天文新知/無垠宇宙 這樣能找到外星生命?

「分子雲」。

表面上看,宇宙是黑暗的、寒冷的,並且充滿了致命的輻射,但是,生命或許已經找到了在宇宙中生存的方法。

根據新浪科技報導,當我們思考外星人是否存在的問題時,我們通常會想像他們生活在一個大致類似地球的行星上,而這顆行星圍繞著一顆恆星運轉。我們通常不會認為他們獨自生活在太空之中。不過,這或許並不是一個荒謬的想法。2016年4月,有研究者報導,一些構成生命的基礎成分能夠在嚴酷的環境中——類比星際空間的條件——由簡單的物質生成。

法國尼斯大學的科妮莉亞·邁納特及其同事的研究表明,當暴露在紫外線(在太空中廣泛存在)下時,由冰凍的水、甲醇和氨的混合物——已知所有這些分子都存在於恆星形成的巨大『分子雲』中——能夠轉化為多種糖分子,其中就包括核糖,這是核糖核酸(RNA)的重要組分。

這一結果意味著,生命的基礎分子可能是在太空中形成的,然後透過冰彗星和小行星擴散到地球。實際上,這一發現並不出人意料。我們幾十年前就已經知道,其他組成生命的基礎成分能夠從類似的化學反應中形成,之後再融合到彗星、小行星和行星上。

然而,存在一個更加有趣的可能性。生命本身可能並不需要一顆溫暖、舒適,沐浴在陽光中的行星。如果原始的配料已經存在於行星之外的太空之中,生命是否有可能在哪裡開始呢?

對生命起源的討論並沒有經常考慮這一場景。要搞清楚生命在早期地球如何起源已經足夠困難了,更不必說溫度接近絕對零度,並且近乎真空的星際空間了。製造生命的基礎分子,如糖和氨基酸等,其實並不困難,有很多化學上可行的方式,從早期太陽系中就可以找到起始的簡單分子。

困難的部分在於,如何使這些複雜分子組合起來,形成某種能夠完成生命過程(比如複製和代謝)的東西。沒有人做過這些,也沒有人能提出一種在營養物質豐富的環境中(比如一顆溫暖的岩石星球)完全可行的、描述該過程可能發生的機制,更不用說是在太空裡了。

不過,關於生命為什麼沒有在遠離任何恆星、被視為貧瘠荒漠的星際空間中出現的問題,還沒有得到根本性的解答。這裡我們來描述一下可能發生的過程。

舉一個極端的例子,我們可以想像某種類似經典科幻小說《黑雲》(Black Cloud,天文學家弗雷德·霍伊爾發表於1959年)裡面描述的同名物體:一種有感知能力的氣體,漂浮在星際空間,並驚訝地在一顆行星上發現了生命。但是,霍伊爾並不能給出合理的解釋,來說明一種未詳細說明化學組成的氣體如何變得有智慧。我們可能需要想像一些更加實實在在的東西。

無垠宇宙:外星生命存在這里...

儘管我們不能確定所有的生命都是碳基生命,就像地球上的生命一樣,但還是有理由認為這種可能性其實很大。在作為複雜分子的基礎成分方面,碳比硅——對外星生物化學的推測中最受歡迎的元素——更加多能。

英國愛丁堡大學的宇宙生物學家查爾斯·科克爾認為,地球生命的普遍基礎——基於碳並且需要水——『反映了一種宇宙常態』。他承認道:『我有一個相當保守的觀點,即被科學普遍證明的都是誤入歧途的。』儘管如此,現在我們還是限定在碳基生命,它們如何在外太空產生呢?

基本的化學不是問題。除了糖類,地球生命還需要氨基酸——蛋白質的基礎構件。我們已經知道,氨基酸也可以在外太空中形成,因為在從未接觸行星表面的『原始』隕星上,就曾發現過這類物質的存在。

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這些氨基酸以冰晶的形式出現,來源是某些類似『Strecker合成』(以19世紀發現該反應的德國化學家命名)的化學反應。這種反應涉及到一些簡單的有機分子,如酮類或乙醛,能與氰化氫和氨結合。另一方面,由紫外線觸發的光化學反應也能導致氨基酸的形成。

乍看之下,這些反應似乎不應該在太空深處發生,那裡既沒有熱,也沒有光來驅動反應的進行。在低溫、黑暗的環境下,分子即使互相碰撞,也沒有足夠的能量使化學反應開始。這些分子就好像跑到一堵過高的牆之前,怎麼也無法越過去。

然而,在20世紀70年代,蘇聯化學家Vitali Goldanski獲得了不同的結果。一些化學物質可以在冷卻至只比絕對零度高4度的條件下進行反應,這一溫度與太空的低溫相差無幾。它們只需要一點點來自高能輻射,如伽馬射線或電子束——比如充斥在太空中的宇宙射線——的幫助。

在這些條件下,Goldanski發現碳基分子形成了乙醛,後者在分子雲中十分常見,能連接形成長達數百個分子的聚合物鏈。Goldanski認為,這種太空條件下的反應可能幫助了生命基礎分子的形成,所用的材料包括氰化氫、氨和水等簡單分子。

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然而,要把這些分子加以整合,形成更加複雜的形式,就要困難得多。高能輻射或許能觸發第一步反應,但接下來就開始成為問題了。紫外線和其他形式的輻射能導致科妮莉亞·邁納特所展示的那些反應,但科克爾稱,這些輻射摧毀分子的能力與合成分子的能力一樣厲害。潛在的生物分子——最初的蛋白質和RNA——被破壞的速度可能遠比它們形成的速度快得多。

『終極的問題是,其他完全外星的環境是否會導致能自我複製並演化的化學系統,』科克爾說,『我沒有看到這一過程為什麼不會在極冷環境中,或者在冰晶表面上發生的原因,但總體而言,我認為這些環境並不是非常有利於極複雜分子的形成。』

行星提供了兩種更加溫和的能量來源:熱量和光照。地球上的生命絕大多數都從陽光獲取能量,以此類推,圍繞著其他恆星的『系外行星』肯定也會擁有自己的能量來源。

關鍵的熱量還可能來自其他地方。一些科學家認為,地球上最初的生命並非依賴太陽能,而是在深海熱液口附近,獲取來自地球內部的能量。即使是今天,這些熱液口依然能提供溫暖並富含礦物質的原料。

在木星的主要衛星上也有熱量,源自木星對其施加的巨大潮汐力。潮汐力能擠壓衛星內部,通過摩擦產生熱量。正是這些熱量,使冰凍的木衛二(歐羅巴)和木衛三(蓋尼米德)的次表層融化成為海洋,使木衛一(伊奧)的表面變得熾熱,充滿火山活動。

在星際空間中,附著在冰晶表面的分子很難找到這樣的能量來源,但那裡可能存在著另一些選項。1999年,加州理工學院的行星學家大衛·史提芬遜提出,星系中可能存在著眾多的『流浪行星』,漂浮在恆星系統的範圍之外,遠離它們『母恆星』的引力作用,也無法得到熱量或光照。

史提芬遜稱,這些行星的形成可能與其他常規的行星一樣,靠近一顆形成不久的恆星,處於恆星周圍的氣體和塵埃星雲之中。後來,大型行星(比如我們太陽系中的木星和土星)的引力牽拉,可能導致一些行星『走入逃脫軌跡』,將它們推離原先的恆星系統,進入空曠的星際空間。

看上去,它們的未來似乎注定要與寒冷、貧瘠為伴,但史提芬遜爭論稱,情況恰恰相反,這些流浪行星可能是『宇宙中最常見的誕生生命的地方』——因為它們可能保持著足夠溫暖的狀態,從而支援液態水的存在。

在內太陽系的所有岩石行星,都具有兩種內在的熱源。首先,每顆行星都具有一個熾熱的內核,保留著最初形成時的原始能量。在內核之上,保留著放射性元素,透過它們的衰變給行星內部加熱,就好比一整塊鈾摸起來是熱的一樣。就地球來說,地幔中放射性元素的衰變貢獻了大約一半的地熱能量。

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岩石流浪行星的原始熱量和放射性元素衰變可以在數十億年裡持續提供溫暖,或許還足以維持行星活躍的火山活動,並提供生命開始孕育所需的能量。流浪行星還可能具有密度較大,並能保留熱量的大氣層。與木星、土星等大型氣體行星相比,地球的大氣層顯得十分稀薄,因為太陽的熱量和光照驅走了較輕的氣體,如氫氣。水星就因為與太陽的距離太過接近,因而幾乎沒有大氣層存在。

不過,在與地球體積差不多的流浪行星上,由於遠離母恆星的影響,它們最初的大氣層可能還會保留著。史提芬遜估計,最終這些行星上的溫度和壓力可能足以維持表面液態水的存在,即使沒有任何光照。

此外,流浪行星還不會受到大型隕星的威脅,就像地球曾經經歷的許多撞擊事件。它們甚至可能因為從原先恆星系統中帶出來一些衛星,從而獲得借助潮汐力進行加熱的好處。

即使流浪行星不具備較厚的大氣層,它也可能適合生命存在。2011年,芝加哥大學的行星學家多里安·阿博特和天體物理學家埃里克·斯威策計算得出,體積大約為地球3.5倍的行星可能會被厚厚的冰層覆蓋。在這種情況下,由液態水構成的海洋會被隔絕在許多千公尺厚的表面冰層之下,由行星內部的能源提供熱量。

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『總體的生物活動會比地球這樣的行星要少,但還是能夠獲得某些東西,』阿博特說道。他希望,在未來幾十年裡,當太空探測器對木星那些冰凍衛星的亞表層海洋進行調查的時候,我們能獲得更多有關流浪行星冰層之下生命出現可能性的資訊。

阿博特和斯威策將這些孤獨的行星稱為『荒原狼行星』,因為『任何在這種奇特環境中出現的生命就像一只形單影只,在冰川荒原上漫遊的狼』。阿博特說,這樣的行星上存在生命的時間可能長達數十億年,與地球類似。

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如果這些說法都成立,那麼在我們的太陽系之外,那些在星際空間裡『流浪』的行星,可能正是系外生命存在最有可能存在的地方。在如此遙遠的距離,以及光照微弱和本身體積較小等原因,我們很難發現它們。但是,阿博特和斯威策表示,在些許運氣的幫助下,如果一顆這樣的行星在千倍於日地距離的範圍內經過,就能從它反射的極少量陽光,以及其本身的紅外輻射將其辨別出來。我們有希望利用目前觀測系外行星的望遠鏡來找到這些行星。

阿博特和斯威策稱,如果生命可以在星際空間裡的『荒原狼』行星出現並存活,那很可能就意味著:生命『肯定在宇宙中廣泛存在』。在這些流浪行星上的生命形態可能會非常奇特。想像一下在無盡黑暗中,沐浴在溫暖火山溫泉裡的情景——有如冬季在冰島度假。但是,對身處這種環境下的外星生命來說,這就是家。

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