|
太空深處生命的搜尋
（2005年06月11日 13:37:24）
|
|
|
□作者: 鄧祖淦
[1]
近年來，搜尋太陽系外生命的研究是最引人注目的研究領域之一。這一領域的研究不僅涉及到人類自身的起源問題，也是現代科學與高技術密切結合並推動技術迅速發展的典型例子。由此發展出來的新技術無疑將推動經濟、國防和科學的進一步發展。
地球上的生命現象在宇宙中是否唯一
許多孩子都會問父母︰“我是從哪里來的？”人類作為有智慧的生物，在其出現後也一直在問自己同樣的問題。幾乎所有民族最早的故事和童話中都有人是怎麼被造出來的傳說，這些傳說有的在後來發展成了宗教故事。這些故事有一個共同之處，那就是人是特殊的，是由某種未知的神奇力量造出來的，因此宇宙中只有地球上才有有智慧的人類和其他生物。
人類文明的發展當然不會停留在故事上。關于生命起源的問題始終是人類懷著極大的好奇心希望了解的問題。16世紀，哥白尼首先基于天文觀測指出︰地球並非宇宙的中心。接著，布魯諾提出︰宇宙中存在著無數個太陽，有無數個地球圍繞著這些太陽轉動。他因此被指責為異教徒而被活活燒死。
到了20世紀初，美國天文學家哈勃以大量的觀測事實證明︰即使銀河系也並非是宇宙的全部，在銀河系之外還有著無數大大小小的與銀河系類似的星系，它們每一個都由無數個類似太陽的恆星組成。這些大大小小的太陽通過核聚變產生並向周圍輻射能量。我們的太陽僅僅是這無數太陽中的一個,而且並不特別。
自從人類認識到這一事實之後，各種關于外星人的科幻電影和不明飛行物的報告便時時出現。但是，迄今為止，尚沒有任何發現外星人的確鑿證據。盡管如此，人類從未放棄對太陽系外生命的探索。這種探索首先是搜尋與地球上相同或類似的生命現象，包括對太陽系外行星的搜尋。
因此，怎樣根據遠處的觀測，判斷一顆行星上是否存在大規模生命現象也是科學家們研究的一個重要課題；再者，宇宙中是否還存在著與地球上不同的生命形式也是一個激動人心的研究課題。生命的起源、演化和太陽系外生命的搜索目前已經成為一門集各學科分支于一體的綜合性學科。在高技術的支撐下，這些研究在近年取得了重要的進展，同時也提出了更多有待解決的問題。
其他恆星也會有行星和行星系嗎
對太陽系其他行星或某些大行星的衛星上是否存在生命的研究已經進行了相當長的時間。迄今的研究結果表明，所有太陽系其他天體上不像存在著有智慧的生命。而在某些星球，如火星、木星的衛星木衛一和木衛二上是否具有維持生命現象存在的條件，甚至存在著某種形式的生命，這方面長期以來一直存在著爭論。正在進行和擬議中的一系列空間計劃有望在不久的將來對此給出可靠的答案。
與此同時，人們也將眼光轉向太陽系外的其他恆星。天文學家一直在努力尋找近距離恆星的行星，但是，由于行星本身並不發光，只能反射恆星所發出的光，而通常恆星比繞它運動的行星要亮100萬倍至幾十億倍，因此，處在明亮的恆星周圍的行星所反射的微弱的光將完全被眩目的恆星光芒所掩蓋。此外，由于太陽系外行星距離我們非常遙遠，恆星與繞其運動的行星間的視角非常之小，因此，觀測哪怕是近鄰恆星的行星也要比人們從北京觀測遠在數千公里外的西南邊陲昆明市的一個聚光燈旁的小蟲子困難。
直到1995年，天文學家才第一次確切地觀測到了繞太陽系外恆星運動的行星。自那以後，太陽系外行星便一個接一個地被發現。迄今為止，已發現了八十幾顆。但是，所有這些太陽系外行星都並沒有真正被發現者“看到”，天文學家只是通過觀測恆星本身在圍繞它運動的行星的引力作用下的表現來確定其附近必然存在著行星的。
行星之所以圍繞恆星轉而不會逃離恆星，是由于恆星對行星有引力作用。與此同時，行星也同樣會有引力作用在恆星上，這個作用力也必然導致恆星運動。但是，由于恆星比行星重得多，因此，因行星對恆星的作用而引起的恆星運動也比行星要微弱得多。根據萬有引力定律和牛頓運動定律，當一顆恆星只有一顆行星時，此行星和恆星將圍繞一個共同的中心，即它們的質心運動。而且，恆星和行星的運動速度和軌道大小與它們的質量成反比。由于恆星的質量比繞其運行的行星大得多，因此，恆星的運動速度或運動範圍也比行星小很多。
實際上，恆星在其行星或行星系的作用下只有非常輕微的晃動。以太陽和地球為例︰僅由地球引力引起的太陽的運動速度不到10厘米/秒，由此引起的太陽晃動的軌道的大小只有太陽半徑的萬分之幾。較大質量的行星會引起太陽較大的晃動。像太陽這樣具有多個行星的恆星則會呈現復雜的晃動。通過對恆星晃動的觀測，可以判斷在此恆星周圍是否存在著行星。觀測恆星晃動的方法之一是精確地測定恆星晃動時的位置變化，即精密天文測量法。但現有的望遠鏡遠遠不足以測量出恆星由于其行星的引力作用而引起的位置上的變化。
光干涉技術能夠大大提高望遠鏡的測量精度，使地面天文望遠鏡探測到恆星的小至20微角秒的晃動。如果這樣的晃動是由一顆與恆星相距一個天文單位 (地球到太陽的距離叫做一個天文單位，約為1.496×108公里) 處的行星的引力所引起的，而假定這顆恆星與地球相距10秒差距(1秒差距約為3×1013公里)，那麼，要引起可以被觀測到的這種大小的晃動，行星質量至少應是地球的66倍。
計劃發射的空間干涉望遠鏡的觀測精度可達2微角秒，這樣，在上述同樣條件下，行星質量只需地球質量的6.6倍就可以被探測到。盡管如此，精密天文測量法也只能探測到不遠處恆星的大質量行星，而難以探測到與地球大小類似的所謂類地行星。迄今，還沒有一顆太陽系外行星是用這種方法發現的。
另一種方法是觀測恆星因其周圍行星的引力作用而產生的效應。當恆星受行星引力作用而有細微的晃動，且行星的軌道平面相對于地球是傾斜的時候，恆星有時會朝向地球運動，有時則會離開地球運動。觀測它所輻射出的某一已知波長的光，則在它朝向地球運動時，接收到的光的波長會向短波方向移動，即頻率會增高；反之，在它離開地球運動時，接收到的光的波長將向長波方向移動。這種現象稱作多普勒效應。利用地面或空間的大型望遠鏡獲取恆星的高分辨光譜，並觀測其中已知波長的譜線的來回移動，就可以判斷某一恆星周圍是否存在行星或行星系。迄今為止，大多數太陽系外行星正是用這種方法發現的。
天文學家還可以利用地面大型望遠鏡探測到恆星的低至3米/秒的往復運動。行星質量越大，距恆星越近，它所導致的恆星的往復運動的速度就越快。所以，用這種方法也比較容易發現質量大並與恆星距離近的行星。
除此之外，行星的存在還可能產生其他可觀測的效應。如果行星在繞恆星運動時正好通過地球與恆星之間，那麼，從地球上觀測，此行星就會遮擋住一部分恆星的光。通過非常精密的測量就會發現，恆星變暗了一點，其變暗的時間長短取決于行星與恆星的距離，而變暗的程度取決于行星的大小。由于行星是繞恆星作周期運動的，因此，這種恆星亮度的變化也會呈現周期性。從恆星變暗的周期和變暗的程度，可以估計出行星的大小和軌道。
設想一顆類似太陽的近鄰恆星，它有一顆與之相距1個天文單位的行星。如果此行星的大小與木星類似，則它將遮擋住此恆星的1％的光。這種亮度變化是目前可以觀測得到的。但如果此行星如地球大小，則它僅能遮擋住恆星的不到萬分之一的光。目前的望遠鏡還難以分辨如此微弱的亮度變化。因此，目前用這種方法也只能觀測到較大的近距離行星。
引力透鏡方法也被認為是探測太陽系外行星的一種可能的途徑。引力透鏡是愛因斯坦的廣義相對論所預言並已被大量觀測事實所證實的一種效應。按照廣義相對論，大質量物體會使時空彎曲，因此，通過它附近的光也會發生偏轉，使光線會聚，就像光線通過稜鏡時一樣。這種效應稱為引力透鏡效應。在行星經過恆星的前面時，由于引力透鏡效應，觀測者會看到恆星變得比往常亮。引力透鏡效應在行星並不遮擋恆星時也會產生，因此，出現的可能性更大。實際上天文學家在大約十年前就已開始用引力透鏡效應尋找不發可見光的天體並取得了成功。
如上所述，所有這些搜尋太陽系外行星或行星系的方法都是間接的，而且在目前的技術和設備能力下，用這些方法只能發現質量較大且距恆星較近的行星。這就是目前已發現的行星大多數都是質量與木星相當且距恆星較近的行星的原因。
直接觀測太陽系外行星的計劃
人類是永遠不會在探索新世界上滿足于現狀的。人們不僅要用間接的方法探測太陽系外的行星，更要直接地“看到”它們。不僅要看到太陽系外的大質量行星，而且還要看到類似地球的所謂類地行星。特別是要通過觀測了解這些行星的性質，如它們的大小、軌道、大氣成分等，研究它們是否曾經維持過或正在維持著大規模的生命活動。
從理論上來說，較大的望遠鏡可以收集較多的星光，獲得較高的分辨率，從而可以觀測到較暗弱的天體，同時也可以分辨開相距較近的天體，因此，似乎只需要發射一個足夠大的望遠鏡就可以觀測遠處恆星附近的類地行星了。但事實上，要實現上述目的，望遠鏡的大小至少必須比足球場還要大。而且，地球大氣湍流的影響會使得地面望遠鏡難以達到如此高的分辨率，而發射如此巨大的空間望遠鏡，並使它能夠精確地對準和跟蹤觀測對象顯然也是不現實的。
目前，“直接”觀測太陽系外行星和行星系的方法主要分為兩類︰第一類是受觀測太陽日冕活動的啟發。日冕是由太陽表面附近的一種等離子體的輻射引起的。科學家們設計了一種稱為日冕儀的裝置，它能夠將太陽發光的盤遮擋起來，以清晰地觀測日冕活動的圖像。人們據此設計了一種設備，希望通過遮擋住恆星的光以實現觀測到恆星附近的行星的目的。
但是，這一裝置的工作原理與日冕儀非常不同，因為要分辨開恆星與其近鄰的行星，需要的分辨率必然很高。由于光的衍射效應，對圓形的孔徑，每個恆星的像將成為一個亮斑和一系列明暗相間的圓環。由于中間的光斑和內部的若干圓環異常明亮，會掩蓋住行星的光，因此需設法遮擋。如果將望遠鏡的等效孔徑設計為其他形狀，則衍射環的形狀也將改變。這時如果讓望遠鏡轉動，則行星在望遠鏡上的像將會移動，並經過暗條紋區，這樣，人們就可以“看到”行星了。這一方法的優點是可以在可見光波段工作，並且探測器無需制冷。但是，它需要觀測接收器件非常高的動態範圍和大望遠鏡。
另一類方法是利用光的干涉效應。天文學家從二戰後就開始發展射電干涉望遠鏡，並在天文學的一系列重要發現中起到了特殊作用。但是，在波長較短的波段，干涉較難實現。觀測行星最好是在紅外波段，因為行星不發射可見光。但它們有一定的溫度，因此必然會產生紅外輻射。這種紅外輻射的干涉在地面上固定的兩台望遠鏡間進行的實驗已獲成功。但由于地球大氣的湍流運動會影響光干涉的實現，因此最好在空間進行這種光干涉觀測。
為此，科學家和工程師們設計了一種專門用于探測類地球行星的空間探測器方案。這種空間探測器是由多個相對位置精確固定的空間望遠鏡組成的隊列飛行器，其效果等同于一台大小與這些飛行器的分布範圍相同的大型空間望遠鏡。這些空間望遠鏡接收到的光通過干涉可以同時達到兩個目的︰其一是可使探測器的分辨率大大提高；其二是可以抑制耀眼的恆星的光芒，並增強暗弱的行星的亮度。這將不僅能使科學家“看見”恆星附近的行星，並且還可以對行星的光譜進行觀測分析。
光干涉技術的優點在于它是用一組較小的望遠鏡通過干涉而獲得大望遠鏡的效果，所需要的探測器的動態範圍可以比前一種方案減小一千倍。它可以抑制恆星的光從而在觀測行星光譜等性質時有更可靠的結果，有利于長遠的研究目標。其缺點是由于它是在紅外波段觀測的，故探測器的相當大部分需要制冷。
隊列飛行本身也是極富挑戰性的技術。這是因為，要實現光干涉，各飛行器間的相對位置必須精確固定，而且每個飛行器必須同時精確地指向相同對象或方向。這種指揮不可能由地面的指揮中心來進行，而只能由空間飛行器本身的相互聯系來完成。
為了實現上述設想，美國和歐洲分別制訂了空間和地面計劃。美國航空航天署已制訂了“類地行星發現者”計劃(簡稱TPF)，計劃在2012年左右發射隊列飛行的空間干涉衛星，以直接觀測其他恆星的行星或行星系，並對這些行星的有關性質進行測定。
作為TPF的先聲，計劃于2006年發射“星光”衛星。這是計劃發射的第一個由兩個小型望遠鏡組成的距離為125米的干涉望遠鏡，它實際上就是由兩個小型衛星組成的隊列飛行器。“星光”之後，計劃于2009年發射“空間干涉”衛星，以對銀河系中的恆星進行精密天體測量觀測。預期其位置精度將比迄今為止的天體測量資料要高數百倍。這樣的精度可以用于精確測定恆星離地球的距離和探測近距離恆星的行星和行星系。它同時也可以為TPF計劃選擇合適的觀測對象。目前，TPF計劃究竟將采用哪種方法來觀測太陽系外行星尚未最終確定。
生 命 和 大 氣
在搜尋到了太陽系外行星之後，如何才能確定這些行星上是否存在著生命呢？距地球10秒差距距離的恆星已經是近鄰恆星了，但它離我們仍有大約300萬億公里。即使人類乘坐30公里/秒 的航天器，仍需要30多萬年才能夠到達該行星。甚至光也需要約32年才能夠到達。
因此，至少在可以預見的時期內，人類不可能發射航天器到近鄰恆星的行星上去實地考察，而只能從遠處對太陽系外行星進行觀測。那麼，怎麼樣的行星上可能有生命存在呢？這是人類要從眾多行星中選出進一步研究的對象所必須事先知道的。
人們常說，維持生命的要素是陽光、空氣和水，地球表面存在的大規模生命現象正是通過這些要素維持的。植物經光合作用從陽光攝取能量，並吸收二氧化碳、水和礦物質，從而產生有機化合物並釋放出氧氣；動物則吸收氧氣，並通過氧化作用獲得能量，呼出二氧化碳。這種生命現象的存在必然需要也必然會維持地球大氣中一定比例的氧、二氧化碳和水。
由于氧在紅外波段沒有明顯的特征譜線，而存在大量氧必然會有臭氧存在，故存在臭氧也是可能存在生命的一種信號。此外，地球上還有不少微生物，其中的一些會釋放出甲烷，因此，若大氣中存在甲烷也表明行星上可能存在微生物。因此，通過測量行星大氣的化學成分，可以推測行星上是否存在生命現象。
由于光通過不同元素或分子的氣體時，某些特定波長的光會被吸收，因此，在通過氣體後的光譜中會產生一系列暗條紋，人們稱之為吸收線。不同元素或分子都有其特征吸收線，人們據此可以證認出氣體中所含的元素和分子。不僅如此，科學家還可以通過吸收線的形狀、強弱等推斷出大氣的溫度、該元素或分子在大氣中的含量等。TPF計劃不只是要獲得太陽系外行星的像，也要獲取這些行星的光譜，從中選出可能存在生命的行星，以供進一步研究。
另外的生命形式
以上所述實際上是以對地面上的生命活動的了解為基礎而得出的結論。在宇宙其他地方是否有可能存在與地面上的完全不同的生命形式呢？這當然又是一個令人興奮的問題，也是一個十分困難的問題。
實際上科學家們也曾考慮過各式各樣不同于地球上的生命現象。例如，曾有人提出，是否可能存在建立在 而不是碳基礎上的生命。 與碳同屬一族，化學性質非常相似，而且都是普遍存在的元素。地球上砂子的成分主要就是二氧化 。但研究結果表明，以 為基礎的生命很難形成，因為二氧化碳是氣態，而二氧化 卻是固態，因此無法進一步形成有機分子。
但是，即使在地球上也有與通常的植物和動物根本不同的生態圈。1977年，科學家在考察印度洋加拉帕哥斯島的東面深海時發現，在深海的山脊有數十個熱液火山口，在這些熱液火山口附近存在著一種迥然不同于地面生物的生態群。這些火山口周圍的生物不可能從陽光獲得能量，因為陽光無法照到那里，它們依靠地熱和化學能維持生命。自那以後，在地球上許多深海山脊的熱液火山口均發現了這樣的生態群。
這一發現引起了地質學家和生物學家的極大興趣。當然，天體生物學家對這樣的生態群也更加注意。科學家們立即想到，這種環境條件在火星或木衛一、木衛二中也可能存在。在那里，厚厚的冰層下面可能也會存在水、地熱和火山口，這種不需要陽光而只需要熱能和化學能的生物是完全可以在那里存在的。但是，情況是否如此還要在對這些星球進行進一步探索，這種生命會對大氣產生何種影響更不清楚。總之，不同生命形式對行星大氣的影響無疑是很長一段時期內的重要研究課題。
生命是從“天”上掉下來的嗎
1960年代，人們利用射電望遠鏡發現了在星際空間存在的許多分子雲，並且，在分子雲中發現了有機分子。當時就有人提出，地球上的生命可能是由太空落到地球上的某些有機分子演化而成的。也就是說，生命可能是“從天而降”來的。隕石是太陽系形成的遺跡，也是今天研究太陽系的形成與演化的重要材料。落到地球上的隕石有的來自其他行星，有的來自彗星等。近年來，由于空間科學和行星物理學的發展，對隕石的研究有了重要進展。
2001年底美國阿梅斯研究中心（Ames Research Center）的研究人員在分析隕石時發現了糖。而在此之前，人們已經在隕石中發現過其他的有機化合物，如碳基化合物，氨基酸和羧酸等。這些都是在地球上的生命活動中起重要作用的化合物。糖的發現之所以有重要意義，是因為糖和與之相關的化合物對所有生命形式都至關重要，它們被認為是構成地球上的生物大分子的基本單元。這一發現加深了人們對有機物質可能早在地球上的生命開始之前就已經來到並存在于地球上的信念，因此彗星、隕石在生命起源中可能起著異常重要的作用。
2002年初，美國天體生物研究所的科學家又宣布了一項研究結果。他們在阿梅斯研究中心的實驗室里，在模擬的太空條件下，用紫外光照射星際普遍存在的物質，即含有一些簡單分子的冰。照射之後他們發現，在冰里形成了氨基酸。氨基酸是地球上的生命不可或缺的重要分子。這項實驗似乎表明，在太空深處的恆星附近就有著形成生命基本材料的環境。
關于隕石中是否存在微生物的遺跡，科學家們有不同的看法。但是，在宇宙空間中有可能產生生命這一觀點似乎正逐漸被更多的人所接受。實際上，地球就是宇宙中小小的一員，地球上的生命，包括人類就是在宇宙的演化中產生的。
盡管尋找地外生命甚至太陽系外生命的研究已經取得了巨大的進展，但是，距離解決所關心的問題還有很長的路要走。人們可能要在2015年後才能夠“看見”太陽系外像地球一樣的行星並得到它們的光譜，從而選出可能存在生命活動的行星。盡管如此，人們已經看到，科學家和工程師們正踏著堅實的步伐朝著目標前進。
轉載文章請首先閱讀有關轉載說明
文章作者:鄧祖淦
責任編輯:skylook
|
|
[1]
|
上一篇︰尋找時間
下一篇︰發現之旅︰中國的UFO
|
 收藏到網摘:
|
 相關信息:
|
文章評論(0):
-
（ - ）
|
|
|
|
|
系統菜單 |
|
|
|
系統登錄 |
|
|
|
企業合作 |
|
|
|
