《资料杂谈》美国探索杂志：人类该去哪里寻找外星生命 免费试读
前几天，美国《发现》杂志写了一篇文章，讲的是宇宙中哪里可能发现外星生命。以下是文章全文。
许多最近的发现指向“可居住区”，在那里可能会发现外星生命。1976年，美国维京1号飞船登陆火星，但没有发现任何明显的生物活动迹象支持“火星上存在生命”。而且，维京1号发回地球的照片展现了一个荒凉寒冷的世界。
几十年后，这个概念发生了巨大的变化。
那么33年后人们的看法发生了什么变化？33年前，人们认为火星是地球之外唯一可能有生命“定居”的星球。现在科学家在外太空发现了大量可能存在生命的天体，人们对宇宙生命的观念开始发生变化，认为火星并不是地球之外唯一可能存在生命的星球。
因此，他们现在不仅在一些地方寻找生命，还在“宜居带”寻找生命的痕迹，绘制除地球之外的大量生命可以繁衍生息的天体。这种生命的栖居地可能在我们的银河系，整个宇宙以及宇宙之外的其他行星和卫星。
这项研究的发展速度令人惊讶。今年4月，对土星卫星恩克拉多斯的最新研究表明，这颗卫星崎岖不平的表面下隐藏着温暖的水海洋。在卡西尼号看到间歇泉的水蒸气从土卫二表面冒出来之前，从来没有人认为这颗直径约300英里的卫星与众不同。现在，恩克拉多斯就像木星的卫星欧罗巴一样，是太阳系中液态水和构成生命的物质似乎存在的地方。
天文学家也在研究其他恒星周围的大量类地行星。自20世纪90年代以来，他们已经确认了大约340颗太阳系外行星。其中大多数是巨大的气体行星，但最近他们开始寻找更小的世界。两个月前，欧洲卫星柯罗发现了一颗直径是地球两倍的系外行星，美国宇航局的新开普勒探测器将在今年晚些时候开始搜索真正与地球相似的行星。
与此同时，最近的研究结果表明，微生物比我们想象的更加宽容，这意味着即使那些与地球不是特别相似的星球也可能适合居住。这些发现表明，火星只是这一探索的第一步。宇宙中的宜居带看似巨大，可能充满了生命。
太阳系宜居带
我们知道寻找生命的指导原则是那里必须有水。直到现在，这个原理让科学家们相信，只有满足以下条件的天体才能成为生命的家园:适宜的温度、岩石行星和表面的液态水。
如果这样考虑，这样的世界只能存在于我们的太阳系。加州大学圣克鲁斯分校的格雷格·拉夫林说，“如果可居住带是根据一系列非常有利的气候条件来定义的，那么你可以在太阳周围搜索的范围是非常有限的。当气候出现严重问题时，在比地球稍微靠近太阳的范围内，在比地球离太阳远30%左右的地方，都有可能适合生命存在。”从有没有水来看，我们太阳系没有其他适合生命存在的地方。即使许多其他恒星拥有太阳系，但轨道上适合生命存在的行星非常少。
如果我们没有在地球上取得一系列意想不到的发现，我们寻找宜居带的努力最终会以令人沮丧的结局告终。占星学是一门专门研究生命在宇宙中如何出现和进化的学科。这一领域的先驱克里斯麦克凯(Chris麦克 Kai)表示:“这种结果是所有人都不愿意看到的。已经发现，细菌变种并不从地球表面获取食物和氧气，也不依赖照射在地球表面的阳光。”
这些新发现的生命形式——“极端微生物”的生存条件如此恶劣，以至于50年前的生物学家做梦也没想到这种环境下能有生命存在。巨型管虫、螃蟹和小虾喜欢生活在黑暗中，在海面下1英里的地方，在极热的热液喷口周围。这些热液喷口被称为“黑烟囱”，它们像烟柱一样不断向海洋中喷出黑色的硫氢化物。通过使用从这个热液喷口喷出的化学物质而生存的生物不需要光合作用。
但是，对于麦克 Kai来说，这些生物并不是最令人兴奋的极端微生物类型。他说:“他们仍然依靠阳光间接产生的氧气。”相比之下，吸引更多注意力的细菌是那些在地下深处茁壮成长的细菌。一种细菌生活在南非五英里深处的金矿里。麦克凯说:“这些生物从我们从未想过的来源获得能量。南非的极端微生物细菌从岩石中不稳定的放射性原子中获取能量。阳光和地表水对其没有影响。这种情况非常令人惊讶。”
极端微生物从非太阳能获得能量的事实表明，外星生命也可能生活在类似的环境中，在远离地表水和阳光的地下深处茁壮成长。麦克凯说，“可居住的星球不一定要像地球一样。这些发现最大化了我们对宜居带的理解。”
幸运的是，这一极端微生物的发现正好符合之前的研究结果，这些研究表明，太阳系可能存在许多人们以前从未想到的温暖潮湿的区域。20世纪90年代发射的伽利略探测器收集了大量可信的证据，证明木星的大卫星木卫二在冰冷的表面下存在球形的液体海洋。美国宇航局刚刚宣布，它将于2027年返回那里进行更详细的研究。
最近在恩克拉多斯上发现了一个间歇泉，这再次唤醒了行星科学家，让他们想知道太阳系周围是否有更多这样活跃的区域。这些地方缺少阳光，与地球表面没有接触，但有些生命显然非常喜欢这种环境。麦克凯说，“当你在木卫二和土卫二表面下发现液态水，并结合我们对陆地上极端微生物的了解，你就会明白为什么‘可居住带’的定义必须改变。”
银河系宜居带
天文学家开始关注我们周围的星系后，寻找可居住带的范围开始变得更广。银河系包含大约2000亿颗恒星。现在我们只知道一小部分恒星有行星，而这一小部分可能包含了无数个世界。
红矮星是我们银河系中最常见的恒星。科学家过去认为在这些地方可能找不到类似地球的行星，但最新的研究结果恰恰相反。极端微生物告诉我们，生命可能在一个不太像我们地球的星球上生存。除了好消息，还有一些坏消息。因为太阳系像星系一样有自己的宜居带，要找到这样的行星并不容易。不是所有的星系都适合生命存在。澳大利亚国立大学的天体生物学家CharlesLineweaver在2004年发表了一篇论文，重点研究了可能存在于我们银河系之外的危险外星生物。在这种情况下，最重要的因素是不能有水。活动剧烈的巨大恒星与上述情况非常相似。
研究表明，星系中最亮、最热、最重的恒星对行星和生物都至关重要。它们是宇宙中关键重元素的唯一来源，如硅(地壳中超过四分之一的物质是硅)、钾(对细胞活动至关重要)和铁(我们血液中的这种元素负责携带氧气)。这些元素为恒星铸造了一个炽热的核熔炉。巨大的恒星通过超新星爆炸结束自己的生命。这个过程会向太空中喷发出大量的重元素，然后这些元素会不断结合，再次形成下一代恒星，为行星的形成播下种子。
考虑到银河系的可居住带，林韦弗在他的原始论文中提出了重元素。从星系中心向外，恒星形成的速度越来越慢，重元素的数量与此一致。韦弗认为，40亿年前太阳形成时，星系外三分之一缺乏支持生命的重元素。从那以后，重元素的分布越来越广，现在只有银河系的最外缘含有不足以形成类地行星的重元素。我们三分之二的位置位于银河系的恒星圈内。我们位于银河系中一个适合生命存在的区域的中心。研究表明，银河系内部不适合生命存在。
巨大的恒星促进了宜居带的形成，但也限制了银河系宜居带的内部范围。超新星产生和释放的重元素也会释放出大量的高能辐射，如伽马射线、X射线、紫外线等。这些恒星爆炸可以对距离恒星几十光年的行星产生致命影响。银河系拥挤的中心有大量巨大的恒星和超新星，因此在这里进化出复杂的生命形式也不是不可能。但是，目前首先要解决的问题是超新星爆发会有多糟糕。
韦弗和他的同事认为，辐射中毒使得银河系内侧20%的区域无法支持生命，这包含了银河系中大约一半的恒星。密歇根大学的弗雷德·亚当斯说，“你一直在寻找一个好的区域。这些地方离恒星不远，可以保证重元素含量不会太低。”但是银河系很大，所以亚当斯指出应该提出合理的想法。他说:“最糟糕的情况是，在一种或多种因素的影响下，银河系中适合生命存在的区域正在减少。”
银河系中可居住区域的数量主要取决于生命对高剂量辐射的反应。我们可能已经从地球上封存的化石中获得了信息。堪萨斯州立大学的阿德里安·米洛(Adrian Milot)说，“每6200万年，地球的生物多样性就会出现问题。古生物学家建立了大量的数据库来存储所有的动物化石记录。通过这些数据，你可以看到随着时间的推移生命力会发生什么变化。”
他的研究有力地支持了其他科研组的研究成果，表现为生命力下降，有时是生物的大规模灭绝，这似乎遵循一定的周期。将米洛特的生物多样性变化与我们银河系中太阳和行星的运动联系起来。他说:“当太阳围绕银河系运行时，它也会上下波动，使银河系的平面上升，然后让它下降。每当太阳升起，移动到银盘的北方，我们的生物多样性就会下降。他注意到银河系的北侧指向室女座星系，这是一个聚集在我们附近的巨大星系。我们的星系以每秒120英里的速度接近室女座。
根据米洛特的说法，当银河系穿过星际物质时，其前方会形成强大的冲击波。冲击波产生的高能粒子被称为宇宙射线，可以扰乱生物分子，损伤DNA，使其不可修复。通常，银河系的磁场保护我们免受辐射。但是每6200万年，太阳就会接近危险区域的边缘。他说:“当太阳冲到银道面北侧时，整个地球都会受到大量宇宙射线的冲击。当所有恒星在星系中移动时，它们会遵循类似的跳跃运动，但位于星系中心的恒星会跳得更快。
这种情况可能会支持林韦弗的观点，即这些区域不太可能包含复杂的生命。但是生命也需要一定量的辐射。辐射导致生物变异，大灭绝也为进化变异扫清了道路。这种说法支持了亚当斯的观点。米洛特总结道:“我们希望获得足够的辐射来促进新生命形式的发展，但我们不需要那么多辐射来消灭整个地球。”
临时居住区
米洛特物种大灭绝假说解释了可居住带是如何通过空间和时间来衡量的。根据他的假设，生命存在于何时何地这两个问题同等重要。超新星在这个过程中也扮演了重要的角色。大爆炸诞生宇宙的时候，新的宇宙几乎全部由氢和氦组成。这是形成行星而非生命的最佳时机。
碳、氧、铁等元素要等恒星——尤其是大质量恒星——通过核聚变形成更重的元素。这些经过处理的元素从星风或超新星爆发中逃逸，然后被后代的恒星“捕获”。以这种方式积累形成生命所需的元素需要数十亿年。整个宇宙有137亿年的历史。也许在最初的几十亿年里，宇宙是一个完全不适合居住的区域。
一旦宇宙充满重元素，情况就会逆转，恒星孕育生命的能力就会受到限制。中等大小的恒星——太阳的寿命是100亿年，那时大约是“恒星到中年”。再过50亿年，太阳会膨胀成红巨星吞噬我们的地球或者烘烤地球表面使其凝结。在最短的10亿年内，太阳亮度的增加可能会使地球成为生命无法忍受的地方。亮度和质量更高的恒星消耗核燃料的速度更快，它们可能会更快地烧尽，从而允许复杂的生命进化。
幸运的是，暗淡的红矮星可能在很大程度上支持类地行星孕育临时的可居住区。在这些恒星中，亮度最低、最“节俭”的成员寿命可能有10万亿年，是太阳的1000倍。目前的研究表明，宇宙的膨胀可能是永久性的。如果是这样的话，我们所知道的宇宙——充满了恒星，也可能充满了生命——将在一瞬间处于永无止境的寒冷和黑暗的虚无之中。你又觉得可怕了吗？别担心，最新的物理理论指出，在最后一颗恒星死亡后，另一个可居住区将允许生命继续存在。
多宇宙宜居带
目前最大的宜居带不是我们想到的宇宙，而是假设宇宙中的宇宙，也就是宇宙学家所说的多元宇宙。在我们的宇宙变得黑暗之后，另一个宇宙或多个宇宙将负责传递生命之火。
宇宙通常是指我们能观察到的一切，包括控制它的物理定律。数量惊人的宇宙可能就像科幻小说和电影中描述的那样，我们的宇宙只是千千数千个宇宙中的一个。现在，宇宙学家正在使用一种叫做“膨胀”的理论来创建多元宇宙模型。
暴胀宇宙学是目前最重要的早期宇宙模型，认为整个可观测的宇宙都是从一个小点开始的。这个点位于一个可能永远不会因大爆炸而消亡的存在中。在大爆炸后的10到30秒内，这个黑子经历了一个超高速的膨胀期，因此被称为“暴胀”。膨胀的宇宙形成了我们现在看到的一切。虽然听起来很奇怪，但这个模型有一些合理的观察支持。
相比之下，一些宇宙学家迈出了更大的一步。在他们看来，膨胀也可以在其他时间出现在其他地方，当其他创造时刻发生然后他们经历了自己的膨胀，成为一个单一的小宇宙。物理学家将这种扩散现象称为“永恒的膨胀”。这种永久性导致单个宇宙的数量达到接近无穷大，每个宇宙都有自己的物理定律。这种现象与弦理论相当奇怪的预测是一致的。弦理论是一个基本的物理模型，据信可能有大约10500套不同的定律。
弗雷德·亚当斯说:“在这些宇宙中，有些宇宙的引力可能比我们的大，也可能比我们的小。其他控制原子和分子的宇宙电磁力可能不一样。其他类型宇宙的生命形成过程可能是戏剧性的。”
可居住带存在的可能性更大。
虽然没有发现这些多元宇宙存在的证据，但这并不能阻止理论家们对它的猜测。在我们生活的宇宙中，物理定律似乎得到了适当的校准，以允许长寿恒星、轨道稳定的行星和允许复杂化学过程发生的分子的存在。这些似乎都是生命形成的先决条件。亚当斯说，“人们经常问的一件事是其他宇宙的恒星习惯。如果是一些无法形成恒星的宇宙，它们可能是贫瘠的地方。”
亚当斯认真对待这个问题，开始了一项关于“另类”物理学及其对恒星形成影响的研究。他说:“我决定做一个真正的计算，看看能否将所有这些猜测归结为一个恰当的问题。四种基本力(引力、电磁力和强、弱核力)中的每一种都有一种类型的理论按钮，可以上下转动来改变强度。我决定计算一系列理论上的恒星模型，以确定多少力才诞生了一颗工作恒星。”
这个计算让很多人感到惊讶。亚当斯说，“很多人认为只有少数泡沫宇宙具备支持生命存在的条件。”亚当的计算结果表明，功能恒星在物理变异方面的弹性比任何人想象的都要大。因为恒星是生命形成的先决条件，这些发现表明生命可居住带的存在可能性更大。
亚当的四分之一模型可以孕育长寿恒星，但同时也给出了一个非常重要的警告。亚当没有指出任何给定强度的引力或电磁力在随机选择的小宇宙中形成恒星的可能性有多大。他说，“你需要的是把我的工作和多元宇宙中的可能性分布结合起来。”换句话说，我们需要知道关于小宇宙物理定律变异的统计数据。在暴胀宇宙学中，没有指导科学家选择小宇宙物理的原则。
黑洞孕育新宇宙。
加拿大安大略省滑铁卢市Primet理论物理研究所的理论物理学家LeeSmolin提出了一个有争议的想法，即对其他宇宙进行可测试的预测。在这个过程中，斯莫林使可居住性的研究比亚当斯的推断更为理想。
上世纪90年代初，斯莫林提出了一个多元宇宙模型，与暴胀宇宙学的小宇宙截然不同。他的模型专注于黑洞扭曲时间和空间的方式。自20世纪60年代以来，一些理论家一直在传播这一观点，当时一颗大质量恒星塌缩成黑洞，可能会诞生新的宇宙。斯莫林的研究就是基于这个想法。
黑洞产生的宇宙很大程度上不同于与永恒膨胀有关的宇宙。在暴胀的情况下，一个宇宙和另一个宇宙的物理学之间没有联系。斯莫林指出，这种黑洞模型在很大程度上倾向于决定物理的类型。他说:“任何产生更多黑洞的宇宙都会形成更危险的宇宙。它的物理会遗传给她的女儿。”这样一来，应该会有一个类似于自然选择的过程，偏向于物理上能够形成更多黑洞的宇宙。这样的宇宙成为多元宇宙的统治者。
斯莫林的模型有两个重要优势。首先解释了为什么我们的宇宙会有现在的物理定律。与我们的宇宙类似，它形成了能够产生黑洞的大质量恒星。这些宇宙很大程度上是被选择的。其次，它解释了为什么我们的物理定律允许生命存在。原因是允许恒星存在的元素与允许地球上生命生物存在的元素完全相同。
事实上，斯莫林的模型还有第三个优势。斯莫林指出，他的黑洞多元宇宙假说是可以检验的。能够孕育出最多黑洞的宇宙也拥有最多的后代，我们的宇宙应该是形成黑洞的理想选择。斯莫林的假说，包括宇宙膨胀和最重稳定中子星质量的观点，得到了支持。他说:“这个理论是可以验证的。如果观测结果与我的预测相矛盾，这个理论就是错误的。”如果斯莫林是正确的，那就意味着我们不仅仅生活在一个宇宙中，而是一个完整的可能充满生命的多元宇宙，也就是一个无拘无束的宜居带。
