有水的行星有「千千萬」 但找到生命為何不那麼容易

據Aeon報道，到目前為止，我們所知的最大、最深的水體還從來沒有人踏足過，它裡面沒有島嶼、海岸及風浪，沒有波光粼粼的表面。這片黑暗的海洋無法在地球上的任何地圖上找到，它遠在距離地球4.8億公里之外的木衛二歐羅巴（Europa）上。木衛二是環繞木星運行的至少69顆衛星之一。

由「伽利略」號探測器拍攝到的木衛二（Europa）近照

從1995年到2003年間，「伽利略」（Galileo）號探測器已經11次略過木衛二，其獲得的數據顯示，在這顆衛星光滑冰層的表面之下有個巨大的鹹海。據估計，它的深度約為9.6萬米(相當於太平洋最大深度的8倍)，其水量是地球海洋總和的兩到三倍。而木衛二絕非唯一充滿液態水的行星或衛星。至少還有兩顆木星衛星——木衛三（Ganymede）和木衛四（Callisto）有地下海洋。

宇宙中液態水的豐富性和普遍性完全顛覆了科學家們的期望。在「卡西尼」號、「伽利略」號和其他探測器有所發現之前，人們的共識是：木星和土星的衛星看起來很像我們地球衛星（月球）或者火星的衛星，它們都由岩石構成，地表是布滿隕石坑的荒原，對生命充滿了敵意。

位於加州山景城SETI研究所的天文學家塞斯·肖斯塔克（Seth Shostak）說：「沒人預料到會有地下海洋。它擴展了我們有關可居住性的概念範疇：在我們之前沒有考慮過的世界，同樣可能發現生命跡象。我們總是假設，生命肯定生存在行星上。但在我們的太陽系中還有其他七個地方，我們有理由認為可能存在生命——至少是生命存在的條件。七個!大多數都是衛星!」

在我們自己太陽系中都有如此多的水，幾乎可以肯定的是，其他恆星周圍的無數行星上也肯定有海洋存在，更不用說有水的衛星了。天文學家已經初步確定了太陽系以外的部分「水世界」，即根本沒有陸地的行星。位於德克薩斯州聖安東尼奧市的西南研究所「卡西尼」號任務科學家克里斯多弗·格林（Christopher Glein）說：「這真是令人難以置信，就像發現了全新的海洋學領域。」

事後看來，也許外星海洋的存在不應該令人感到如此驚訝。氫占宇宙中普通物質的74%，氧是宇宙中第三常見的元素。將兩者結合起來，你就可以找到水。天文學家已經在月球甚至是水星（離太陽最近的行星）上的隕石坑中，觀察到水冰的痕迹。在星際雲團和新生行星系統的塵埃盤中，以及在許多巨大系外行星的大氣中，水冰也很常見。

美國宇航局(NASA)下屬詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope，計劃於明年發射)的項目副科學家伯尼·米尼克(Bonnie Meinke)說：「對系外行星的研究已經十分深入。在過去的20年里，我們了解的系外行星數量已經從很少增至數千顆。我們現在知道，在夜空中看到的每一顆恆星，可能都伴隨著行星。我認為我們可以預期，這些恆星周圍的大部分行星上都存在某種形式的水。」

有水的地方可能就有生命，因此「追蹤水」始終是天體生物學家們信奉的格言。是什麼使水顯得如此重要？燃燒生命引擎的化學反應需要這種液體來溶解和運輸細胞中的分子。水是已知的最好溶劑之一，與其他任何物質相比，水能在更大溫度範圍內保持液態。其他液體可能會在某些真正的外星生物化學反應中發揮作用，—例如，在土衛六上發現的液態甲烷湖。但到目前為止，還沒有任何已知的生命成為例外，不必遵守「生命需要水」的規律。

那麼，那些完全被這種基本物質（水）覆蓋表面的行星，是否都能成為生命的理想避風港呢？最近的許多研究給這樣的期望潑了一盆冷水：許多「水世界」上實際上可能有太多的水，這反而阻礙了生命的誕生。或者即使生命誕生，太多的水也限制了它們的茁壯成長。美國亞利桑那州立大學天體物理學家史蒂文·德斯(Steven Desch)說：「更多不一定意味著更好。」

德斯和他的同事們始終在運行模擬地球物理和大氣環境的計算機模擬，這些環境可能在外星世界裡被發現。他們的目標是為未來幾代系外行星搜尋者提供行星野外指南，德斯稱其為「行星周期表」（Periodic Table of Planets）。它對那些大氣層中最有可能含有生命副產品（例如氧氣或甲烷等）證據的外星天體進行排序。最重要的是，這些氣體必須大量存在，足以在未來幾十年里用望遠鏡觀測到。德斯說:「我們需要優先觀察那些可能存在生命最佳指標的行星。」

事實證明，外星「水世界」可能是最糟糕的地方之一。德斯的團隊模仿地球建立了一顆行星的計算機模型，它的每個方面幾乎都與地球相似。它的大小與地球相當，處於既不太熱也不太冷的舒適位置，與恆星保持著穩定的距離。然後，他們用大約相當於地球5到7倍的水量淹沒了這個世界，這足以淹沒所有大陸。德斯稱：「假如地球上多了6個大洋，那麼珠穆朗瑪峰也可能被淹沒。」

通過使這樣的虛擬世界變得單調乏味，它消除了我們地球人認為理所當然的、一個至關重要的生命誕生過程，即裸露岩石的風化作用。由於沒有雨水或流水侵蝕岩石，德斯團隊所創造世界的海洋中含有極少的磷元素，這是所有生命中不可或缺的元素。海水本身的酸性還不足以像淡水那樣有效地溶解磷。亞利桑那州立大學的微生物生態學家泰莎·費舍爾(Tessa Fisher)說：「磷是非常重要的，除了RNA和DNA，它還構成了ATP，這是我們所知道的幾乎所有生物化學能量的攜帶分子。我們所理解的陸地生物化學，在沒有磷的情況下不會發生反應。」

德斯和費舍爾強調，他們的模型並不排除「水世界」有生命存在的可能性。這些行星上的海洋可能含有少量磷，但不足以維持大量的生命存在，幫助他們在大氣層中留下明顯的印記。費舍爾說：「這樣的星球大氣層中，不會有你在地球上看到的30%氧氣含量。一個完全由海洋覆蓋的星球很有可能有生命存在，只是因為那裡的生命是如此的邊緣化，我們短期內不太可能從地球上利用技術探測到它們。」

不過，雖然有些外星世界上有太多水，但這並非意味著生命絕不可能存在。德斯的團隊估計，如果一顆行星與地球大小相當，但其10%的質量以水的形式存在，那麼它上面可能沒有任何生命。這樣的行星相當於地球上有400個海洋，海洋底部巨大的壓力會產生密度超大的冰，被稱為ice-six或ice-seven。德斯說：「這種情況會把事情搞砸，因為你不會有水-岩石交互作用。」

儘管看起來很古怪，但這些「水世界」可能比像地球這樣的岩石星體更常見。在整個宇宙的行星系統中，水和岩石可能同樣豐富。在我們的太陽系裡，彗星、部分衛星以及冥王星外的柯伊伯帶冰凍居民，都被認為是由等量的冰和岩石組成的。德斯稱：「系外行星大約有50%的冰組成，這是正常的。不正常的是為何地球如此『乾燥』。」

從我們狹隘的角度來看，地球似乎是最典型的海洋行星。從太空中看，它就是個淡藍色的點，完全由海洋佔主導。但所有這些海洋都在地球表面形成了最薄的薄膜。按質量計算，地球只有0.025%屬於水。利用當前技術，天文學家們還無法判斷類似地球的系外行星上是否有水。

天文學家使用兩種基本技術來測定系外行星的構成。首先，他們通過觀察行星在其恆星前方經過時的亮度來估計行星的大小。其次，他們測量行星環繞的恆星的微小擺動，就得出行星的質量。將行星的質量除以其體積就得到了密度，從而幫助天文學家們大致了解了該星球上氣體、岩石物質和水的百分比。

德斯說：「想想我們地球的海洋有多薄，它不會以任何方式改變地球的半徑。」他說，就目前而言，如果水占某顆系外行星質量的10%左右，天文學家可以判斷出上面是否只有海洋。正如上面所提到的，這相當於400個地球海洋，這是有關生命能否誕生的臨界點。因此，我們能用現有技術探測到的「水世界」，不太可能承載任何生命。德斯表示：「這就是現在的藝術狀態：我們有尋找水的能力，當有10%的水時我們就能看到它，但這樣的水量對生命誕生來說太多了。」

七個這樣的「水世界」正圍繞距離地球49光年遠的恆星Trappist-1旋轉，這顆恆星是其比利時發現者用他們最喜歡的啤酒品牌命名的。所有行星都與地球大小相當，其中三個位於其恆星的宜居帶內，其軌道距離允許液態水存在。它們是迄今為止探測到的最接近地球的類地行星之一，但它們可能都「太濕」了，生命也可能無法承受上面的冰的壓力。

用望遠鏡來測量遙遠行星的成分是一門不夠精確的科學。考慮到這些限制，德斯和他的同事們估計，Trappist-1最外層的行星可能由50%的冰組成，而最裡面的行星似乎至少有10%的液態水和冰。德斯表示：「這遠遠超出了能被誰覆蓋的大陸極限。在海洋底部，可能會有數百甚至上千公里的高壓冰。顯然，這是個死星球。」

那麼，如何才能識別出「活的」行星呢？即擁有類似地球上大陸和海洋的星球，不能太濕也不能太乾燥。考慮到宇宙的浩渺，肯定有很多類似我們地球的世界，但我們如何找到它們呢？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，開始分析巨大的、與海王星大小相當的系外行星的大氣層，甚至可能發現許多「超級地球」，即質量是地球2到10倍的類地行星。

不過，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡項目副科學家米尼克說:「很難看到這麼小的東西在它的恆星前經過，並透過大氣層看到閃爍的銀光。」未來的望遠鏡計劃應該能夠做到這一點，但是韋伯望遠鏡可能無法確認類地行星上的水。能夠直接成像其他星球海洋和陸地的望遠鏡可能至少需要幾十年的時間才會出現。即使這樣，整個行星的解析度也可能被限制在一到兩像素。

不過，這也足以堪稱是科學史上最令人驚訝的發現了，我們將第一次直接觀察到類似地球的外星世界。單個像素的顏色將周期性由藍色轉變為棕色，時不時地暴露出外星球的陸地與海洋。在那一天到來之前，我們很可能會在離家更近的地方找到些生命的證據。而最容易接近的就是土衛二上的海洋，它似乎具備了生命所需的所有條件。

2015年10月份，」卡西尼「號探測器以每小時2.4萬公里的速度在土衛二的浮冰上俯衝而過，它的儀器探測到氫氣、二氧化碳和甲烷等成分，這表明土衛二上可能有與地球相似的深海熱液噴口。「卡西尼」號任務科學家格林稱：「當我們飛過間歇泉的時候，我們真的嘗到了土衛二海洋的味道!」

特別是氫元素的存在表明，在土衛二的海底，熾熱的岩石和鹹水之間的化學反應將水分解成氫和氧。像土衛二這樣小的天體通常不會有任何可測量到的氫元素，因為這種元素是如此的輕，它早就應該逃逸到太空中去了。因此，土衛二上的氫必須以某種方式不斷補充，最有可能的來源就是熱岩石和水之間的化學反應。格林說:「一旦我們找到了氫氣，我們就可以得出結論，土衛二上確實存在大量的化學能量，而這種能量正是地球深處的生物或熱液噴口內的生物所必須的。」

產甲烷菌（Methanogens）是一種古老的細菌，通常在地球上的熱液噴口附近發現，它們可以將氫與二氧化碳結合，這一反應釋放出能量幫助其代謝，併產生甲烷廢物。這些簡單的生物被認為與地球早期的海洋生命類似。即使是現在，距離生命第一次出現幾十億年之後，產甲烷菌也獨立於陽光下生活，形成了一個奇怪食物鏈的基礎，它支撐著管狀蠕蟲和巨蛤的生態系統。

在土衛二、木衛二或其他衛星的海洋深處，是否會出現比細菌更複雜的生命形式？SETI的天文學家肖斯塔克說：「你可能在這些地下海洋里發現細菌生命，但能支持更多需要食物的複雜生物的能量來源可能需要延伸開去。這並不是說它不可能發生，這些衛星已經存在了45億年，所以可能存在些多細胞的生命，但我懷疑沒有金槍魚之類的東西!」

我們回答這些問題的唯一方法就是參觀這些世界。美國宇航局已經批准了Europa Clipper任務，該任務可能會在2024年發射，2030年左右到達木星。計劃要求探測器45次飛越木衛二，在距離其冰層覆蓋的表面上空24公里範圍內觀察。未來的任務實際上是在木衛二、土衛二或土衛六上著陸，尋找複雜的氨基酸和其他生物分子，這些都是生命所獨有的。

只有一個例子（我們自己的世界），不能充分說明生命在宇宙中是普遍存在的，還是偶然的出現的。格林指出：「人們普遍認為，由於生命化石或化學證據的存在已經可以追溯到遙遠的過去，我們認為生命的起源是相當快的。人們把這理解為生命起源是非常容易的。」不過，無論生命起源簡單、困難或介於兩者之間，我們現在可以確定一件事：如果生命需要水才能誕生，那麼宇宙中絕不會缺少水。格林說：「如果我們考慮到生命的要求，那麼這個方程的水部分已經被太陽系填滿，可能整個宇宙中都充滿了『水世界』。」

Science科學創建者shkoh chao：國家計算機高級工程師，業餘天文學家和科普工作者。新浪微博認證博主，今日頭條認證科普作者，頭條問答簽約作者，騰訊企鵝科普達人，UC頭條認證科普作者，鳳凰新聞科技頻道科普作者。每天多篇前沿科學科技資訊讓你掌握一手科學信息。多篇科學探索文章，擴充你的腦容量，讓你成為大神般的十萬個為什麼的解密者。

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