系外行星上的生命線索

文 柯文采

譯 程思淼

柯文采（Thijs Kouwenhoven）

西交利物浦大學數學科學系

地球反射的太陽光混合了來自光滑表面的蔚藍色色調，這就是液態水海洋存在的證據。對陸地反射的太陽光進行的光譜分析表明植物藉以將陽光轉化為化學能的綠色分子——葉綠素的存在。同一地區夜晚的照片則顯示出人為的光源和城市的位置。這些生命和技術標誌可以用來確定一顆系外行星上是否有水和生命。本圖由國際空間站（ISS）的宇航員在地中海上空400千米的軌道上拍攝。圖片來源：ESA/NASA

近十年來，天文學家已經新發現了將近3000顆系外行星。將來，隨著更多用於搜尋系外行星的新衛星發射升空，這一數字還會增長得更快。

研究者最初關心的主要是儘可能多地發現系外行星，並且確定它們的質量和軌道。近年來，人們的關注點已經更多地轉向行星更為特殊的性質，如化學組成、自轉周期和大氣特徵（如，系外行星上的雲）。在恆星宜居帶內運行的岩石質行星尤其受到重視，因為這類行星與地球最為相似。地球是宇宙中已知的唯一一顆存在生命的行星。鑒於宇宙中的系外行星為數眾多，幾乎可以肯定，還有其他存在著生命的行星。但怎樣才能科學地判斷一顆行星上是否存在生命（即使地外生命可能與地球上的生命完全不同），這是地外生物學家試圖回答的最重要的問題之一。對於致力於探測其他行星上生物的天體物理學家來說，首先關心的是所謂的「生命標誌」（biosignature）。生命標誌是指系外行星上所有可測量的、與生命有關的跡象，比如，某顆系外行星大氣中存在大量氧氣，這就屬於生命標誌。

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詳察地球

圖1 這是旅行者1號飛船於1990年拍攝的地球照片，那時它距地球60億千米。圖中淡藍色的小圓點，就是那顆我們每個人都生於斯、死於斯的星球。藍色表明海洋中存在著水，而大氣乾淨清澈。圖中的彩色光帶，是由於在如此遙遠的距離上，太陽和地球看上去十分接近，太陽光散射進入旅行者1號的相機造成的。圖片來源：NASA

在尋找可能出現在系外行星上的生命標誌之前，很有必要先仔細看看我們的地球。通過一幅地球的衛星照片，我們能發現這是一顆表面有水、植被、沙漠、雲和冰的行星。延時動畫能揭示出地球的自轉周期、風以及季節對地球表面顏色的影響。光譜觀測可用於測量溫度、氣壓和空氣的成分。我們已經知道，大量氧氣、二氧化碳、甲烷、臭氧與生命的存在有關。更精確的光譜觀測還可發現地球表面的葉綠素分子——植物會利用它們把陽光轉化為化學能。近一個世紀以來，城市的燈光變得越發不可忽視，用於通信的無線電波也已經源源不斷地向宇宙深處傳播出去。

發射於1977年的旅行者1號飛船是目前離地球最遠的人造物。看看這超過220億千米（約145天文單位）的距離，可以說旅行者1號是從夠遠的地方回望地球了，但比起最近的系外行星到我們的距離——44萬億千米——來說，這個距離還是太短了。

20年前，旅行者1號發回了它「眼中」的地球——一張蔚藍色小圓點的照片。雖然那時的觀測設備還不夠精確，沒法觀測到任何生命的跡象，但這蔚藍的顏色本身就提供了關於地球表面和大氣性質的信息。系外行星研究也利用類似的技術來確定那些遙遠世界的性質。通過仔細地監測系外行星發出的光（和其他形式的輻射）以及分光技術，科學家能夠了解系外行星上發生的各種大氣、地質和生物學過程。

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宜居標誌和生命標誌

圖2 卡西尼號土星探測器給出的雷達圖像為我們揭示出了分布於土衛六表面的各處湖泊，其中用藍黑色標示出來的就是液態碳氫化合物。圖片來源：NASA/JPL-Caltech/ASI/USGS

對宇宙中生命的搜索總是從尋找存在液態水的行星（或衛星）開始。

儘管地外生命可能跟地球上的很不一樣，但很多科學家仍然相信，液態水是整個宇宙中生命的基本成分。這是因為水是宇宙中最常見的分子之一，它處在液態的溫度範圍很寬，它與氧元素（宇宙中最常見的原子之一）共存時化學性質穩定，而且它還具有很多優良的化學性質。

一顆恆星的宜居帶，是指在一個行星系統中，其溫度允許液態水在行星表面存在的區域範圍。因此，宜居帶中的行星是搜尋宜居環境的首選目標。如果只是行星表面的某個區域對液態水來說太冷了（如地球上的南極洲），一顆行星也仍然可以孕育生命；或者行星的橢圓軌道偏心率很大，表面的液態水只能周期性存在，這也不是問題。不過，即使一顆行星位於宜居帶的正中間，這也並不能保證它的表面一定就有液態水。最典型的例子就是月亮，它到太陽的距離跟地球的基本一樣，但由於它沒有大氣，也就無法留住表面的液態水。除此之外，金星和火星也在宜居帶里（儘管接近邊緣），但它們大氣的性質也阻礙了液態水的存在。很明顯，一顆行星能否在其表面擁有大量的液態水，大氣起著決定性的作用。

要找到擁有大量液態水的行星，最直接的方法就是獲取高解析度的圖像，並在其中找出大陸和海洋。不過，由於系外行星極其遙遠，要做到這一點並不容易。而且，要辨別一幅圖像中的海洋是由水構成的，還是由其他物質組成的（如土衛六表面的液態碳氫化合物海洋），這也同樣困難。顏色能為液態水提供最初的線索，尤其是海洋呈現出藍色時。測量海洋的亮度在長時間裡的變化，能夠提供更多信息。海洋能反射的恆星光的多少，取決於它的化學組成，也取決於行星繞恆星運行的軌道。最後，光譜觀測能夠提供決定性的答案：由於每種分子在其反射或發射出的光中都會留下特定的「指紋」，所以只要我們將光線分成不同顏色的組分進行分析研究，就能夠確定一顆系外行星上海洋和大氣的化學組成。

確定了一顆系外行星上有廣闊的液態水海洋之後，我們還是不知道上面是否存在著生命。而研究其他的分子，如氧氣和二氧化碳，可以探測生命的存在。這裡，情況變得複雜了，因為它很大程度上取決於地外生命本身的化學機制。我們有足夠的理由假定，地外生命也使用碳作為構建其框架的磚石：碳是宇宙中最常見的化學元素之一，它也是極少數能夠組合成高度複雜的分子的化學元素之一。由於我們對地球之外的生命一無所知，下一步最好是去尋找那些與地球上生命化學機制有關的分子，也就是指那些與需要液態水的碳基生物有關的分子。

由於（在某種程度上）已經能夠藉助光譜確定系外行星大氣的性質，下一步最簡單的方法就是測量大氣中與生命有關的成分的比例，特別是那些如果沒有生命，將會很快消失的成分，如氧氣（O2）和臭氧（O3）。其他在地球上與生命有關的氣體，如二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4），它們也有可能是火山噴發所造成的，所以把它們用於生命標誌時要謹慎。簡要說來，我們要找的是那種看起來嚴重偏離自然化學平衡的大氣。如果一個大氣層包含大量在正常情況下無 法共存的氣體組分，那麼很可能存在著一個生物圈在不斷製造這些氣體。

如果一顆系外行星的大氣層是透明的，那麼對其反射的恆星光的光譜分析，還能得到關於其表面的信息。眾所周知的例子是地球上的植被。在任何一張從太空拍攝的地球照片里，你都能清晰地看到綠色的植被。除了綠色，植被在其他波段也能被觀測到，值得一提的如紅外波段的「紅邊」效應（譯者註：由於葉綠素對可見光吸收率很高而對紅外線吸收率很低，而植物的細胞結構相當於一個小角反射器，因而植被在紅光到近紅外波段的狹窄範圍里反照率陡然上升，稱為「紅邊」）。類似地，我們也可以探測到系外行星表面覆蓋的生物。

地球大氣和表面的生物標誌會隨著時間而改變，而這一改變是可以測量的。例如，由於植被季節性地隨溫度變化，北半球很多國家的顏色會從夏天的綠色變為冬天的棕色。類似地，大氣的組分也有季節性的變化。由於溫帶森林和人口大多位於北半球，而冬天樹木落葉，人們生火取暖，因此，地球大氣中二氧化碳的含量在北半球冬天時也會升高。未來幾十年里，我們也會在系外行星上觀測到這種變化。

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來自過去的線索

圖3 圖中是由位於夏威夷的莫納羅亞（Mauna Loa）觀測站測量得到的1960年至今地球大氣中CO2的含量變化。如果地外文明能夠觀測到地球並測量地球大氣中的CO2含量，它將通過生命和技術標誌找到生命存在的證據。首先，CO2水平的周年變化源於植被對季節性氣溫變化的反應（生命標誌）。其次，由於人類技術活動的影響，CO2含量自工業革命以來逐年上升（技術標誌）。圖片來源：NOAA/ESRL

大約在40億年前，地球上剛形成海洋之後不久，生命就在地球上出現了。那時，空氣中沒有氧氣，天空的顏色是跟土衛六一樣的棕黃色。大氣中大量的甲烷在最初的液態水海洋中引發了生命的形成。大約23億年前，出現了最初的生氧細菌，大氣的組成隨之發生明顯變化。在之後的幾億年里，氧氣的含量升高到足以毒死地球上大多數生命的水平。同時，其他能夠 利用氧氣的生命形式逐漸演化出現。從那時起，大氣的化學組成，特別是氧氣和二氧化碳的含量，開始取決於植物、動物和細菌之間的平衡。在10億年間，它們的含量不斷變化。最終，二氧化碳的含量重新開始上升。自工業革命以來，大氣中的二氧化碳含量已經上升了40%。

上述歷史數據表明，即使在地球上，我們已經知道它的生命化學機制，但大氣的性質也會隨時間而發生顯著的變化。因此，讓我們對觀測到的系外行星進行解釋將仍然是一個嚴峻的挑戰。

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技術標誌：先進地外生命的證據

圖4 從地質年代的尺度上看，地球大氣的化學組成變化顯著。大約40億年前，當地球冷卻到液態水可以存在之後，海洋形成了。隨著生命的誕生，氧氣水平開始上升，二氧化碳含量則下降。本圖表明，有生命的系外行星在不同階段會有完全不同的大氣組成，我們能探測到的生命標誌也會有顯著變化，這使得探測來自其他世界的生命痕迹特別具有挑戰性。圖片來源：V.M. Ponce

生命能夠改變一顆行星的表面、海洋和大氣。這個過程在地球上已經持續了數十億年。然而，最近100 年來，在我們的地球上出現了一些值得注意的現象：詹姆斯·瓦特（James Watt）改良蒸汽機，觸發了一次全球變化的進程。二氧化碳水平增加40%之後，大氣層的生命標誌改變了。隨著城市、沙漠和農田逐漸取代森林，地球表面的光譜特徵也改變了。地表水面的比例發生了變化，特別是在北極地區，那裡覆蓋的海冰正逐年縮減。如此巨大而迅速的變化，也許能夠在遙遠的地方被觀測到。同樣，我們的望遠鏡也能看到系外行星上如此急劇的變化。當然，如果我們真的觀測到這樣的變化，那我們的運氣一定非常好：畢竟比起一顆行星上生命演化的周期來，一個文明發展的周期是非常短暫的。

隨著城市照明的數量呈指數增長，現在甚至地球的夜半球也能被觀測到。換句話說，如果一個地外文明觀測地球的瞬時光譜，它將觀測到橘黃色鈉燈和發光二極體（LED）以24小時為周期明滅變化的光信號。由於所有電磁輻射都以光速傳播，我們最早的無線電和電視信號現在已經在宇宙中擴散了大約100光年遠。這一區域內包含著數百顆恆星，其中一些我們還知道它們擁有位於宜居帶中的行星。基於這一認識，科學家在幾十年前開始了「地外文明探索」（Search for Extraterrestrial Intelligence，SETI）項目。SETI項目旨在「聆聽」來自周圍恆星的地外無線電信號。然而儘管付出了許多努力，在許多頻率和時間尺度上開展監測，我們至今尚未發現這樣的信號。有的天文學家認為，先進文明利用能量的效率很高，不會任由無線電輻射流失到宇宙中。其他的天文學家認為，技術文明在我們的星系中極其罕見。還有一些天文學家則認為，大多數地外文明會盡量保持靜默，以避免被潛在的敵人探測到。

除此以外，還有巨型結構和其他類型的技術標誌。進入太空時代的先進文明可能會開始建造行星際交通網、大型空間站，甚至恆星尺度的戴森球。不過，這類結構的存在目前還只是推測，而且我們已經說過，先進文明不會任由它的輻射能量散失到宇宙中，而被地球上的天文學家觀測到。技術標誌還包括較小的技術， 如在銀河系中穿行的機器人探測器，甚至是馮·諾依曼（von Neumann）探測器（譯者註：馮·諾依曼探測器是指能夠利用探測環境——如一顆岩石質行星——的物質自我複製的探測器）。當然，到目前為止，也還沒有發現這種機器人探測器存在的任何證據。

旅行者號、先驅者號和新視野號飛船已經相繼飛越過柯伊伯帶，踏上了離開太陽系之旅，它們將在接下來的幾十億年中穿越銀河系。儘管幾率很小，但在遙遠的將來，它們還是有可能被地外文明發現的。對他們來說，這些飛船將是他們在宇宙中並不孤單的證據。不過到那時，地球上恐怕已經沒有人類存在了。就我個人來說，我認為人類如果能夠在地球上生活到2200 年，那已是令人驚嘆的事了。就當今世界的變化速度來看，我懷疑到2200年時，我們不是成為了太空文明，就是已經滅亡了。

上面的思考也提示我們還有最後一類技術標誌：它與考古學的研究領域相關。在地球上，化石提供了跨越地質年代的信息，使我們得以重構恐龍時代地球的精確圖景。我們還能發現久已消失的舊文明的證據，如埃及的吉薩大金字塔。通過研究這些文化遺迹，我們能了解之前的文明。同樣道理，將來如果我們發現了地球之外的技術標誌（如無線電通訊信號或廢棄的太空探測器），那麼幾乎可以肯定，這個文明不是已經滅亡了很久，就是已經發展成了一個比我們所了解的要先進得多的社會了。

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未來可期

圖5 2018年，科學家利用哈勃空間望遠鏡（HST）在系外行星WASP-39b的大氣中探測到了水。鑒於現在已經能夠測量系外行星大氣的化學性質，未來十年探測到生命標誌的可能性也越來越大。不過，雖然探測到了水，WASP-39b並不宜居。它是一顆土星質量的氣態巨行星，表面溫度高達750攝氏度。圖片來源：The Astrophysical Journal/Wake ford et al. (2018)

搜尋系外行星是天體物理學研究的一個活躍領域。近幾年來，歐洲、中國和美國都在此領域取得了大量的進展。現在，天文學家已經能夠測量系外行星的溫度和大氣的一些性質，位於宜居帶內的類地行星尤其受到關注。水、一氧化碳和二氧化碳都在系外行星的大氣里被發現了，現在的工作主要是測量氧氣、臭氧和甲烷。有了這些測量結果，天文學家、生物學家和地質學家就能發展出模型，預測哪些行星上可能有生命。我預計，地外生命的第一批（間接）證據將來自生命標誌，而且以微生物為主角。儘管可能並不起眼，但它確實有助於回答這一對於所有科學來說意義都十分重大的問題：我們在宇宙中是孤單的嗎？

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