,但它们可能都“太湿”了,生命也可能无法承受上面的冰的压力。

  用望远镜来测量遥远行星的成分是一门不够精确的科学。考虑到这些限制,德斯和他的同事们估计,Trappist-1最外层的行星可能由50%的冰组成,而最里面的行星似乎至少有10%的液态水和冰。德斯表示:“这远远超出了能被谁覆盖的大陆极限。在海洋底部,可能会有数百甚至上千公里的高压冰。显然,这是个死星球。”

  那么,如何才能识别出“活的”行星呢?即拥有类似地球上大陆和海洋的星球,不能太湿也不能太干燥。考虑到宇宙的浩渺,肯定有很多类似我们地球的世界,但我们如何找到它们呢?詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)将在2020年开始其5到10年的任务,开始分析巨大的、与海王星大小相当的系外行星的大气层,甚至可能发现许多“超级地球”,即质量是地球2到10倍的类地行星。

  不过,詹姆斯·韦伯太空望远镜项目副科学家米尼克说:“很难看到这么小的东西在它的恒星前经过,并透过大气层看到闪烁的银光。”未来的望远镜计划应该能够做到这一点,但是韦伯望远镜可能无法确认类地行星上的水。能够直接成像其他星球海洋和陆地的望远镜可能至少需要几十年的时间才会出现。即使这样,整个行星的分辨率也可能被限制在一到两像素。

  不过,这也足以堪称是科学史上最令人惊讶的发现了,我们将第一次直接观察到类似地球的外星世界。单个像素的颜色将周期性由蓝色转变为棕色,时不时地暴露出外星球的陆地与海洋。在那一天到来之前,我们很可能会在离家更近的地方找到些生命的证据。而最容易接近的就是土卫二上的海洋,它似乎具备了生命所需的所有条件。

  2015年10月份,”卡西尼“号探测器以每小时2.4万公里的速度在土卫二的浮冰上俯冲而过,它的仪器探测到氢气、二氧化碳和甲烷等成分,这表明土卫二上可能有与地球相似的深海热液喷口。“卡西尼”号任务科学家格林称:“当我们飞过间歇泉的时候,我们真的尝到了土卫二海洋的味道!”

  特别是氢元素的存在表明,在土卫二的海底,炽热的岩石和咸水之间的化学反应将水分解成氢和氧。像土卫二这样小的天体通常不会有任何可测量到的氢元素,因为这种元素是如此的轻,它早就应该逃逸到太空中去了。因此,土卫二上的氢必须以某种方式不断补充,最有可能的来源就是热岩石和水之间的化学反应。格林说:“一旦我们找到了氢气,我们就可以得出结论,土卫二上确实存在大量的化学能量,而这种能量正是地球深处的生物或热液喷口内的生物所必须的。”

  产甲烷菌(Methanogens)是一种古老的细菌,通常在地球上的热液喷口附近发现,它们可以将氢与二氧化碳结合,这一反应释放出能量帮助其代谢,并产生甲烷废物。这些简单的生物被认为与地球早期的海洋生命类似。即使是现在,距离生命第一次出现几十亿年之后,产甲烷菌也独立于阳光下生活,形成了一个奇怪食物链的基础,它支撑着管状蠕虫和巨蛤的生态系统。

  在土卫二、木卫二或其他卫星的海洋深处,是否会出现比细菌更复杂的生命形式?SETI的天文学家肖斯塔克说:“你可能在这些地下海洋里发现细菌生命,但能支持更多需要食物的复杂生物的能量来源可能需要延伸开去。这并不是说它不可能发生,这些卫星已经存在了45亿年,所以可能存在些多细胞的生命,但我怀疑没有金枪鱼之类的东西!”

  我们回答这些问题的唯一方法就是参观这些世界。美国宇航局已经批准了Europa Clipper任务,该任务可能会在2024年发射,2030年左右到达木星。计划要求探测器45次飞越木卫二,在距离其冰层覆盖的表面上空24公里范围内观察。未来的任务实际上是在木卫二、土卫二或土卫六上着陆,寻找复杂的氨基酸和其他生物分子,这些都是生命所独有的。

  只有一个例子(我们自己的世界),不能充分说明生命在宇宙中是普遍存在的,还是偶然的出现的。格林指出:“人们普遍认为,由于生命化石或化学证据的存在已经可以追溯到遥远的过去,我们认为生命的起源是相当快的。人们把这理解为生命起源是非常容易的。”不过,无论生命起源简单、困难或介于两者之间,我们现在可以确定一件事:如果生命需要水才能诞生,那么宇宙中绝不会缺少水。格林说:“如果我们考虑到生命的要求,那么这个方程的水部分已经被太阳系填满,可能整个宇宙中都充满了‘水世界’。” (小小)

责编:李文瑶
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