文匯報科技文摘2019-11-17
“宇宙”再次成為今年的科學熱詞之一。10月初，2019年諾貝爾物理學獎頒給了“為理解宇宙演化以及地球在宇宙中的位置作出貢獻”的三位天文學家：詹姆斯·皮布爾斯、米歇爾·馬約爾和迪迪?！た逅?；10月末，在第二屆世界頂尖科學家論壇上，馬約爾和迪迪埃又不約而同地發(fā)問：除了地球之外，宇宙中的其它星球還存在生命嗎？
迄今為止，科學家們已經發(fā)現(xiàn)了4000多顆系外行星，都未尋找到地外生命的存在。但迪迪?！た迤澘隙ǖ乇硎?，人類極有可能在未來30年之內探測到外星生命，并在未來100年內了解它們。如果果真如此，那么人類又將何去何從？
寒潮編譯
無線電波信號和外星生物指紋
在浩瀚的宇宙中，人類是否形單影只？數(shù)千年來，哲學家們?yōu)榇藸幷摬恍?。十六世紀，意大利天文學家喬爾丹諾·布魯諾提出，宇宙包含“無數(shù)與地球類同的世界”。這句違背教義的假設讓他大禍臨頭。宗教裁判所認定布魯諾妄圖質疑地球在宇宙中獨一無二的地位，最終將其活活燒死在火刑柱上。
1961年，天文學家弗蘭克·德雷克提出了一個以他本人命名的公式，并據(jù)此估算出宇宙中可能至少存在數(shù)百萬個先進文明。
在此基礎上，意大利物理學家恩利克·費米提出了著名的“費米悖論”，即如果太空中真有數(shù)百萬外星文明，為什么至今杳無音訊？費米認為，一個游蕩太空的高智文明能在1億年內輕松征服一個星系。然而，自宇宙誕生138億年以來，尚無任何外星殖民者穿越星際來到地球。對此，費米發(fā)出“靈魂拷問”：大家都在哪兒呢？
過去，人類只能望星興嘆。礙于科技手段的限制，即便宇宙中存在生命跡象，我們也能很難對其精準定位；即便宇宙中存在宜居星球，我們也無法在千萬里之外對它們進行觀測。
不過，就在這幾百年間，人類的技術裝備發(fā)生了質的飛躍。二十世紀初，無線電技術的全面推廣更讓科學家們堅信，與外星人交流對話并非天方夜譚。1972年至1973年，先驅者10號與先驅者11號無人駕駛太空探測器搭載鍍金鋁板升空。這是人類首次向太空發(fā)射“漂流瓶”。八十年代后，全球各國科學家們又展開了多次規(guī)模浩大的國際合作，如“鳳凰計劃”“突破聆聽項目”等。
總體來說，向宇宙發(fā)送“漂流瓶”和針對性地發(fā)射無線電波是目前比較常用的兩種星際“通訊”方式。與此同時，人類還具備了在宇宙中主動搜尋信號的能力。在天文望遠鏡的幫助下，科學家們能夠探測到其他類太陽系行星，并通過分析其大氣成分及星體表面的物質，判斷是否有生命體存在。
隨著地球科學的深入發(fā)展，人類對生命形態(tài)也有了新的認識。此外，人類接收信號的能力也在突飛猛進。如今，我們已經掌握了區(qū)分外星文明的信號與單純的太空雜音的新技能。也就是說，只要外星人發(fā)聲，理論上人類就可以接收到這些信號。
但遺憾的是，截至目前，人類還一無所獲。對此，很多科學家都曾嘗試解答。有人說，外星人早就來到地球，只不過“隱姓埋名”。有人說，外星人也許刻意回避我們的世界，因為地球就像一處宇宙遺址，而它們的使命是守護遺產。也有人直截了當?shù)乇硎?，宇宙中壓根就沒有外星人。
其實，如果我們從宇宙生物學的角度進行分析的話，外星人存在的概率確實比較大，只是我們聯(lián)系不上而已。外星文明可能在科技層面領先我們數(shù)百萬年，對它們而言，地球上的人類可能還在用極其原始的手段與他們對話，就像電訊世界里的一群瓢蟲。
然而，科學家們的希望并未完全落空。無論是費米悖論還是德雷克公式，都有一個漏洞——兩位科學家都將目光對準了具備通訊、跋涉、殖民能力的高智生命，但可能只有很少一部分生命體符合這樣的條件。如果宇宙中真的存在其他生命，不排除它們會以另一種形式存在，比如類似地球上的微生物——它們是地球生物圈的主要構成者之一，其細胞數(shù)量遠遠超過人體細胞；又比如類似單細胞生物，它們雖然構造簡單，卻比多細胞生物早30多億年占領了地球。
如果是這樣，人類要想找到外星生命，就必須改變傳統(tǒng)的“通訊”思路?，F(xiàn)在，一種新的尋找方式開始流行起來：通過檢測其他星球的大氣層分子來尋找生命星球。因為，這些分子很可能是由這一星球上的原始微生物“定居者”釋放出來的，科學家們將之稱為“外星生物的指紋”。
外星生物可能與地球生命形態(tài)迥異
我們不妨先假設有一其他星系的“天文學家”正像人類一樣在宇宙中尋找生命星球，當這位“天文學家”把目光落在地球時，他究竟會看到些什么呢？
首先，最吸引他的一定是地球獨特的大氣層。在太陽系八大行星中，火星、金星和水星完全由礦石組成，唯獨地球被一圈由氧氣和甲烷組成的大氣層包裹著，其中氧氣占比21%——這恰恰是生命的痕跡！早在23.3億多年前，甚至在比這更早之前，地球上就有一群光合細菌與植物將太陽光轉化為能量，并輸出氧氣到大氣層，這一過程叫作“產氧光合作用”，而能“生產”甲烷氣體的產甲烷菌可能在更早之前就已經出現(xiàn)在地球上了。
上世紀60年代，科學家們發(fā)現(xiàn)大氣層中的氧氣和甲烷實際上互為“克星”：在自然情況下，它們的相遇會產生“相愛相殺”的化學反應，根本不可能大量共存于大氣層內。這就說明，一定有外界因素促使這兩種氣體源源不斷地流入地球大氣層中。反觀其他沒有生命的星球，它們的大氣層要么只有氧氣，要么只有甲烷。這一發(fā)現(xiàn)為科學家們提供了新思路：如果在某個遙遠的星球上氧氣與甲烷大量共存，那么這個星球上很可能有生命。此外，地球生命體還能產生多種特殊的分子氣體，比如氯甲烷、二甲基硫、一氧化二氮（俗稱“笑氣”）。這些氣體也能成為追蹤生命跡象的線索。
如果一個星球上不存在任何上述氣體，能不能就此斷定其為不毛之地？也不見得，因為外星生物的生存方式可能與地球生物截然不同。它們可能生活在地表下沿、巖石內部或深海底部。這些地方不容易探測，但不代表沒有生命。外星生物的組成方式甚至都可能與地球生物有著天壤之別。比如，外星生物的肌體結構可能由硅元素組成，而地球生物則由碳元素組成；外星生物的新陳代謝也許并不依靠水來完成，而是借助某種特殊的液體。如果情況復雜至此，那么科學家們必須用合成生物學和替代生物化學的知識來篩選合適的化學物質作為外星人的“指紋”。
為此，美國麻省理工學院研究員薩拉·西格爾用窮舉法列出所有與組成生命體相關的分子，并逐一進行排查。而她的同事克拉拉·索薩-席爾瓦則將目標鎖定在化合氣體磷化氫。研究這種氣體有兩大優(yōu)勢：一是它很容易被監(jiān)測到，二是它很難通過自然化學反應產生。地球上的磷化氫由厭氧菌產生，因此如果在某個遙遠的星球上監(jiān)測到磷化氫，那里很有可能存在厭氧生物。
地球依舊孤獨宇宙街區(qū)如此靜謐
提出假設本就已經很困難，而付諸實證更是難上加難?？茖W家們第一步要做的就是確定研究對象：哪些系外行星的溫度更適宜發(fā)生孕育生命的化學反應？目前通行的方法是觀察系外行星公轉至恒星正面時其亮度的變化，然而這種方式比大海撈針還要困難幾百倍。
對于一些溫度適宜的巖狀行星，科學家們則通過鑒定其大氣分子來尋找生命。比如，當恒星發(fā)出的光穿越大氣層射向某一行星時，這束光的傳播方向能夠反映出行星的大氣構成。因為氣體分子對于不同波長的光會產生不同的反應，科學家們只需將天文望遠鏡采集到的光束按波長剝離，就能根據(jù)光譜確定行星大氣中是否存在氧氣、臭氧、甲烷、水或二氧化碳等物質。
為此，天文學界已經制定了初步方案。美國國家航空航天局（NASA）計劃在2021年發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，這將是人類首次嘗試鑒定系外宜居星球的大氣成分。歐洲空間局則計劃在2028年啟動大氣遙感紅外測量“阿里爾”（Ariel）任務。
還有一些天文機構嘗試用陸基望遠鏡進行大氣勘測。但這必須先排除地球大氣層對望遠鏡的干擾，因此難度更大。比如，歐洲南方天文臺正在智利建造“歐洲極大望遠鏡”，預計將于2025年正式投入使用。這一新式天文望遠鏡不僅能在采集數(shù)據(jù)時自動減去地球大氣層的影響，還能在數(shù)據(jù)分析時精確到區(qū)分同位素之間的差異。
系外行星研究的突破性進展固然可喜，但終究有些遙不可及。相比之下，科學家們對與地球毗鄰的太陽系行星、衛(wèi)星的研究發(fā)現(xiàn)或許更能給人驚喜。比如，科學家發(fā)現(xiàn)“木衛(wèi)二”（木星的天然衛(wèi)星）的冰殼下有液態(tài)海洋，火星則有大量地下水，這些都可能是生命的搖籃。還有人猜測，外星生物可能正在“土衛(wèi)六”（土星的最大衛(wèi)星）的液態(tài)甲烷湖泊中暢游。
雖然研究人員各執(zhí)一詞，研究成果五花八門，但至少可以說明地外生命并非科學幻想。當然，光有信心并不足以成事。今后的科學研究必須做到數(shù)據(jù)更準、調查更透、視野更遠，今后的科學研究成果也必將顛覆人類對宇宙以及自身的認識。
科幻作家亞瑟·克拉克曾說：“只有兩種可能：要么人類在宇宙中形單影只，要么不是。這兩種結果同樣令人膽寒?！比绻呛笳撸敲慈祟惪赡芤膊贿^是宇宙規(guī)律下的一種生命樣式而已，除了分子結構不同，我們與外星生命實則同根；如果是前者，那么這也就表明，即便是在人類定義的“宜居環(huán)境”里，簡單的化學反應與孕育生命之間依然存在著不可逾越的鴻溝。人類會認清自身的價值并不惜一切保護地球，因為這是我們唯一的家園。
