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从科幻到科学:十年内可找到外星生命?

2017-08-09 15:00:02来源:清华大学天体物理中心《新世界和新视野》系列讲座 已浏览人数:
我们小的时候,最先遇到的一个问题可能就是,生命从何而来?在我们身边,到处都有丰富多彩的生命,所以我们也想知道,在地球以外,乃至太阳系的周围是否也有生命。

(作者:林潮,加州大学圣克鲁兹分校教授,清华大学高等研究院客座教授,美国艺术与科学院院士,英国皇家天文学会荣誉会员)

如何找到类地行星?

今天来了很多小朋友,而我们小的时候,最先遇到的一个问题可能就是,生命从何而来?在我们身边,到处都有丰富多彩的生命,所以我们也想知道,在地球以外,乃至太阳系的周围是否也有生命。为此,人类做了各种各样的探索:到月亮上、到木星的卫星上、到水星的卫星上。在这些地方,我们看到了很多与地球相似的生命特征,比如地面有水,温度也跟地球差不了太多,但是几十年的探索下来,到今天为止,人类还是没有在地球以外、太阳系以内的地方发现生命存在的迹象,甚至在被寄予了最大希望的火星上,迄今都还没有发现生命的遗迹。

所以科学界就想到,是不是能够走出太阳系去看看有没有智慧生命。但一个很大的问题是,如何寻找智慧生命,因为智慧生命本身就是未知的未知,我们不知道该找哪些线索,该关注什么信号。在这种情况下,1961年,美国的天文学家Frank Drake想到了一个按部就班地找寻智慧生命的方法,就是用我们已知的一些条件,去估计地外生命存在的可能数量。

比如说,估算一下银河系里有多少颗恒星,在恒星的周围有多少个行星系统,行星系统里有多少类似地球的行星系统,而在类似地球的行星系统里,已经演化出生命的概率有多大,这些生命又有多少可以变成有智慧的、已经发展了科技的、能够与我们通讯的生命,它们又可以维持多久的寿命。

这一思路提出后,人类就开始了寻找地外生命的行动。然而迄今为止,我们都没有找到任何可知的迹象。但这一方法启发了我们如何走到太阳系外去寻找生命,就是先看有没有适合生存的行星。这就好比如果人们找到了老虎的洞穴,就有可能找到老虎的踪迹。

那什么迹象才能表明这颗行星是可居住的呢?依据地球上的条件来考虑,首先想到的就是地面上要存在液体水。液体水本身并不代表有生命存在,但就地球生命而言,水有重要的作用:一是水是非常好的运输媒体;二是水有三态,可以把有机元素集中在一起,然后使它在适温条件下产生某些化学作用。

就这样,人类一直苦苦寻找着太阳系以外的行星系统,直到近20年来才陆续有了些收获。为什么这么难呢?因为一些行星跟它们的主恒星比起来,光是非常微弱的,这要求人类有非常高精确度的测量工具。一是要能分解出这颗行星和主星的距离,分解到一角秒那么大的距离;同时还要辨识出它的光,而它的亮度只有主星的十亿分之一,这是一个巨大的挑战,特别是对地面观测而言,因为大气层里有很多湍流,这些湍流会使图像非常模糊。

近一二十年来,人类发展出了一种名为“自适应光学”的技术,这种技术包括把一束激光打到离地面90公里高的地方,造出一个人工的光点。然后我们在测量器里看这个点,看看它是不是已经分化出来了,这样就可以把整个大气层形成的微扰消除掉。不过到今天为止,我们用这个方法也仍然没能发现地球这么大的行星。

第二个方法是1995年取得的重大突破,是由两名瑞士科学家提出的用“视向速度”来找系外行星,就是去衡量主星的速度是不是有一些变化。为什么主星的速度会有变化呢?如果主星周围有行星围绕它转的话,就会影响主星的运行速度,所形成的多普勒效应会使它的波长上上下下地改变一些,但这个改变是非常非常小的,需要有非常高的观测精确度。至少到现在为止,我们没办法做到一根线一根线地衡量。因此这两名科学家发明了一个方法,就是把它摆到一个镜子里边,用光学梳的办法,使人可以同时观察几千条光线。这就好比用一只手在一个梳子后面左右晃,这时你就可以在梳子前面同时看到梳子齿缝里的无数条光线的变化。

用这种方法,他们找到了太阳系外的第一颗行星。这一发现是非常意外的,因为这颗行星上上下下的速度使主星的速度每秒变化了50米,但是变化的周期只有4天。这么推测下来,可能这颗行星的质量和木星差不多(编者注:木星的体积是地球的1316倍),而它和它主星的距离等于地球离太阳的1/20,这是大家都没有料到的。有了这个发现后,我和同事们马上就开始做一些模型去解释这个过程。

第三个方法有点像观测日食和月食的方法,叫做“凌星观测”。就是当一颗行星经过主星前边的时候,会使主星的光度稍暗一些。如果是一颗木星的话,其主星变暗的光度大约不到百分之一。但如果是地球这么大的行星,就只能使主星暗下来不到万分之一,所以还是要求非常高精确度的观测才能衡量出这些主星的光变。这么高要求的精确度也就是在最近一段时间——2009年的时候,才因为有了一颗新卫星而实现的。这颗新卫星是美国航空航天局(NASA)发射的一颗科学卫星,名叫“开普勒”卫星,它发射出去后找到了差不多3000多颗行星,一下子大大发展了人类寻找系外行星的脚步。

第四个找系外行星的方法是“微引力透镜”法。它是由爱因斯坦的相对论提出来的。意思是说,当行星围绕主星转的时候,由于引力的原因,恒星附近的空间会发生弯曲,这种弯曲使作为背景光源的恒星发出的光像通过透镜一样发生变化,增强它的光度,这样我们就能在差不多几个小时的时间里观测到一些行星的迹象。这个工作的主要贡献者之一就是今天讲座的主持人毛淑德老师(编者注:毛淑德为清华大学天体物理所所长、中科院国家天文台星系宇宙学部主任)。

就这样,又经过20年的发展,人类对行星的了解大大增进了。1995年时,人类只知道一两颗行星,精确度也不是很高,当时能观测到的最轻的行星,是像木星那么大的行星。但到了今天,我们已经可以观测到两千多颗包括跟地球大小和质量都差不多的一些行星了。所以,我们可以开始做一些更细致的工作,如统计工作,因为我们要知道的不是一两颗行星的性质,而是这一类行星到底都有什么样的性质。

通过凌星观测,我们发现,在太阳系周围的一些恒星中,木星大小的行星一般只占百分之十几,而至少有一半的恒星周围都有地球大小的行星。所以我们现在知道,行星系统是众多的,几乎每一颗恒星周围都有一些行星,而且至少有一半恒星周围有地球质量以上的行星。

另外一个发现是这些行星系统的性格特质非常多元化,有的跟太阳系行星的特点相似,有的则很不一样。

我们的太阳系至少有八大行星,在很多其他的行星系统里,比如说在一个叫“开普勒11”的系统里,我们至少观测到了六颗行星,通过观测它们的活动可以知道它们的公转周期,通过倾角的角度知道它们基本上还是在同一个轨道平面上运行的。

还有很多我们已知的行星,它们的周期只有几天、几个星期或者几个月,而地球的周期大约有一年。我们现在还没有足够高精密度的设备去探索长周期的行星,但至少我们知道有很多很多的行星离它们的主星较近,而且有很多行星的轨道是更为椭圆的。另外我们还发现有一些行星是围着两颗恒星旋转的。

现在回想起来,远在战国时期的一些哲学家也曾思考过遥远的宇宙天象问题。不光是屈原在他的《天问》里思索过宇宙星辰,和他同时代的古希腊著名哲学家伊壁鸠鲁(Epicurus),在给另一名古希腊哲学家希罗多德(Herodotus)的信里也谈到过:“大千世界,有些像我们,有些不像我们。”而当年的这些科幻预言今天已被人类证实。

有了这些丰富的新知识,我们就可以开始建立一套较为系统的理论了。但系外星系丰富的多元化特征,使得人类的工作有点像盲人摸象。因为我们看到的很多东西,只是在较为片面的情况下看到的。

简单总结一下,我们现在已知的东西主要有两点,第一是行星系统的普遍存在,第二是各个行星系统性质的多元化。要理解这些现象,需要应用的工具也已不是经典力学,而是统计力学。就是不但要单独研究每一个系统,而且要系统性地将所有行星作为一个整体样本来研究。

行星的性质为什么有多元化的特点?是因为其间发生了很多复杂的物理和化学过程,最终的结果是,行星系统实际上是混沌演化的幸存者(编者注: 在非线性科学中,混沌指一种确定的但不可预测的运动状态)。这是100多年前,法国数学家庞加莱提出的太阳系能不能永存的问题,就是说太阳系在它的引力下能不能保持稳定性。现在看来,很多时候,由于它的引力不稳性,所以产生了很多演化现象。

另外,在行星科学大大发展的同时,人类在红外天文学上也取得了重大进展。大约上世纪八九十年代的时候,我们发射了几颗红外卫星,加上哈勃太空望远镜,这样就可以看到恒星形成的区域,从中还能看到一些正在形成的恒星盘。这些恒星盘的大小往往比太阳系还要大一些。这些恒星盘也刚好符合法国天文学家、数学家拉普拉斯在200多年前推测的整个太阳系形成的模型。

这个模型是什么样的呢?我们知道,太阳系里的行星基本上都是在同一个平面上运动的。拉普拉斯当时的想法就是,这些行星今天所占领的位置反映的就是它当初形成的过程。用这种想法来推测的话,就等于说我现在在这个屋子里看到的所有人都在北京,所以我的结论是每个人都是在北京出生、成长并一直在这工作的,但显然这个结论是错的。

现在,我们在概念上已有了重大改进,知道了行星在形成过程中是有过明显迁移的。当引力使星云集中在一起的时候,只要有一点角动量就可以形成一个旋转速度非常快的盘,这些盘的里面温度比较高,盘外面的温度稍微低一些。盘里含有除了氢和氦以外的重金属元素,慢慢地,它们结成一些灰埃,灰埃相撞变成石块,石块相撞变成子行星,子行星继续相撞变得越来越大,最后吸积一些周围的气体,进而形成这些巨行星。

这个过程本身是非常复杂的,需要懂得动力学、流体力学、磁流体力学,而且还要知道整个物态方程和辐射传导。具体的研究方法,比如用数字来模拟相撞的过程,看它到底能够吸积多少气体,或者相撞到什么程度就会让速度快得把它打得粉碎。然后我们对这些相撞的结果进行比较,比如说对“嫦娥”带回来的月亮表面的图象进行比较。

另外一个在理论上取得很大进展的是,我们知道了行星在形成过程中,在什么样的情况下会积累足够的质量,形成一些像地球大小的类地行星的核,然后开始吸积周围的气体,最后形成像木星这样大的行星。在这一过程中,它会对周围的盘产生潮汐作用,发挥一些引力上的影响,产生引力波和密度波,密度波会产生角动量的传导,进而使行星的轨道发生迁移。这些问题都是当前理论研究上的热门课题。当一个巨行星形成后,它会影响周围的环境而产生多向的巨行星,在多向的巨行星运转过程中,它们互相发挥引力作用,导致引力不稳,产生混沌,然后产生一些非线性的作用。有些行星会被甩到主星的周围,被主星的潮汐作用撕裂。在被撕裂的过程中,它外边的气体会被拉进去,但是中间的核可以保持住,这些核会形成一些超级地球(编者注:超级地球即一些巨大的类地行星)。在这一演化过程中,它们的质量可能会减少,轨道会改变。

而这些超级地球跟周围的盘之间互有潮汐作用,它们也会在这个盘里边慢慢地运转,在盘和这些行星的演化过程中,可以产生出多行星的系统。最近我们观测到了一些行星系统,一颗主星被一颗行星盖住了,而此时另外一些行星也正在经过,会盖住这颗盖住主星的行星,然后使它的光度发生变化。

通过这些现象,我们会发现有很多的行星开始向主星靠拢,在靠拢的过程中,它们可能会集中起来,这也是统计物理上可以做的一些非常深奥的研究,特别是它们怎么进入共振,怎么进入混沌,最后怎么使它们的轨道开始变成多元化的轨道。

这一两年里,人们还发现一些行星围绕主星公转的周期甚至不到一天,比如一颗叫做“开普勒78”的行星,它每8小时就绕主星转了一次,它离主星的距离等于地球到太阳距离的1/60,仅在三倍于主星半径的地方,几乎靠着主星了。而主星本身又有一些磁场,当这颗行星围绕主星磁场转的时候,就会对磁场有一定影响,进而产生电压,电压带来的电流经过它,产生一些阿尔文波,然后影响主星,在这一过程中间会产生欧姆耗散,使这一行星的大气基本上蒸发掉了。但这颗行星里边还有一些硅,硅的温度可以达到2500到3000摄氏度,这些硅还可以产生硅的大气。如果知道硅的导电度,那么我们就可以知道欧姆耗散率。到现在为止,我们基本上可以通过观测到的一些现象,知道它的表面是不可能有铁的,只不过是有一些浓浆,可能这颗行星的铁已经到了它的核里。

接下来,中科院国家空间科学中心正在准备发射一枚利用天体测量寻找地球的双胞胎的空间望远镜。同时国际的同行们也进一步通过径向速度和凌星观测衡量其中一些行星的质量和半径,然后知道它们的密度,通过密度可以知道它们的基本物质大体上是水还是氢和大气。通过对整个这一批行星做的一些基础研究,就可以知道它们的主要成分,然后在行星之间进行比较行星学的研究,最后可以知道一些行星的可居住性。

十年后找到地外生命

现在我们知道了该怎么理解行星的结构和行星演变的动力学等很多有意思的知识,现在让我们回到生物问题上来,就是我们一开始问的:如何寻找生命?

我们已经找到了在可居住区里的行星,接下来我们就用其他方法去找更多的在可居住区里的行星,甚至包括在类似太阳的一些恒星周围,找类似地球的行星。使用的方法是天体测量,这也是勘测行星对主星的影响,看它的位置出现了什么的变化。

再下一步,到底什么迹象能表明这些行星上是有生命还是没有生命呢?面对那些不像我们的生命,我们不知道究竟应该问什么问题,但我们知道对像我们的生命,我们可以问什么问题。所以第一步是先找到一些像我们的生命,那么该用什么工具去观测呢?我们有一些地面观测工具,比如国家天文台正在参与的一些国际合作项目,如30米望远镜;还有建在贵州的500米射电望远镜(FAST);以及空间站里用的工具,如太空望远镜。这些都可以用来探索地外生命。通过这些工具,我们能观测到很多行星外面的大气层,因为当行星经过主星的时候,有一些光经过大气层,通过它的光谱,我们可以得知它的成分,或者是温度、密度等。

在寻找生命迹象的过程中,1983年,天体物理学家布兰登·卡特提出了一个非常富有哲学性的原理,叫做“人择原理”,说的是人类在解释天文和宇宙现象的时候,应该适当地考虑生物进化对观测这些现象的限制。也就是说,我今天之所以能够问这些问题,是因为我已经在这些边界条件里了。另外生物学家还需要注意,不能只考虑生物的演化,也要考虑它周围环境和宇宙环境的改变使生命演化受到了限制。

很多人认为地球上最原始的生命起源于38-40亿年以前,在这之前,地球还在形成的过程之中,在太空中经历了无数次的相撞,直到差不多44亿年前,地球上开始有一些水。可能最早的生命起源于海底火山的周围,产生了一些最原始的生命,然后慢慢到了大约38亿年前,地球表面上出现了一些蓝藻,而后逐渐形成了原核生物和真核生物。又过了很久,到了20亿年前,地球的环境开始发生巨大变化,由于那些很初级的细菌不断地把大气里边过多的二氧化碳变成氧,地球大气层里边的氧气开始积聚,最终使温室效应减弱。在地球的温度还比较高的时候,太阳还很年轻,光线比较暗,两者互相平衡,对地球上的环境产生了一定影响。

那么最能体现地球上有生物的证据是什么?是分子氧。分子氧本身并不是生物所需的必需品,而是生物产生的废物,这些废物实际上参与了大气循环,通过光合作用,产生了氧,然后再通过呼吸产生二氧化碳,这些过程是非平衡的化学演化。

在把地球和金星、火星进行比较后,我们发现只有在地球上,正是由于这些生物的存在才产生了分子氧。而如果没有生命,那么这些分子氧很快就会氧化,几千年内就会减少到几乎观测不到的地步。

那么生命到底是什么呢?生命本身是一个自我形成、自我繁殖的过程。生命物质和非生命物质的区别就是,它可以形成自我复制的模子,这些模子就是DNA分子,而DNA分子的演化状况是亚稳态的。就是说在不断地自我复制中,它往往会产生一些变化,这些混沌的变化蕴含着演化的可能性,就是使它能够生存下去。

用达尔文的进化论来解释,这种演化有几个主要条件,一个是在空间上指数扩张,使它能够在短期内尽量多地繁殖,当复制状况出现变异的时候,通过双性繁殖,它可以把演化来的多元化特征尽快扩散,这就是智慧的体现。

到底什么是智慧?每一种定义都充满争论。但从能够观测的角度看,我至少可以定一个能够定向化的评价规则,就是智慧是优化、扩散和保护基因生存力的能力。这是一种什么能力?如果是双性繁殖的话,一开始的时候,两个生物相遇才可以互相配对;但是比如鸟类,它通过叫声,就可以使它和别的鸟相遇的几率大大增加。再进一步发展下去,生物还可以超越时间去留下自己的痕迹,比如说一些动物可以在某个地方留下痕迹,一段时间以后,这些痕迹还可以被找到。

最终的结果是,生物体中的物质和遗传信息开始慢慢地分离。到今天,大家的基因都完全可以数字化了,这就是说,我的生命信息已经可以跟我这个物质完全脱离开来了。这是非常重要的启示:如果我现在在某个地方发现了生命,这个生命会不会扩散?也就是说,我们的生命会不会是从别的地方来的?我觉得这个问题是没有办法证实的,我们没办法证实地球上的生命是从别的地方来的。但我们可以思考,地球上的生命会不会到别的地方去,能不能到别的地方去?

这就是生物体的扩散泛种问题。比如说会不会有一些行星离开太阳系,扩散去了宇宙?这个可能性是非常小的,因为从太阳系到第二个行星系统的距离之大,路途中的环境变化之大,挑战之多,是很难让生物体还能够生存下去的。但还有另外一种扩散的方法,就是把我们的生命信息传导出去,传导到另外一个可居住的行星上。

那么谁来接这些传导出去的信息呢?这环节看上去很难,但不是绝对的障碍,可以通过人工智能,把一个机器人摆到一个地方,让它收你的信息。收到之后,你可以不断地制造和实验,使它能够实现信息传导。

如果我们观测到了生命的迹象,可以再观察它的空间分布是比较集中的,还是完全分散的,是怎么样的一个演化过程。这些完全是科幻的,但当我们在十几年、几十年、几百年后,找到很多生命迹象的时候,就可以对生命迹象在宇宙空间的分布有所研究。

如果生命真能够这样扩散,那么下一个问题来了,这就是物理学家费米于1950年提出的“费米悖论”。这个悖论说,如果生命可以扩散的话,那么地外的智慧生物在哪,它为什么不在我们身边呢?这一悖论提出后的60多年来,很多人给出了各种解释,包括物理上的各种解释,比如大碰撞、轨道的演化、恒星和行星的各种活动,认为是这些导致地外生命没能长久地维持下去。

另外一方面,环境污染、人口过剩、战争、传染病等环境因素也有可能给生命带来危机,而这些危机都不能完全促成生命的净化。至少在地球上是这样的,地球上有很多次使生命绝种的时刻,但并没有造成完全净化,因为在面临绝种的过程中,不但有危也有机,它会产生一些窗口,使新的事物开始演化。这时就要看生物的适应能力,而适应能力往往是有高峰期和低谷期的,这些峰和谷通过演化可以走到另一个趋向上去。比如曾控制地球长达几亿年的恐龙陷入生存危机时,就促使了新的物种产生。这表明,可以有一些局部的生物演化的低谷存在,在低谷期,某种生物可能生存一段时间,停止演化。

不过如果我们真能够实现生物体的扩散泛种,把物质和生命信息在一个生物体里边分开,然后传导出去,我们这时就基本掌握了该怎么控制我们生命结构的办法。在控制生命结构的过程中,至少有一些人类的成员会不断地改变生物结构,在这一过程中,得到的反馈信息就已不再是自然的反馈,也不是缓慢的反馈,而是非常快速的反馈。因为你可以通过各种各样的技术,加快反馈过程,在这个非常快的过程里,会产生一些非线性的混沌现象。

现在,让我们离开科幻,回到现实,看看我们自己在整个宇宙中的位置,原来我们是非常渺小的。我们能看到知道的物质,实际上在整个宇宙里还占不到4%。我们所占领的空间(地球)也只是整个宇宙的几万亿分之一。我们在宇宙中所经历的时间,如果按一年来算,地球形成于8月,地球生物起源于11月,而人类直到12月31号才真正出现。

现在,让我来做一个小小的总结。我今天讲的有些是最新进展,有些是比较实际的理论工作,也讲了一些悬乎的科幻想象。总的来说,系外行星是普遍存在的,行星系统具有非常多元化的特征,行星轨道的结构是它形成的环境和行星迁移所造成的。宇宙中可能有大量类似地球这样的行星,它们具有可居住区的特点。我预言,在今后的十年里,我们一定会找到地外生命的迹象,而当发现地外生命的时候,将会革命性地改变我们对整个生物起源的认识。

人学研究网·宇宙探索栏目编辑:自然子

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