人類敢賭嗎？發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)星球上的外星生命，或許是一場賭博！

在美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心園區(qū)的普通磚房里，數(shù)千臺自動售貨機(jī)大小般的電腦，在震耳欲聾的數(shù)據(jù)處理合唱中嗡嗡作響。日日夜夜不停息，每秒完成達(dá)7千萬億次計(jì)算，這些電腦統(tǒng)稱為美國宇航局（NASA）的”發(fā)現(xiàn)“超級計(jì)算機(jī)，其任務(wù)是運(yùn)行復(fù)雜的氣候模型來預(yù)測地球未來氣候。但現(xiàn)在，還在探索更遙遠(yuǎn)的事情，在過去20年里，在太陽系之外發(fā)現(xiàn)的4000多顆奇特怪類地行星中：

是否有任何一顆可以支持生命的存在，并有外星生命呢？科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，這些問題的答案很可能不僅是肯定的，而且與地球相比，在一系列令人驚訝的條件下，答案也更加讓人著迷。這一發(fā)現(xiàn)促使許科學(xué)家努力解決一個問題，這個問題對于美國宇航局尋找地球以外的生命至關(guān)重要。但有沒有可能，我們對什么使行星適合生命的觀念過于局限了呢？下一代強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡和太空天文臺肯定會給我們提供更多線索。

這些儀器將首次讓科學(xué)家分析最誘人的行星大氣層：像地球這樣的巖石行星，表面可能有生命的基本成分（液態(tài)水）流動在它們的表面。目前，很難探測到遙遠(yuǎn)的大氣層，按照今天的技術(shù)，向太陽系外距離最近的系外行星發(fā)射航天器也需要7.5萬年才能抵達(dá)。即使有強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，也幾乎不可能對附近的系外行星進(jìn)行詳細(xì)研究。問題是，它們太小了，被恒星的光淹沒了，科學(xué)家們無法辨別出它們反射的微弱光信號，這些信號可能會揭示地表生命的化學(xué)成分。

換句話說，正如許多科學(xué)家喜歡指出的那樣，探測這些系外行星周圍大氣的成分，就像站在華盛頓特區(qū)，試圖在洛杉磯的探照燈旁邊瞥見一只螢火蟲。加州帕薩迪納市NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的首席系外行星科學(xué)家Karl StapelFeldt說：這種現(xiàn)實(shí)使得氣候模型對探索至關(guān)重要，這些模型對我們應(yīng)該看到的東西做出了具體、可測試的預(yù)測，這些對于設(shè)計(jì)未來的望遠(yuǎn)鏡和觀測策略非常重要。

太陽系-地球是個好例子

在用大型地面和太空望遠(yuǎn)鏡掃描宇宙的過程中，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了各種各樣的外星世界，它們似乎是從想象中畫出來的。美國宇航局戈達(dá)德天體物理學(xué)家伊莉莎·昆塔納(ELISA Quintana)領(lǐng)導(dǎo)了開普勒-186f行星的發(fā)現(xiàn)，這是一顆地球般大小的類地行星。昆塔納表示：很長一段時(shí)間里，科學(xué)家們專注于尋找類似太陽和地球的系統(tǒng)。因?yàn)樘栂凳俏覀兯赖娜?，但發(fā)現(xiàn)的行星種類繁多，發(fā)現(xiàn)了像月球一樣小的行星，也發(fā)現(xiàn)了像木星一樣大巨型行星。

還發(fā)現(xiàn)了一些圍繞小恒星、巨恒星和多恒星系統(tǒng)運(yùn)行的行星。事實(shí)上，NASA開普勒太空望遠(yuǎn)鏡和新的凌日系外行星調(diào)查衛(wèi)星“苔絲號”以及地面望遠(yuǎn)鏡探測到的大多數(shù)行星，它們的大小介于巖態(tài)地球和氣態(tài)天王星之間。到目前為止，在大小上最接近地球的行星，理論上是最有可能具有宜居條件的行星，目前只在“紅矮星”周圍發(fā)現(xiàn)，紅矮星構(gòu)成了銀河系中的絕大多數(shù)恒星。但這很可能是因?yàn)榧t矮星比太陽更小、更暗，所以圍繞紅矮星運(yùn)行的行星，發(fā)出的信號更容易被望遠(yuǎn)鏡探測到。

因?yàn)榧t矮星很小，行星必須靠得太近（比水星離太陽的距離還要近）才能保持引力鎖定。由于紅矮星與所有其他恒星相比都很冷，所以行星必須離它們更近，才能吸收足夠的熱量，讓液態(tài)水在表面匯集。目前在紅矮星系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)最具吸引力的行星有比鄰星b，比鄰星b是距離我們最近的系外行星。在太陽系附近的TRAPPIST-1系統(tǒng)中也有七顆巖石行星，但這些行星是否能夠維持生命仍然是一個有爭議的問題。

科學(xué)家們指出，紅矮星在其行星上噴出的有害紫外線和X射線輻射，比太陽射入太陽系的輻射要多出500倍。從表面上看，這種環(huán)境會剝離大氣層，蒸發(fā)海洋，也能摧毀DNA。然而也許不是，盡管有輻射，地球氣候模型顯示，紅矮星周圍的巖石系外行星可能是宜居行星。安東尼·德爾·吉尼奧(Anthony Del Genio)是美國國家航空航天局(NASA)戈達(dá)德空間研究所(Goddard Institute For Space Studies)的退休行星氣候?qū)W家。

大氣層和海洋的作用

在吉尼奧職業(yè)生涯中，模擬了地球和其他行星的氣候，包括比鄰星b。吉尼奧研究團(tuán)隊(duì)模擬了比鄰星b上可能的氣候，以測試需要有多少比鄰星的熱量會讓比鄰星b足夠溫暖和潮濕，足以容納生命。這種類型的建模研究幫助NASA科學(xué)家，識別了幾個值得用NASA即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行更有生命希望研究的行星。雖然模擬研究不能告訴觀測者是否有任何行星適合居住，但可以告訴他們：

某個行星是否處于可以進(jìn)一步搜索合適候選行星的中間位置。比鄰星b圍繞半人馬座比鄰星運(yùn)行，這是一個三恒星（三星）系統(tǒng)，距離太陽僅4.2光年。除此之外，科學(xué)家們對此知之甚少。同時(shí)科學(xué)家認(rèn)為它是巖石行星，估計(jì)略大于地球的質(zhì)量?？茖W(xué)家可以通過觀察比鄰星在繞其軌道運(yùn)行時(shí)受到比鄰星b引力的大小來推斷其質(zhì)量。比鄰星b的問題是：這顆行星繞太陽一圈只需要11.2天，而地球繞太陽一圈需要365天。

物理學(xué)告訴科學(xué)家，這種安排可能會讓比鄰星b被引力鎖在它的恒星上，就像月球被引力鎖在地球上一樣。如果是真的，比鄰星b的一側(cè)將面對恒星的強(qiáng)烈輻射，而另一側(cè)凍結(jié)在黑暗的太空中，這對兩邊的生命都不是好兆頭。研究模擬顯示，比鄰星b，或任何具有類似特征的行星，也可能是宜居的，引為大氣層和海洋在其中起著基礎(chǔ)性的作用。Del Genio團(tuán)隊(duì)升級了20世紀(jì)70年代首次開發(fā)的地球氣候模型，創(chuàng)建了一種名為Rocke-3-D的行星模擬器。

比鄰星b是否有大氣層是一個懸而未決的關(guān)鍵問題，有望通過未來的望遠(yuǎn)鏡來解決，在每一次模擬中，研究團(tuán)隊(duì)改變了比鄰星b空氣中溫室氣體的類型和數(shù)量。也還改變了海洋的深度、大小和鹽度，并調(diào)整了陸地和水的比例，看看這些調(diào)整將如何影響比鄰星b的氣候。像ROKE-3-D這樣的模型，開始時(shí)只有一些關(guān)于系外行星的基本信息：大小、質(zhì)量和與恒星的距離?？茖W(xué)家們可以通過觀察一顆行星從它前面穿過時(shí)恒星發(fā)出的光線減弱：

或者通過測量一顆行星圍繞恒星旋轉(zhuǎn)時(shí)對它的引力來推斷這些事情。這些稀少的物理細(xì)節(jié)為方程式提供了信息，這些方程式包括建立最復(fù)雜的氣候模型所需多達(dá)100萬行計(jì)算機(jī)代碼。該代碼指示像NASA發(fā)現(xiàn)超級計(jì)算機(jī)這樣的計(jì)算機(jī)，使用既定的自然規(guī)則來模擬全球氣候系統(tǒng)。在許多其他因素中，氣候模型考慮了大氣層和海洋如何循環(huán)和相互作用，以及來自太陽的輻射如何與行星大氣和表面相互作用。

當(dāng)研究團(tuán)隊(duì)在發(fā)現(xiàn)超級計(jì)算機(jī)上運(yùn)行ROKE-3-D時(shí)，看到比鄰星b的假想大氣通過偏轉(zhuǎn)輻射，起到了巨大的太陽傘的作用。這可以將比鄰星b面向太陽的一側(cè)的溫度從過熱降低到溫暖。其他科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，比鄰星b可以形成如此巨大的云層，如果人們從表面抬頭看，它們會遮蔽整個天空。NASA戈達(dá)德行星科學(xué)家拉維·科帕拉普也對系外行星的潛在氣候進(jìn)行了建模，他說：如果一顆行星被引力鎖定，并沿著軸線緩慢旋轉(zhuǎn)，那么恒星前面就會形成一圈云層，總是指向它。

這是由于一種名為科里奧利效應(yīng)的力，它會在恒星加熱大氣的位置引起對流。同時(shí)還對系外行星的潛在氣候進(jìn)行了建模，模型顯示比鄰星b可能就是這樣的。除了使比鄰星b的白天比預(yù)期溫度更高之外，大氣和海洋環(huán)流的結(jié)合，將使溫暖的空氣和水在行星周圍移動，從而將熱量輸送到寒冷的一側(cè)。因此，比鄰星b不僅可以防止夜間的大氣結(jié)冰，還可以在夜間創(chuàng)造出一些局部條件，即使這些區(qū)域看不到光，這些區(qū)域也會在表面上保持液態(tài)水。

以新的眼光看待

大氣層是圍繞行星的分子包層，除了幫助維持和循環(huán)熱量外，大氣還分配滋養(yǎng)生命或由其產(chǎn)生的氣體。這些氣體就是科學(xué)家們將在系外行星大氣層中尋找的所謂“生物特征”，但到底應(yīng)該尋找什么仍然沒有確定。太陽系地球是科學(xué)家擁有維持生命大氣層化學(xué)成分的唯一證據(jù)。然而，當(dāng)使用地球的化學(xué)物質(zhì)作為銀河系其行星模型時(shí)，必須謹(jǐn)慎。例如，戈達(dá)德行星科學(xué)家賈達(dá)·阿尼(Giada Arney)的模擬表明：即使是像氧氣這樣簡單的東西也可能構(gòu)成陷阱。

如果外星文明在數(shù)十億年前將望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)地球，希望發(fā)現(xiàn)一顆在被氧氣包裹的藍(lán)色行星，他們也會失望的；也許他們會把望遠(yuǎn)鏡對準(zhǔn)另一個世界。但是，在38億到25億年前，甲烷可能是尋找生命的最好生物特征，而不是氧氣。這種分子在當(dāng)時(shí)是大量產(chǎn)生的，很可能是由海洋中悄悄誕生的微生物產(chǎn)生。地球歷史上這一階段的有趣之處在于，與現(xiàn)代地球相比，它是如此的陌生。當(dāng)時(shí)地球還沒有氧氣，所以地球在望遠(yuǎn)鏡里甚至不是一個淡藍(lán)色的點(diǎn)，而是一個淺橙色的點(diǎn)。

這可能是籠罩著早期地球的甲烷煙霧所產(chǎn)生的橙色霧霾。像這樣的發(fā)現(xiàn)“拓寬了我們對系外行星可能性的思考”，有助于擴(kuò)大行星科學(xué)家將在遙遠(yuǎn)行星大氣層中尋找的生物特征清單。雖然行星氣候模型是理論上的，這意味著科學(xué)家們還沒有機(jī)會在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行測，但它們?yōu)槲磥淼挠^測提供了藍(lán)圖。模擬氣候的一個主要目標(biāo)是確定韋伯望遠(yuǎn)鏡和其他任務(wù)中最有生命存在希望行星，以便科學(xué)家能夠最有效地利用有限而昂貴的望遠(yuǎn)鏡時(shí)間。

此外，這些模擬正在幫助科學(xué)家創(chuàng)建一個潛在的化學(xué)特征目錄，也許會有一天會檢測到這些特征。擁有這樣的數(shù)據(jù)庫，可以幫助科學(xué)家們快速確定正在觀測的行星類型，并決定是繼續(xù)探測還是將望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向其他地方。Del Genio還指出：發(fā)現(xiàn)遙遠(yuǎn)行星上的生命或許是一場賭博！人類敢賭嗎？能賭贏嗎？從歷史人類探索宇宙的雄心來看，當(dāng)然是敢的吧？如果我們想要最明智地觀察探測，氣候模型就顯得尤為重要，因?yàn)檫@只會增加找到機(jī)率。

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博科園｜研究/來自：美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心

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