探索地外生命：突破研究宇宙生命的新领域

2023-11-19 理论教育版权反馈

【摘要】：他们的努力已经使人们对于地外生命存在的可通用性产生了很强的信心，以至于一个全新的科学领域天体生物学——研究宇宙生命的科学——迅速发展了起来。但是这并不等于说，地外生命存在的希望已经完全破灭。

远离扰乱视线的城市灯火、眩目光辉和黄色烟雾，夏威夷岛上海拔4205米的冒纳凯阿火山的顶峰直插云霄。因为夏威夷岛被温度变化非常稳定的海洋所包围，所以，冒纳凯阿火山的顶峰得以沐浴在清洁、平静、干燥的空气中。对于天文学观测来说，这是一个十分理想的环境——至少有一台世界上最好的望远镜架设在这里。

其中特别重要的WM凯克观测台，它由两台安装了直径达10米的巨大反射镜的天文望远镜组成，其中每台都有8层楼高、300吨重。这两台分别于1993年和1996年安装完成的凯克望远镜，一直在帮助主要的行星搜寻者——加利福尼亚大学的保罗·巴特勒和卡内基学会的杰弗里·马西探测太阳系外行星。

在过去的几年时间里，科学家总共发现了上百颗围绕着遥远的恒星旋转的太阳系外行星，其中不少是巴特勒和马西发现的。这些太阳系外行星中的大多数是像木星一样被气体包围着的巨大行星，它们的运行轨道与其中心恒星的距离非常近，而且这些行星太大、太热，据我们所知，任何生命形态都无法在这样的行星上维持生存。但是2001年3月29日，巴特勒和马西报告说，他们发现了两颗体积比土星还小的行星——这是朝着发现像地球一样适于居住的太阳系外行星迈出的重要一步。

因此，这两位行星搜寻者不仅在天文学界享有很高的声望，而且任何对于“地球是不是宇宙中唯一有生命存在的星球，或者宇宙中是否有其他的生存形式存在”这样的问题感兴趣的人，都知道他们的鼎鼎大名。他们凭借丰富的想象力和不辞辛劳的工作，找到了一种方法来确定有可能产生生命的行星的位置，从而将上面提到的这个问题，从人们的推测变成了科学。他们的努力已经使人们对于地外生命存在的可通用性产生了很强的信心，以至于一个全新的科学领域天体生物学——研究宇宙生命的科学——迅速发展了起来。

目前，科学家还无法对太阳系外行星进行直接搜寻。恒星发出的光芒使科学家不可能看到任何也许正在围绕它们旋转的天体。巴特勒和马西发明了一种极具独创性的方法——多普勒技术。这种方法的工作原理与多普勒效应（当汽车或火车从你身边经过时，它们发出的声波听起来好像一直都在改变频率）的原理一样。

多普勒效应在天文学上的对应现象被称为红移。从1987年开始，巴特勒和马西花了8年时间全力研究红移现象。他们认为，如果一颗恒星周围存在着一颗围绕它旋转的行星，那么这颗行星的引力就会使恒星出现轻微的“摇摆”，就像地球和太阳系中的其他行星使太阳发生摇摆一样。这种摇摆会使恒星的光波在恒星朝向地球和背离地球的摇摆运动过程中，在光谱的蓝端与红端之间交替运动。他们认为，如果你可以测量到这种“红移—蓝移”现象，那么你就可以发现太阳系外行星的存在，而且利用这些数据，你甚至可以分析出它们的质量运行轨道。

但是，这种“红移—蓝移”现象在穿过遥远的宇宙空间之后会变得非常微小——如果你从30光年以外的地方观察太阳，它的周期性摇摆的弧形角的大小将只有七百万分之一度。为了利用多普勒方法对恒星及其行星进行准确的分析，你必须使恒星摇摆速度的测量结果精确到10米/秒以内。

马西和巴特勒是在1995年12月30日，发现第一颗太阳系外行星的。那时马西已经回到他加利福尼亚伯克利的家中，和他的妻子一起准备新年夜的聚会。巴特勒还在办公室凝视着计算机屏幕上显示的看起来好像是一些随机数据点的东西。他正在寻找一种可以告诉自己他们已经取得了成功的数据点模式——一条将所有的数据点连接到一起的蛇形曲线，就像心脏监护示波器上显示的心跳曲线一样。只有这样的曲线才可以证明他们正在寻找的摇摆，进而证明太阳系外行星的存在。

当计算机软件显示出这样一条曲线时，屏幕上的每个数据点都正好位于这条曲线上，或者与这条曲线非常接近。计算机屏幕上没有一个远离这条曲线的数据点。这正是巴特勒和马西8年来，一直在梦想能够找到的数据点模式。

这些太阳系外行星使天文学界感到震惊，并且动摇了所有现存理论的主要原因是，它们的运行轨道都呈现随圆形。太阳系的大多数行星都在沿着近于圆形的轨道运动，当你考虑到行星很可能是在圆形的原行星气体、冰和尘埃组成的盘状物（就像我们在猎户座星云中看到的圆盘一样）中形成的时候，你就会觉得行星沿着圆形的轨道运动是很有道理的。那么，太阳系外行星的运动轨道，为什么呈现出明显的椭圆形呢？(www.chuimin.cn)

巴特勒和马西指出，解释这一现象的最佳线索来自彗星。彗星形成时的运行轨道是圆形的，但是如果它们从距离行星很近地方经过，彗星的运行轨道就会在引力的作用下，迅速变成非常明显的椭圆形——这就是为什么我们很少在太阳系内看到它们的原因。

这一理论还可以解释，为什么科学家目前发现的太阳系外行星中有许多是被气体包围的巨大行星，而且它们的运行轨道与其中心恒星的距离近得令人难以置信。任何体积与地球相当的行星如果与其中心恒星过于接近都很有可能被其强大的引力甩出该行星系。

巴特勒和马西指出：“我们的银河系中一定存在着数以万亿计体积与地球相当而且正在四处闲逛的行星——它们是一些无目的在星际空间中游荡的阴暗的巨型岩石。”他们得出结论认为，太阳系可能是一个比较少见的行星有序排列的例子，八大行星静静地溜到各自的圆形轨道上，而且在这一过程中奇迹般地避免了任何形式的碰撞。

但是，天体生物学家们并不希望听到太阳系可能是一个反常的完美特别的说法。运行轨道呈现明显的椭圆形的行星不可能成为生命的避风港——行星与其中心恒星距离的变化引起的巨大温度波动会敲响代表死亡的丧钟，甚至连最顽强的生物化学分子也无法幸免。同样，这些巨大的被气体包围的行星的运动轨道与其中心恒星的距离如此之近，以至于在某些情况下它们的公转周期只有3天，而1500℃的表面温度对于任何生命来说都实在是太高了。

但是这并不等于说，地外生命存在的希望已经完全破灭。

尽管巴特勒和马西认为有许多行星被其所在的行星系甩了出来，但是他们对于适合生命生活的理想行星（被称为“金发女郎”行星）的存在，仍然充满了信心。巴特勒指出：“银河系中的2000亿颗恒星中大约有10％拥有巨大的、很容易发现的行星。看起来很有可能其余恒星中的大多数周围也有行星存在，但是我们目前还没有掌握探测这些行星的技术。”

在这些统计数字的鼓舞下，美国航天局现在对天体生物学事业充满了信心，以至于已经建立了一个被称为“起源”的大型研究计划，该计划在未来的几十年时间里，将把更为精密复杂的天文望远镜送入太空，以便对那些拥有适当的条件、可以维持生命存在的行星直接观测。

科学家对于生命存在到底需要哪些条件仍然争论不休。因为目前我们对于可以维护生命存在的行星只掌握着唯一的一个例子——我们自己的地球，所以我们几乎没有办法知道答案。巴特勒指出：“（宇宙其他地方的）生命很可能必须建立在碳和水的基础上。不然的话，我们所有的推测就都会失去依据。”因此，一颗“金发女郎”行星的运行轨道必须是圆形的，而且它与其中心恒星的距离应该为大约一个天文单位，这颗行星的表面温度必须使水可以以液态形式存在。

哥白尼、牛顿和开普勒等天文学家，通过计算行星围绕太阳运动的规律，改变了我们对于自己在宇宙中位置的看法。而这些行星搜寻者发现宇宙中其他的行星，也正造成同样的影响。他们发现类似地球的天体以及我们最终确定地球生命是否是宇宙中唯一的生命形态，只是个时间问题。

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