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有水的行星“千千万”,但找到生命为何不那么
分类:科技中心

水世界并非生命存在的最佳地点

据Aeon报道,到目前为止,我们所知的最大、最深的水体还从来没有人踏足过,它里面没有岛屿、海岸及风浪,没有波光粼粼的表面。这片黑暗的海洋无法在地球上的任何地图上找到,它远在距离地球4.8亿公里之外的木卫二欧罗巴上。木卫二是环绕木星运行的至少69颗卫星之一。

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▲图:由“伽利略”号探测器拍摄到的木卫二近照

这些或许并不是我们应当寻找的世界。图片来源:Micha Pawlitzki/Getty

从1995年到2003年间,“伽利略”号探测器已经11次略过木卫二,其获得的数据显示,在这颗卫星光滑冰层的表面之下有个巨大的咸海。据估计,它的深度约为9.6万米,其水量是地球海洋总和的两到三倍。而木卫二绝非唯一充满液态水的行星或卫星。至少还有两颗木星卫星——木卫三和木卫四有地下海洋。

尽管水世界提供了生命的关键成分之一,但令人惊奇的是,它们或许并不是人类要寻找的最佳地方。

www.337.net,土星卫星——土卫六也可能有类似海洋。毫无疑问,另一颗土星卫星——土卫二,在其冰冻地壳下面肯定也有大量液态水,其水量很可能与五大湖相当。2005年,“卡西尼”号探测器捕捉到土卫二间歇泉喷出的冰和水蒸汽进入太空数百公里的景象,提供了其上有水的确凿证据。2015年10月份,“卡西尼”号甚至从间歇泉上空飞过。当时这艘探测器从距离土卫二表面上空58公里处略过,对其喷发物进行采样。

近日,美国亚利桑那州立大学研究生Tessa Fisher等人在怀俄明州拉勒米市举行的宜居世界会议上提出了这个违背直觉的观点。她的研究表明,一颗浸泡在海洋中的行星可能缺乏磷——DNA和其他重要分子的主要组成部分。

宇宙中液态水的丰富性和普遍性完全颠覆了科学家们的期望。在“卡西尼”号、“伽利略”号和其他探测器有所发现之前,人们的共识是:木星和土星的卫星看起来很像我们地球卫星或者火星的卫星,它们都由岩石构成,地表是布满陨石坑的荒原,对生命充满了敌意。

和生命所需的其他营养物质不同,磷很难被发现。它主要被锁在岩石中,因此只有当降雨溅湿这些岩石并将磷冲进水中时,它才会被获取到。尽管雨水在分解磷方面非常高效,但海水并非如此。这便是完全被咸水海洋覆盖的世界面临的问题。Fisher和同事估测,和地球上的海洋相比,这些世界的海洋中含有的磷要少1/3~1/4。

位于加州山景城SETI研究所的天文学家塞斯·肖斯塔克说:“没人预料到会有地下海洋。它扩展了我们有关可居住性的概念范畴:在我们之前没有考虑过的世界,同样可能发现生命迹象。我们总是假设,生命肯定生存在行星上。但在我们的太阳系中还有其他七个地方,我们有理由认为可能存在生命——至少是生命存在的条件。七个!大多数都是卫星!”

Fisher的研究不仅表明在这样的世界推动生命出现非常困难,即便生命站稳了脚跟,天文学家可能也会很难探测到它。事实上,Fisher等人发现,即便诸如浮游植物等生命存在,它们也仅能释放目前地球大气层中氧气量的1/10。这太低了,以至于无法被探测到。有鉴于此,正试图在太阳系外寻找生命的天文学家可能想让他们的望远镜指向没有充满水的世界。

在我们自己太阳系中都有如此多的水,几乎可以肯定的是,其他恒星周围的无数行星上也肯定有海洋存在,更不用说有水的卫星了。天文学家已经初步确定了太阳系以外的部分“水世界”,即根本没有陆地的行星。位于德克萨斯州圣安东尼奥市的西南研究所“卡西尼”号任务科学家克里斯多弗·格林说:“这真是令人难以置信,就像发现了全新的海洋学领域。”

此项研究在会议上掀起了波澜。来自马里兰州戈达德宇宙飞行中心的Shawn Domagal-Goldman希望同Fisher合作,以便更好地评估水世界上方大气的化学性质。与此同时,Fisher计划研究可用磷比例如何因水量不同而发生变化。既然研究证明水太多会导致生命无法繁荣,那么Fisher非常想知道是否存在一个水量刚刚好的“甜蜜点”。

事后看来,也许外星海洋的存在不应该令人感到如此惊讶。氢占宇宙中普通物质的74%,氧是宇宙中第三常见的元素。将两者结合起来,你就可以找到水。天文学家已经在月球甚至是水星上的陨石坑中,观察到水冰的痕迹。在星际云团和新生行星系统的尘埃盘中,以及在许多巨大系外行星的大气中,水冰也很常见。

“Fisher的研究证明,当我们考虑生命在这些世界存在的可能性时,必须跳出是否存在水的观念。”Domagal-Goldman表示,“我们还必须考虑其他事情,比如不仅影响生命能否站稳脚跟,还影响到这种生命的生产力如何的事情。因为如果一颗行星位于宜居带上,那么即便它拥有生命,我们也可能无法找到该生命。”这意味着天文学家应当从关注宜居性转向关注可探测性。

美国宇航局下属詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,计划于明年发射)的项目副科学家伯尼·米尼克说:“对系外行星的研究已经十分深入。在过去的20年里,我们了解的系外行星数量已经从很少增至数千颗。我们现在知道,在夜空中看到的每一颗恒星,可能都伴随着行星。我认为我们可以预期,这些恒星周围的大部分行星上都存在某种形式的水。”

有水的地方可能就有生命,因此“追踪水”始终是天体生物学家们信奉的格言。是什么使水显得如此重要?燃烧生命引擎的化学反应需要这种液体来溶解和运输细胞中的分子。水是已知的最好溶剂之一,与其他任何物质相比,水能在更大温度范围内保持液态。其他液体可能会在某些真正的外星生物化学反应中发挥作用,—例如,在土卫六上发现的液态甲烷湖。但到目前为止,还没有任何已知的生命成为例外,不必遵守“生命需要水”的规律。

那么,那些完全被这种基本物质覆盖表面的行星,是否都能成为生命的理想避风港呢?最近的许多研究给这样的期望泼了一盆冷水:许多“水世界”上实际上可能有太多的水,这反而阻碍了生命的诞生。或者即使生命诞生,太多的水也限制了它们的茁壮成长。美国亚利桑那州立大学天体物理学家史蒂文·德斯说:“更多不一定意味着更好。”

德斯和他的同事们始终在运行模拟地球物理和大气环境的计算机模拟,这些环境可能在外星世界里被发现。他们的目标是为未来几代系外行星搜寻者提供行星野外指南,德斯称其为“行星周期表”(Periodic Table of Planets)。它对那些大气层中最有可能含有生命副产品证据的外星天体进行排序。最重要的是,这些气体必须大量存在,足以在未来几十年里用望远镜观测到。德斯说:“我们需要优先观察那些可能存在生命最佳指标的行星。”

事实证明,外星“水世界”可能是最糟糕的地方之一。德斯的团队模仿地球建立了一颗行星的计算机模型,它的每个方面几乎都与地球相似。它的大小与地球相当,处于既不太热也不太冷的舒适位置,与恒星保持着稳定的距离。然后,他们用大约相当于地球5到7倍的水量淹没了这个世界,这足以淹没所有大陆。德斯称:“假如地球上多了6个大洋,那么珠穆朗玛峰也可能被淹没。”

通过使这样的虚拟世界变得单调乏味,它消除了我们地球人认为理所当然的、一个至关重要的生命诞生过程,即裸露岩石的风化作用。由于没有雨水或流水侵蚀岩石,德斯团队所创造世界的海洋中含有极少的磷元素,这是所有生命中不可或缺的元素。海水本身的酸性还不足以像淡水那样有效地溶解磷。亚利桑那州立大学的微生物生态学家泰莎·费舍尔说:“磷是非常重要的,除了RNA和DNA,它还构成了ATP,这是我们所知道的几乎所有生物化学能量的携带分子。我们所理解的陆地生物化学,在没有磷的情况下不会发生反应。”

德斯和费舍尔强调,他们的模型并不排除“水世界”有生命存在的可能性。这些行星上的海洋可能含有少量磷,但不足以维持大量的生命存在,帮助他们在大气层中留下明显的印记。费舍尔说:“这样的星球大气层中,不会有你在地球上看到的30%氧气含量。一个完全由海洋覆盖的星球很有可能有生命存在,只是因为那里的生命是如此的边缘化,我们短期内不太可能从地球上利用技术探测到它们。”

不过,虽然有些外星世界上有太多水,但这并非意味着生命绝不可能存在。德斯的团队估计,如果一颗行星与地球大小相当,但其10%的质量以水的形式存在,那么它上面可能没有任何生命。这样的行星相当于地球上有400个海洋,海洋底部巨大的压力会产生密度超大的冰,被称为ice-six或ice-seven。德斯说:“这种情况会把事情搞砸,因为你不会有水-岩石交互作用。”

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