尋找地外之境

苗千

人類是如此的孤獨(dú)，而在意識(shí)到自己的孤獨(dú)之后，人類又是如此不懈地在宇宙中尋找著其他生命形式。無(wú)論是最原始的單細(xì)胞生物，還是如科幻大片中駕駛著飛碟來(lái)去自如的具有超高文明的外星人，自從意識(shí)到自己是生活在銀河系邊緣一個(gè)孤零零的巖石行星上的生物之后，人類就未曾放棄尋找宇宙中其他的生命形式，希望能夠以此為自己的存在找到更多意義，盡管不斷有人警告這樣的嘗試可能會(huì)引來(lái)危險(xiǎn)。

尋找地球之外的生命形式，最大的困難之一就是人類尚且沒(méi)有一個(gè)關(guān)于生命的嚴(yán)格定義。如何在宇宙中分辨生命或是非生命現(xiàn)象，這是一個(gè)問(wèn)題。于是人類的努力目前還只能限于尋找與自身類似的生命形式，或是一切與之相關(guān)的跡象。從2017年10月起，對(duì)于這個(gè)話題感興趣的人都把目光集中在了太陽(yáng)系內(nèi)一塊形跡可疑的物體上，懷疑它可能負(fù)載著宇宙中其他文明的秘密。

這是一個(gè)雪茄形狀的物體。2017年10月19日，設(shè)在夏威夷茂宜島海勒卡拉火山頂?shù)摹叭把蔡焱h(yuǎn)鏡和快速回應(yīng)系統(tǒng)”（Pan-STARRS）項(xiàng)目通過(guò)多種不同的技術(shù)發(fā)現(xiàn)了它的存在，它隨即獲得了一個(gè)官方名字“1I/2017 U1”（也曾有過(guò)舊稱“A/2017 U1”和“C/2017 U1”），但更多的天文學(xué)家喜歡叫它“奧陌陌”（Oumuamua）。起初人們以為這是一顆彗星，奧陌陌當(dāng)時(shí)正在飛過(guò)地球，它與地球的距離相當(dāng)于地球與月球距離的85倍。它在飛過(guò)太陽(yáng)時(shí)因?yàn)橐?chǎng)的作用速度加快，目前的速度達(dá)到了每小時(shí)31萬(wàn)公里。

隨后科學(xué)家們馬上意識(shí)到，奧陌陌是一個(gè)人類此前從未發(fā)現(xiàn)過(guò)的來(lái)自太陽(yáng)系外的物體，屬于星際小行星。以它目前的速度，它很快就會(huì)離開(kāi)太陽(yáng)系，人們必須抓緊時(shí)間用各種手段對(duì)它進(jìn)行觀測(cè)研究。奧陌陌并不算大，它只有大約400米長(zhǎng)，寬度只有長(zhǎng)度的十分之一左右，大約與地球上的一個(gè)體育場(chǎng)大小相似。吸引天文學(xué)家注意的，是它獨(dú)特的形狀，這種長(zhǎng)條形狀的來(lái)自太陽(yáng)系外的物體，立即讓很多人聯(lián)想到了具有高度文明的外星人所乘坐的宇宙飛船——英國(guó)科幻大師亞瑟·克拉克在1972年發(fā)表的名著《與拉瑪相會(huì)》（Rendezvous with Rama），描述的正是一個(gè)類似形狀的外星飛船經(jīng)過(guò)太陽(yáng)系的故事。

這種科幻大師的創(chuàng)作與人們的聯(lián)想并非沒(méi)有道理，此前就有很多天文學(xué)家猜想，如果要設(shè)計(jì)具有星際航行能力的宇宙飛船，長(zhǎng)條狀正是最合理的形狀，因?yàn)檫@樣可以最大程度地減小飛船與星際氣體和塵埃之間摩擦所產(chǎn)生的阻力。從奧陌陌的方向來(lái)看，它來(lái)自天琴座方向，距離地球有25光年。

這樣一塊來(lái)自其他星系的物體，若是事先有意經(jīng)過(guò)瞄準(zhǔn)發(fā)射，精度未免太過(guò)驚人。有天文學(xué)家形容這相當(dāng)于在100公里之外扔一塊石頭，準(zhǔn)確地?fù)糁幸幻队矌?。?shí)際上，很多人早就預(yù)測(cè)會(huì)有這樣的天外來(lái)客偶然造訪太陽(yáng)系。在太陽(yáng)系最初形成時(shí)，有大量的彗星和小行星被甩出了太陽(yáng)系，以此類推，在其他的星系中理應(yīng)也會(huì)發(fā)生類似的現(xiàn)象，但是這類物體非常黯淡，極難發(fā)現(xiàn)。奧陌陌是人類發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)來(lái)自外星系的物體。

正因?yàn)槭堑谝粋€(gè)，對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)奧陌陌具有極高的科學(xué)價(jià)值。通過(guò)研究這個(gè)不速之客，人們可以了解其他恒星的形成過(guò)程，以及物體在太空的嚴(yán)酷環(huán)境中長(zhǎng)途跋涉之后會(huì)發(fā)生的變化。天文學(xué)家們分析，這塊奇怪的物體有可能比太陽(yáng)系的歷史還要長(zhǎng)，它可能已經(jīng)形成了100億年。奧陌陌目前每7小時(shí)自轉(zhuǎn)一圈，預(yù)計(jì)它將于2018年越過(guò)木星，在2019年1月離開(kāi)太陽(yáng)系。因?yàn)榫嚯x遙遠(yuǎn)，天文學(xué)家們只能在它消失之前抓緊通過(guò)望遠(yuǎn)鏡對(duì)其進(jìn)行研究，同時(shí)盼望著或許在一段時(shí)間之后還能發(fā)現(xiàn)另外一塊類似的物體。

奧陌陌的很多特征確實(shí)出乎人們之前的猜測(cè)。它遠(yuǎn)道而來(lái)，看上去卻像是人們?cè)谔?yáng)系中所常見(jiàn)的物體。人們以前一直以為這樣的天外來(lái)客主要由冰構(gòu)成，因此它們?cè)诮?jīng)過(guò)太陽(yáng)時(shí)會(huì)像彗星一樣留下可見(jiàn)的痕跡，但奧陌陌看上去就像是一塊在各種輻射環(huán)境里孤獨(dú)旅行了幾億年，甚至數(shù)十億年的深色大石頭。從外殼深紅的顏色來(lái)看，它的最表層似乎是一層有機(jī)物，它的內(nèi)部有什么構(gòu)造，是否可能是智慧生命發(fā)射的宇宙飛船？這引發(fā)了人們無(wú)窮的想象。

奧陌陌很快就吸引了地外智慧生物搜尋協(xié)會(huì)（SETI Institute）的關(guān)注。從2017年11月23日開(kāi)始，研究者們利用位于加州北部的艾倫望遠(yuǎn)鏡陣列（Allen Telescope Array）對(duì)奧陌陌從各個(gè)頻段進(jìn)行了持續(xù)60個(gè)小時(shí)的探測(cè)，但是并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何電磁信號(hào)。另外一個(gè)尋找地外生命的計(jì)劃——2015年由著名物理學(xué)家霍金啟動(dòng)的突破聆聽(tīng)（Breathrough Listen）計(jì)劃也花費(fèi)了10個(gè)小時(shí)利用位于西弗尼吉亞州的綠岸望遠(yuǎn)鏡（Green Bank Telescope）對(duì)奧陌陌進(jìn)行了仔細(xì)檢查，同樣沒(méi)有收獲。

奧陌陌可以吸收96%射向它的光線，因此顯得顏色黯淡。它在可見(jiàn)光范圍內(nèi)顯出深紅色，在紅外線的照射下則略顯發(fā)灰。經(jīng)過(guò)仔細(xì)檢查，科學(xué)家們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)奧陌陌有巖石的成分，有人懷疑在這一層有機(jī)物外殼的包裹下，內(nèi)部是大量的堅(jiān)冰。但在奧陌陌飛越太陽(yáng)的過(guò)程中，科學(xué)家們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)因?yàn)槠鋬?nèi)部堅(jiān)冰融化而滲出的水，有可能是這一層有機(jī)外殼對(duì)其內(nèi)部的冰起到了保護(hù)作用。

對(duì)天文學(xué)家們來(lái)說(shuō)，盡管奧陌陌還有種種神秘未解之處，但目前尚未發(fā)現(xiàn)它有任何經(jīng)過(guò)智慧生命設(shè)計(jì)，被有意發(fā)射到太陽(yáng)系的證據(jù)。從另一方面來(lái)說(shuō)，“全景巡天望遠(yuǎn)鏡和快速回應(yīng)系統(tǒng)”剛剛啟動(dòng)7年就發(fā)現(xiàn)了奧陌陌，說(shuō)明在太陽(yáng)系內(nèi)這類外星系來(lái)客可能數(shù)量并不少，只是此前沒(méi)有被人類發(fā)現(xiàn)而已。天文學(xué)家們期待著能夠盡快發(fā)現(xiàn)另一個(gè)遠(yuǎn)道而來(lái)的外星系物體，這可能是一個(gè)人類探索地外生命形式以及天體構(gòu)成的好機(jī)會(huì)。

尋找地外生命，除了在地球上守株待兔，探索太陽(yáng)系內(nèi)部的其他行星以及它們的衛(wèi)星之外，對(duì)天文學(xué)家們來(lái)說(shuō)另一個(gè)更為廣闊的領(lǐng)域則是在宇宙中尋找和地球環(huán)境相似的巖石行星。他們相信，如果存在與地球環(huán)境相似的行星，那么在那兒也很有可能存在著生命現(xiàn)象。

在茫茫宇宙中尋找與地球各方面環(huán)境都相似的行星絕非易事。星系間的距離動(dòng)輒以光年計(jì)，而且自身不發(fā)光的行星圍繞著臨近的恒星運(yùn)轉(zhuǎn)，恒星的亮度往往是其行星亮度的10億倍以上，這更讓人類的望遠(yuǎn)鏡極難分辨出行星的信號(hào)。正因?yàn)槿绱耍煳膶W(xué)家們長(zhǎng)久以來(lái)都認(rèn)為圍繞恒星運(yùn)轉(zhuǎn)的巖石行星在宇宙中極為少見(jiàn)，直到1995年人類才發(fā)現(xiàn)了第一顆類地行星，而后才逐漸意識(shí)到在恒星周圍存在著圍繞其運(yùn)轉(zhuǎn)的巖石行星是宇宙中常見(jiàn)的現(xiàn)象。

通過(guò)地面以及太空中的各種望遠(yuǎn)鏡，例如美國(guó)航空航天局（NASA）的開(kāi)普勒空間望遠(yuǎn)鏡的搜尋，人類已經(jīng)在宇宙中發(fā)現(xiàn)了超過(guò)3500顆與地球類似的巖石行星，其中有大約30顆與地球的大小相似，并且可能在表面存在液態(tài)水。但是通過(guò)這樣的探索，天文學(xué)家們也只能獲得關(guān)于這些行星最基本的信息，如大小、質(zhì)量和軌道情況等。想要對(duì)它們進(jìn)行詳細(xì)研究，天文學(xué)家們需要獲得這些行星大氣的光譜信息。

關(guān)于地外行星，天文學(xué)家所能獲得的，通常就是一張只有區(qū)區(qū)幾個(gè)像素的照片而已，但仍有人試著通過(guò)這樣的照片來(lái)判斷行星的信息。加州大學(xué)河濱分校的天文學(xué)家史蒂芬·凱恩（Stephen Kane）將一張從地球軌道上拍攝的有400萬(wàn)像素的地球照片降級(jí)到只有幾個(gè)像素，然后反復(fù)觀察，通過(guò)練習(xí)可以從這樣的照片中判斷出行星擁有海洋、大陸、云層、季節(jié)變化，以及自轉(zhuǎn)周期是24小時(shí)。凱恩做這樣的練習(xí)，正是為了在獲得其他類地行星的類似照片時(shí)可以有所準(zhǔn)備，或許可以從這樣低精度的照片中分辨出一個(gè)行星是否有可能孕育生命。

雖然人類在火星和土星這樣的類地行星上都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生命的痕跡，但仍然有天文學(xué)家相信，人類終究會(huì)發(fā)現(xiàn)與地球環(huán)境極為相似、有可能存在生命的行星。判斷其他星系的行星是否可能存在生命，在目前并沒(méi)有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)，天文學(xué)家們需要在不同的條件中進(jìn)行綜合考量。

氧氣是天文學(xué)家們尋找的首要對(duì)象。在大氣層中存在氧氣將是行星上存在生命的最重要標(biāo)志，在這一點(diǎn)上天文學(xué)家們只能以地球作為唯一的標(biāo)準(zhǔn)。正是地球上的微生物和植物進(jìn)行了數(shù)十億年的光合作用釋放氧氣，才使地球大氣層中的氧氣含量達(dá)到21%——這個(gè)含量足以使科學(xué)家們?cè)跇O遠(yuǎn)的距離就可以探測(cè)到。

而后天文學(xué)家們逐漸意識(shí)到，在大氣層中存在氧氣并非判斷行星上是否存在生命的決定性因素。在無(wú)氧條件下也有可能有生命存在，比如說(shuō)在地球上就曾經(jīng)有20億年的時(shí)間，微生物以一種不產(chǎn)生氧氣的方式進(jìn)行光合作用。另外，在沒(méi)有生命現(xiàn)象存在的情況下，行星的大氣中也有可能充滿氧氣。例如行星表面的水被恒星的熱量蒸發(fā)，進(jìn)而被分解為氫氣和氧氣，氫氣又逃逸到了宇宙空間中，在這種情況下行星的大氣中就可能充滿氧氣。除了氧氣之外，行星大氣中的甲烷也可能是生命現(xiàn)象存在的重要信號(hào)之一。雖然地質(zhì)活動(dòng)也有可能產(chǎn)生甲烷，但地球大氣中的甲烷大多數(shù)都是由微生物的活動(dòng)產(chǎn)生出來(lái)的。

要判斷一個(gè)行星上是否可能存在生命現(xiàn)象，除了尋找氧氣、甲烷和液態(tài)水之外，還需要考察行星在日夜間溫度的極限，以及是否會(huì)受到臨近恒星的有害輻射。正如康奈爾大學(xué)天體物理學(xué)家希達(dá)爾特·赫奇（Siddharth Hegde）所說(shuō)：“了解了恒星，也就了解了其行星。”赫奇介紹，大氣中的氧氣和甲烷會(huì)發(fā)生氧化還原反應(yīng)，生成二氧化碳和水，因此如果能夠探測(cè)到在行星的大氣層中存在大量的氧氣和甲烷成分，那么一定是有某種生命過(guò)程對(duì)這兩種成分不斷進(jìn)行補(bǔ)充。

天文學(xué)家們需要獲得地外行星大氣的光譜以判斷其大氣的組成成分，但另一方面，光線很難穿透行星的大氣層，因此人們獲得的大多是行星大氣層外層成分的光譜，而且地面上的望遠(yuǎn)鏡接收到的信號(hào)還會(huì)受到地球大氣層的干擾。天文學(xué)家們只能使用一些特殊的手段，例如當(dāng)行星掠過(guò)其恒星時(shí)，探測(cè)穿越行星大氣層的恒星光線以獲得其大氣層的光譜，或者當(dāng)行星運(yùn)轉(zhuǎn)到恒星的背面，探測(cè)其對(duì)恒星的反光以獲得光譜。

2019年，美國(guó)航空航天局將會(huì)發(fā)射巨大的詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡（James Webb Space Telescope），用以尋找可能存在生命的地外行星。天文學(xué)家們希望這個(gè)擁有最新技術(shù)的空間望遠(yuǎn)鏡能夠獲得更多地外行星大氣的光譜數(shù)據(jù)，并且拍攝到更清晰的照片。詹姆斯韋伯空間望遠(yuǎn)鏡將擁有直徑6.5米的巨大鏡面，它可以收集到的光線超出現(xiàn)在所有的空間望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)它還會(huì)收集紅外線信號(hào)，探測(cè)地外行星上是否存在水、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等成分。不僅如此，美國(guó)航空航天局還在研究一項(xiàng)新任務(wù)：宜居地外行星影像任務(wù)（The Habitable Exoplanet Imaging Mission）。執(zhí)行這個(gè)任務(wù)的機(jī)械也將擁有6.5米的鏡面，但它將探測(cè)更廣闊頻率范圍的光線，從近紅外線到紫外線，盡可能拍攝到地外行星最清晰的照片。

人類探索太陽(yáng)系之外的類地行星，乃至想尋找在其他天體上可能存在的任何生命信號(hào)，這個(gè)困難重重的工作目前仍然處于起步階段。除了距離因素之外，另一個(gè)限制就在于人類只有一個(gè)樣本可以用來(lái)作為參照，那就是地球自身。正如匆匆掠過(guò)的天外來(lái)客奧陌陌，如果人類對(duì)其他星系的了解只限于如此孤例，便無(wú)法形成正確的認(rèn)知。只要有耐心，如奧陌陌一樣的外星系物體必然還會(huì)出現(xiàn)更多，但地球卻只有一個(gè)。

如果天文學(xué)家們?cè)谔罩姓也坏搅硪粋€(gè)覆蓋著鮮花和芳草的地球的孿生星球，那么除了以地球?yàn)槲ㄒ坏膮⒄罩猓煳膶W(xué)家們也做好了準(zhǔn)備，生命形式可能在完全意想不到的外星環(huán)境中存在。人類到底該尋找些什么？麻省理工學(xué)院天體物理學(xué)家薩拉·西格爾（Sara Seager）和她的同事們列出了一個(gè)包含有1.4萬(wàn)種化合物的清單，她認(rèn)為在合適的條件下，這些化合物可能會(huì)以氣態(tài)存在于行星的大氣層中，如果人類探測(cè)到某個(gè)行星大氣層中含有大量清單中列出的某種物質(zhì)，而又無(wú)法以非生命過(guò)程加以解釋，那么在這個(gè)行星上就很可能存在生命。

（本文寫作參考了《科學(xué)》雜志的報(bào)道）