科學也可以如此靠近

銀河系中可能有數百個有生命的天體


2018年4月12日21時 今日科學 博科園
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在尋找外星生命的過程中,科學家們傾向於採取所謂的「低垂的果實方法」。這包括尋找與我們在地球上所經歷的相似的環境,包括氧氣、有機分子和大量液態水。有趣的是這些成分存在的一些地方,包括像歐羅巴、Ganymede、Enceladus和Titan等冰凍衛星的內部。

木衛二和土衛二的「海洋衛星」,由伽利略號和卡西尼號宇宙飛船拍攝。圖片版權:NASA/ESA/JPL-Caltech/SETI Institute

然而在我們太陽系中只有一個能夠支持生命的地球行星,有許多類似於這些衛星的「海洋世界」。哈佛史密森天體物理中心(CfA)的一組研究人員進行了一項研究,研究表明:與宇宙中岩態行星相比,內陸海洋的潛在宜居冰衛星更有可能存在。

這項名為「地下生活」的研究是由哈佛大學史密森天體物理中心(CfA)的Manasvi Lingam和Abraham Loeb以及哈佛大學的理論與計算研究所(ITC)共同完成的。為了他們的研究,作者考慮了所有這些定義了一個環繞恆星的宜居帶(又稱「宜居帶」)。「Goldilocks Zone」(Goldilocks

Zone),以及與內陸海洋的衛星之間存在生命的可能性。

剖面圖展示土衛二的內部。圖片版權:ESA

首先,Lingam和Loeb解決了將宜居區與可居住性混淆的趨勢,或者將這兩個概念視為可互換的。例如位於HZ內的行星不一定能夠支持生命——在這方面,火星和金星是完美的例子。火星太冷,大氣層太稀薄,無法維持生命,金星受到失控的溫室效應,導致它成為一個炎熱、地獄般的地方。

另一方面,在HZs之外的身體已經被發現能夠有液態水和必要的成分來產生生命。在這種情況下,木衛二的衛星,Ganymede,Enceladus,Dione,Titan,以及其他一些衛星都是完美的例子。由於潮汐力引起的水和地熱熱的普遍存在,這些衛星都有可能很好地支持生命的內陸海洋。

行星適居性的傳統觀念是宜居帶(HZ),即「行星」必須位於與恆星的正確距離上,這樣它的表面就有液態水的能力。然而這個定義假設生命是:(a)基於表面的,(b)在環繞恆星運行的行星上,(c)基於液態水(如溶劑)和碳化合物。相反我們的工作放鬆了假設(a)和(b),儘管我們仍然保留(c)。

因此,Lingam和Loeb拓寬了他們對可居住性的考慮,包括可能有地下生物圈的世界。這樣的環境超越了像木衛二和土衛二這樣冰冷的衛星,並可能包括許多其他類型的深層地下環境。除此之外,人們還推測,泰坦的甲烷湖(即甲烷生物)中可能存在生命。然而,Lingam和Loeb選擇將注意力集中在結冰的衛星上。

這是伽利略號宇宙飛船看到的木星衛星木衛二表面的「真彩色」圖像。影像圖片版權:NASA/JPL-Caltech/SETI Institute

即使我們考慮在冰/岩態行星下的地下海洋中生活,生命也可能存在於水下的含水岩石中(也就是水),後者有時被稱為地下生活,Lingam說;並沒有深入研究第二種可能性,因為許多結論(但並非所有結論)都適用於這些世界。同樣如上所述,我們不認為生命形式是基於奇異的化學反應和溶劑,因為它並不容易預測它們的性質。

最終,Lingam和Loeb選擇將注意力集中在環繞恆星的行星上,並可能包含人類將能夠識別的地下生命。然後開始評估這些天體適宜居住的可能性,以及在這些環境中,生命必須面對的優勢和挑戰,以及在太陽系之外存在的這些行星的可能性(與潛在的宜居類地行星相比)。

首先「海洋世界」在支持生命方面有幾個優勢。在木星和它的衛星上,輻射是一個主要的問題,這是帶電粒子被困在氣態巨磁磁場中的結果。在這兩者之間,月球的稀薄大氣中,生命在表面上很難生存,但生活在冰層下的生活將會好得多。

冰天雪地的一個主要優勢是表層海洋大部分被封閉在海面上,因此,紫外線輻射和宇宙射線(高能粒子),通常是對表面生活的高劑量有害的,不太可能影響這些地下海洋的假定生命。

藝術家繪製的土衛二地殼內部橫截面圖,顯示了水熱活動是如何引起月球表面的水柱的。圖片版權:NASA-GSFC/SVS, NASA/JPL-Caltech/Southwest Research Institute

沒有陽光作為充足的能量來源,可能會導致一個生物圈,比地球上的生物(單位體積)少得多。此外這些生物圈中的大多數生物都可能是微生物,而複雜生命進化的可能性與地球相比可能是低的。另一個問題是,生命所需的養分(例如磷)的潛在可用性;我們認為這些營養物質的濃度可能比地球上的地球低。

最後,Lingam和Loeb認為,在整個宇宙的範圍內,可能存在廣泛的中等厚度的冰殼。根據這類世界的統計數據,得出的結論是:「海洋世界」,如木衛二,土衛二,以及其他類似的行星,比在恆星內部存在的岩態行星多1000倍。

這些發現對尋找外星生命和額外的生活有一些重大的影響。它也對如何在宇宙中分布生命有著重要的影響。這些世界的生命無疑將面臨值得注意的挑戰。然而,沒有確定的因素阻止生命(特別是微生物生命)在這些行星和衛星上進化。在生源論方面,考慮了一種可能性,即一顆含有亞表面外生命的自由漂浮行星可能會被恆星暫時「俘獲」,而且它可能會在其他行星(圍繞恆星運行的軌道上)產生生命。因為有很多變量,並不是所有的變量都能被精確地量化。

一種名為「尋找外太空基因組」的新儀器正在被開發來在其他世界找到生命的證據。圖片版權:NASA/Jenny Mottor

用望遠鏡來探測地下生命是非常困難的(從很遠的距離)。」人們可以尋找多餘的熱量,但這可能來自於自然資源——如火山,地熱等。找到地下生命最可靠的方法是降落在這樣的行星或衛星上,並鑽過地表冰蓋。這是未來NASA在太陽系的歐羅巴任務的設想。

此外,Lingam和Loeb探索了對生源的影響,還考慮了如果像地球這樣的行星從太陽系中被逐出,可能會發生什麼。正如他們在研究中所指出的,之前的研究已經表明,在星際空間中漂浮的行星上,有著厚厚的大氣層或地下海洋的行星仍然可以支持生命。

一個有趣的問題是,如果地球被從太陽系噴射到寒冷的空間,而不被太陽加熱會發生什麼?我們已經發現,海洋將會結冰到4.4公里的深度,但液態水會在地球最深處的海洋中生存,比如馬里亞納海溝,而生命也能在這些殘留的地下湖泊中生存。這意味著,行星系統之間可能會傳輸次表面生命。

德雷克方程式,一個尋找宇宙中生命或先進文明的機率的數學公式。圖片版權:University of Rochester

這項研究也提醒人們,隨著人類探索更多的太陽系(很大程度上是為了尋找外星生命),所發現的也會對宇宙其他地方的生命產生影響。我們不知道的是被告知的,但所做的以及發現的東西有助於我們知道可能會發現什麼。

當然,這是一個非常廣闊的宇宙,可能發現的可能遠遠超過人類目前能夠識別的東西!

知識:科學無國界,博科園-科學科普

參考:arXiv

作者:Matt Williams

來自:Universe Today

編譯:中子星

審校:博科園


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