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太空深处生命的搜寻

太空生命浩瀚的宇宙,是否只有我们孤独的地球生命?在太空深处是否也有像地球一样蓝色的家园?近年来,搜寻太阳系外生命的研究是最引人注目的研究领域之一。这一领域的研究不仅涉及到人类自身的起源问题,也是现代科学与高技术密切结合并推动技术迅速发展的典型例子。

地球上的生命现象在宇宙中是否唯一

许多孩子都会问父母:“我是从哪里来的?”人类作为有智慧的生物,在其出现后也一直在问自己同样的问题。几乎所有民族最早的故事和童话中都有人是怎么被造出来的传说,这些传说有的在后来发展成了宗教故事。这些故事有一个共同之处,那就是人是特殊的,是由某种未知的神奇力量造出来的,因此宇宙中只有地球上才有有智慧的人类和其他生物。

人类文明的发展当然不会停留在故事上。关于生命起源的问题始终是人类怀着极大的好奇心希望了解的问题。16世纪,哥白尼首先基于天文观测指出:地球并非宇宙的中心。接着,布鲁诺提出:宇宙中存在着无数个太阳,有无数个地球围绕着这些太阳转动。他因此被指责为异教徒而被活活烧死。

到了20世纪初,美国天文学家哈勃以大量的观测事实证明:即使银河系也并非是宇宙的全部,在银河系之外还有着无数大大小小的与银河系类似的星系,它们每一个都由无数个类似太阳的恒星组成。这些大大小小的太阳通过核聚变产生并向周围辐射能量。我们的太阳仅仅是这无数太阳中的一个,而且并不特别。

自从人类认识到这一事实之后,各种关于外星人的科幻电影和不明飞行物的报告便时时出现。但是,迄今为止,尚没有任何发现外星人的确凿证据。尽管如此,人类从未放弃对太阳系外生命的探索。这种探索首先是搜寻与地球上相同或类似的生命现象,包括对太阳系外行星的搜寻。

因此,怎样根据远处的观测,判断一颗行星上是否存在大规模生命现象也是科学家们研究的一个重要课题;再者,宇宙中是否还存在着与地球上不同的生命形式也是一个激动人心的研究课题。生命的起源、演化和太阳系外生命的搜索目前已经成为一门集各学科分支于一体的综合性学科。在高技术的支撑下,这些研究在近年取得了重要的进展,同时也提出了更多有待解决的问题。

其他恒星也会有行星和行星系吗

对太阳系其他行星或某些大行星的卫星上是否存在生命的研究已经进行了相当长的时间。迄今的研究结果表明,所有太阳系其他天体上不像存在着有智慧的生命。而在某些星球,如火星、木星的卫星木卫一和木卫二上是否具有维持生命现象存在的条件,甚至存在着某种形式的生命,这方面长期以来一直存在着争论。正在进行和拟议中的一系列空间计划有望在不久的将来对此给出可靠的答案。

与此同时,人们也将眼光转向太阳系外的其他恒星。天文学家一直在努力寻找近距离恒星的行星,但是,由于行星本身并不发光,只能反射恒星所发出的光,而通常恒星比绕它运动的行星要亮100万倍至几十亿倍,因此,处在明亮的恒星周围的行星所反射的微弱的光将完全被眩目的恒星光芒所掩盖。此外,由于太阳系外行星距离我们非常遥远,恒星与绕其运动的行星间的视角非常之小,因此,观测哪怕是近邻恒星的行星也要比人们从北京观测远在数千公里外的西南边陲昆明市的一个聚光灯旁的小虫子困难。

直到1995年,天文学家才第一次确切地观测到了绕太阳系外恒星运动的行星。自那以后,太阳系外行星便一个接一个地被发现。迄今为止,已发现了八十几颗。但是,所有这些太阳系外行星都并没有真正被发现者“看到”,天文学家只是通过观测恒星本身在围绕它运动的行星的引力作用下的表现来确定其附近必然存在着行星的。

行星之所以围绕恒星转而不会逃离恒星,是由于恒星对行星有引力作用。与此同时,行星也同样会有引力作用在恒星上,这个作用力也必然导致恒星运动。但是,由于恒星比行星重得多,因此,因行星对恒星的作用而引起的恒星运动也比行星要微弱得多。根据万有引力定律和牛顿运动定律,当一颗恒星只有一颗行星时,此行星和恒星将围绕一个共同的中心,即它们的质心运动。而且,恒星和行星的运动速度和轨道大小与它们的质量成反比。由于恒星的质量比绕其运行的行星大得多,因此,恒星的运动速度或运动范围也比行星小很多。

实际上,恒星在其行星或行星系的作用下只有非常轻微的晃动。以太阳和地球为例:仅由地球引力引起的太阳的运动速度不到10厘米/秒,由此引起的太阳晃动的轨道的大小只有太阳半径的万分之几。较大质量的行星会引起太阳较大的晃动。像太阳这样具有多个行星的恒星则会呈现复杂的晃动。通过对恒星晃动的观测,可以判断在此恒星周围是否存在着行星。观测恒星晃动的方法之一是精确地测定恒星晃动时的位置变化,即精密天文测量法。但现有的望远镜远远不足以测量出恒星由于其行星的引力作用而引起的位置上的变化。

光干涉技术能够大大提高望远镜的测量精度,使地面天文望远镜探测到恒星的小至20微角秒的晃动。如果这样的晃动是由一颗与恒星相距一个天文单位 (地球到太阳的距离叫做一个天文单位,约为1.496×108公里) 处的行星的引力所引起的,而假定这颗恒星与地球相距10秒差距(1秒差距约为3×1013公里),那么,要引起可以被观测到的这种大小的晃动,行星质量至少应是地球的66倍。

计划发射的空间干涉望远镜的观测精度可达2微角秒,这样,在上述同样条件下,行星质量只需地球质量的6.6倍就可以被探测到。尽管如此,精密天文测量法也只能探测到不远处恒星的大质量行星,而难以探测到与地球大小类似的所谓类地行星。迄今,还没有一颗太阳系外行星是用这种方法发现的。

另一种方法是观测恒星因其周围行星的引力作用而产生的效应。当恒星受行星引力作用而有细微的晃动,且行星的轨道平面相对于地球是倾斜的时候,恒星有时会朝向地球运动,有时则会离开地球运动。观测它所辐射出的某一已知波长的光,则在它朝向地球运动时,接收到的光的波长会向短波方向移动,即频率会增高;反之,在它离开地球运动时,接收到的光的波长将向长波方向移动。这种现象称作多普勒效应。利用地面或空间的大型望远镜获取恒星的高分辨光谱,并观测其中已知波长的谱线的来回移动,就可以判断某一恒星周围是否存在行星或行星系。迄今为止,大多数太阳系外行星正是用这种方法发现的。

天文学家还可以利用地面大型望远镜探测到恒星的低至3米/秒的往复运动。行星质量越大,距恒星越近,它所导致的恒星的往复运动的速度就越快。所以,用这种方法也比较容易发现质量大并与恒星距离近的行星。

除此之外,行星的存在还可能产生其他可观测的效应。如果行星在绕恒星运动时正好通过地球与恒星之间,那么,从地球上观测,此行星就会遮挡住一部分恒星的光。通过非常精密的测量就会发现,恒星变暗了一点,其变暗的时间长短取决于行星与恒星的距离,而变暗的程度取决于行星的大小。由于行星是绕恒星作周期运动的,因此,这种恒星亮度的变化也会呈现周期性。从恒星变暗的周期和变暗的程度,可以估计出行星的大小和轨道。

设想一颗类似太阳的近邻恒星,它有一颗与之相距1个天文单位的行星。如果此行星的大小与木星类似,则它将遮挡住此恒星的1%的光。这种亮度变化是目前可以观测得到的。但如果此行星如地球大小,则它仅能遮挡住恒星的不到万分之一的光。目前的望远镜还难以分辨如此微弱的亮度变化。因此,目前用这种方法也只能观测到较大的近距离行星。

引力透镜方法也被认为是探测太阳系外行星的一种可能的途径。引力透镜是爱因斯坦的广义相对论所预言并已被大量观测事实所证实的一种效应。按照广义相对论,大质量物体会使时空弯曲,因此,通过它附近的光也会发生偏转,使光线会聚,就像光线通过棱镜时一样。这种效应称为引力透镜效应。在行星经过恒星的前面时,由于引力透镜效应,观测者会看到恒星变得比往常亮。引力透镜效应在行星并不遮挡恒星时也会产生,因此,出现的可能性更大。实际上天文学家在大约十年前就已开始用引力透镜效应寻找不发可见光的天体并取得了成功。

如上所述,所有这些搜寻太阳系外行星或行星系的方法都是间接的,而且在目前的技术和设备能力下,用这些方法只能发现质量较大且距恒星较近的行星。这就是目前已发现的行星大多数都是质量与木星相当且距恒星较近的行星的原因。

直接观测太阳系外行星的计划

人类是永远不会在探索新世界上满足于现状的。人们不仅要用间接的方法探测太阳系外的行星,更要直接地“看到”它们。不仅要看到太阳系外的大质量行星,而且还要看到类似地球的所谓类地行星。特别是要通过观测了解这些行星的性质,如它们的大小、轨道、大气成分等,研究它们是否曾经维持过或正在维持着大规模的生命活动。

从理论上来说,较大的望远镜可以收集较多的星光,获得较高的分辨率,从而可以观测到较暗弱的天体,同时也可以分辨开相距较近的天体,因此,似乎只需要发射一个足够大的望远镜就可以观测远处恒星附近的类地行星了。但事实上,要实现上述目的,望远镜的大小至少必须比足球场还要大。而且,地球大气湍流的影响会使得地面望远镜难以达到如此高的分辨率,而发射如此巨大的空间望远镜,并使它能够精确地对准和跟踪观测对象显然也是不现实的。

目前,“直接”观测太阳系外行星和行星系的方法主要分为两类:第一类是受观测太阳日冕活动的启发。日冕是由太阳表面附近的一种等离子体的辐射引起的。科学家们设计了一种称为日冕仪的装置,它能够将太阳发光的盘遮挡起来,以清晰地观测日冕活动的图像。人们据此设计了一种设备,希望通过遮挡住恒星的光以实现观测到恒星附近的行星的目的。

但是,这一装置的工作原理与日冕仪非常不同,因为要分辨开恒星与其近邻的行星,需要的分辨率必然很高。由于光的衍射效应,对圆形的孔径,每个恒星的像将成为一个亮斑和一系列明暗相间的圆环。由于中间的光斑和内部的若干圆环异常明亮,会掩盖住行星的光,因此需设法遮挡。如果将望远镜的等效孔径设计为其他形状,则衍射环的形状也将改变。这时如果让望远镜转动,则行星在望远镜上的像将会移动,并经过暗条纹区,这样,人们就可以“看到”行星了。这一方法的优点是可以在可见光波段工作,并且探测器无需制冷。但是,它需要观测接收器件非常高的动态范围和大望远镜。

另一类方法是利用光的干涉效应。天文学家从二战后就开始发展射电干涉望远镜,并在天文学的一系列重要发现中起到了特殊作用。但是,在波长较短的波段,干涉较难实现。观测行星最好是在红外波段,因为行星不发射可见光。但它们有一定的温度,因此必然会产生红外辐射。这种红外辐射的干涉在地面上固定的两台望远镜间进行的实验已获成功。但由于地球大气的湍流运动会影响光干涉的实现,因此最好在空间进行这种光干涉观测。

为此,科学家和工程师们设计了一种专门用于探测类地球行星的空间探测器方案。这种空间探测器是由多个相对位置精确固定的空间望远镜组成的队列飞行器,其效果等同于一台大小与这些飞行器的分布范围相同的大型空间望远镜。这些空间望远镜接收到的光通过干涉可以同时达到两个目的:其一是可使探测器的分辨率大大提高;其二是可以抑制耀眼的恒星的光芒,并增强暗弱的行星的亮度。这将不仅能使科学家“看见”恒星附近的行星,并且还可以对行星的光谱进行观测分析。

光干涉技术的优点在于它是用一组较小的望远镜通过干涉而获得大望远镜的效果,所需要的探测器的动态范围可以比前一种方案减小一千倍。它可以抑制恒星的光从而在观测行星光谱等性质时有更可靠的结果,有利于长远的研究目标。其缺点是由于它是在红外波段观测的,故探测器的相当大部分需要制冷。

队列飞行本身也是极富挑战性的技术。这是因为,要实现光干涉,各飞行器间的相对位置必须精确固定,而且每个飞行器必须同时精确地指向相同对象或方向。这种指挥不可能由地面的指挥中心来进行,而只能由空间飞行器本身的相互联系来完成。

为了实现上述设想,美国和欧洲分别制订了空间和地面计划。美国航空航天署已制订了“类地行星发现者”计划(简称TPF),计划在2012年左右发射队列飞行的空间干涉卫星,以直接观测其他恒星的行星或行星系,并对这些行星的有关性质进行测定。

作为TPF的先声,计划于2006年发射“星光”卫星。这是计划发射的第一个由两个小型望远镜组成的距离为125米的干涉望远镜,它实际上就是由两个小型卫星组成的队列飞行器。“星光”之后,计划于2009年发射“空间干涉”卫星,以对银河系中的恒星进行精密天体测量观测。预期其位置精度将比迄今为止的天体测量资料要高数百倍。这样的精度可以用于精确测定恒星离地球的距离和探测近距离恒星的行星和行星系。它同时也可以为TPF计划选择合适的观测对象。目前,TPF计划究竟将采用哪种方法来观测太阳系外行星尚未最终确定。

生命和大气

在搜寻到了太阳系外行星之后,如何才能确定这些行星上是否存在着生命呢?距地球10秒差距距离的恒星已经是近邻恒星了,但它离我们仍有大约300万亿公里。即使人类乘坐30公里/秒 的航天器,仍需要30多万年才能够到达该行星。甚至光也需要约32年才能够到达。

因此,至少在可以预见的时期内,人类不可能发射航天器到近邻恒星的行星上去实地考察,而只能从远处对太阳系外行星进行观测。那么,怎么样的行星上可能有生命存在呢?这是人类要从众多行星中选出进一步研究的对象所必须事先知道的。

人们常说,维持生命的要素是阳光、空气和水,地球表面存在的大规模生命现象正是通过这些要素维持的。植物经光合作用从阳光摄取能量,并吸收二氧化碳、水和矿物质,从而产生有机化合物并释放出氧气;动物则吸收氧气,并通过氧化作用获得能量,呼出二氧化碳。这种生命现象的存在必然需要也必然会维持地球大气中一定比例的氧、二氧化碳和水。

由于氧在红外波段没有明显的特征谱线,而存在大量氧必然会有臭氧存在,故存在臭氧也是可能存在生命的一种信号。此外,地球上还有不少微生物,其中的一些会释放出甲烷,因此,若大气中存在甲烷也表明行星上可能存在微生物。因此,通过测量行星大气的化学成分,可以推测行星上是否存在生命现象。

由于光通过不同元素或分子的气体时,某些特定波长的光会被吸收,因此,在通过气体后的光谱中会产生一系列暗条纹,人们称之为吸收线。不同元素或分子都有其特征吸收线,人们据此可以证认出气体中所含的元素和分子。不仅如此,科学家还可以通过吸收线的形状、强弱等推断出大气的温度、该元素或分子在大气中的含量等。TPF计划不只是要获得太阳系外行星的像,也要获取这些行星的光谱,从中选出可能存在生命的行星,以供进一步研究。

另外的生命形式

以上所述实际上是以对地面上的生命活动的了解为基础而得出的结论。在宇宙其他地方是否有可能存在与地面上的完全不同的生命形式呢?这当然又是一个令人兴奋的问题,也是一个十分困难的问题。

实际上科学家们也曾考虑过各式各样不同于地球上的生命现象。例如,曾有人提出,是否可能存在建立在硅而不是碳基础上的生命。硅与碳同属一族,化学性质非常相似,而且都是普遍存在的元素。地球上砂子的成分主要就是二氧化硅。但研究结果表明,以硅为基础的生命很难形成,因为二氧化碳是气态,而二氧化硅却是固态,因此无法进一步形成有机分子。

但是,即使在地球上也有与通常的植物和动物根本不同的生态圈。1977年,科学家在考察印度洋加拉帕哥斯岛的东面深海时发现,在深海的山脊有数十个热液火山口,在这些热液火山口附近存在着一种迥然不同于地面生物的生态群。这些火山口周围的生物不可能从阳光获得能量,因为阳光无法照到那里,它们依靠地热和化学能维持生命。自那以后,在地球上许多深海山脊的热液火山口均发现了这样的生态群。

这一发现引起了地质学家和生物学家的极大兴趣。当然,天体生物学家对这样的生态群也更加注意。科学家们立即想到,这种环境条件在火星或木卫一、木卫二中也可能存在。在那里,厚厚的冰层下面可能也会存在水、地热和火山口,这种不需要阳光而只需要热能和化学能的生物是完全可以在那里存在的。但是,情况是否如此还要在对这些星球进行进一步探索,这种生命会对大气产生何种影响更不清楚。总之,不同生命形式对行星大气的影响无疑是很长一段时期内的重要研究课题。

生命是从“天”上掉下来的吗

1960年代,人们利用射电望远镜发现了在星际空间存在的许多分子云,并且,在分子云中发现了有机分子。当时就有人提出,地球上的生命可能是由太空落到地球上的某些有机分子演化而成的。也就是说,生命可能是“从天而降”来的。陨石是太阳系形成的遗迹,也是今天研究太阳系的形成与演化的重要材料。落到地球上的陨石有的来自其他行星,有的来自彗星等。近年来,由于空间科学和行星物理学的发展,对陨石的研究有了重要进展。

2001年底美国阿梅斯研究中心(Ames Research Center)的研究人员在分析陨石时发现了糖。而在此之前,人们已经在陨石中发现过其他的有机化合物,如碳基化合物,氨基酸和羧酸等。这些都是在地球上的生命活动中起重要作用的化合物。糖的发现之所以有重要意义,是因为糖和与之相关的化合物对所有生命形式都至关重要,它们被认为是构成地球上的生物大分子的基本单元。这一发现加深了人们对有机物质可能早在地球上的生命开始之前就已经来到并存在于地球上的信念,因此彗星、陨石在生命起源中可能起着异常重要的作用。

2002年初,美国天体生物研究所的科学家又宣布了一项研究结果。他们在阿梅斯研究中心的实验室里,在模拟的太空条件下,用紫外光照射星际普遍存在的物质,即含有一些简单分子的冰。照射之后他们发现,在冰里形成了氨基酸。氨基酸是地球上的生命不可或缺的重要分子。这项实验似乎表明,在太空深处的恒星附近就有着形成生命基本材料的环境。

关于陨石中是否存在微生物的遗迹,科学家们有不同的看法。但是,在宇宙空间中有可能产生生命这一观点似乎正逐渐被更多的人所接受。实际上,地球就是宇宙中小小的一员,地球上的生命,包括人类就是在宇宙的演化中产生的。

尽管寻找地外生命甚至太阳系外生命的研究已经取得了巨大的进展,但是,距离解决所关心的问题还有很长的路要走。人们可能要在2015年后才能够“看见”太阳系外像地球一样的行星并得到它们的光谱,从而选出可能存在生命活动的行星。尽管如此,人们已经看到,科学家和工程师们正踏着坚实的步伐朝着目标前进。

原文作者:邓祖淦

2009-10-22 作者 readwiki 发布于分类: 自然环境 | 关键字 : 太空 生命 | 浏览 | 评论 0
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