寻找地外之境

苗千

人类是如此的孤独，而在意识到自己的孤独之后，人类又是如此不懈地在宇宙中寻找着其他生命形式。无论是最原始的单细胞生物，还是如科幻大片中驾驶着飞碟来去自如的具有超高文明的外星人，自从意识到自己是生活在银河系边缘一个孤零零的岩石行星上的生物之后，人类就未曾放弃寻找宇宙中其他的生命形式，希望能够以此为自己的存在找到更多意义，尽管不断有人警告这样的尝试可能会引来危险。

寻找地球之外的生命形式，最大的困难之一就是人类尚且没有一个关于生命的严格定义。如何在宇宙中分辨生命或是非生命现象，这是一个问题。于是人类的努力目前还只能限于寻找与自身类似的生命形式，或是一切与之相关的迹象。从2017年10月起，对于这个话题感兴趣的人都把目光集中在了太阳系内一块形迹可疑的物体上，怀疑它可能负载着宇宙中其他文明的秘密。

这是一个雪茄形状的物体。2017年10月19日，设在夏威夷茂宜岛海勒卡拉火山顶的“全景巡天望远镜和快速回应系统”（Pan-STARRS）项目通过多种不同的技术发现了它的存在，它随即获得了一个官方名字“1I/2017 U1”（也曾有过旧称“A/2017 U1”和“C/2017 U1”），但更多的天文学家喜欢叫它“奥陌陌”（Oumuamua）。起初人们以为这是一颗彗星，奥陌陌当时正在飞过地球，它与地球的距离相当于地球与月球距离的85倍。它在飞过太阳时因为引力场的作用速度加快，目前的速度达到了每小时31万公里。

随后科学家们马上意识到，奥陌陌是一个人类此前从未发现过的来自太阳系外的物体，属于星际小行星。以它目前的速度，它很快就会离开太阳系，人们必须抓紧时间用各种手段对它进行观测研究。奥陌陌并不算大，它只有大约400米长，宽度只有长度的十分之一左右，大约与地球上的一个体育场大小相似。吸引天文学家注意的，是它独特的形状，这种长条形状的来自太阳系外的物体，立即让很多人联想到了具有高度文明的外星人所乘坐的宇宙飞船——英国科幻大师亚瑟·克拉克在1972年发表的名著《与拉玛相会》（Rendezvous with Rama），描述的正是一个类似形状的外星飞船经过太阳系的故事。

这种科幻大师的创作与人们的联想并非没有道理，此前就有很多天文学家猜想，如果要设计具有星际航行能力的宇宙飞船，长条状正是最合理的形状，因为这样可以最大程度地减小飞船与星际气体和尘埃之间摩擦所产生的阻力。从奥陌陌的方向来看，它来自天琴座方向，距离地球有25光年。

这样一块来自其他星系的物体，若是事先有意经过瞄准发射，精度未免太过惊人。有天文学家形容这相当于在100公里之外扔一块石头，准确地击中一枚硬币。实际上，很多人早就预测会有这样的天外来客偶然造访太阳系。在太阳系最初形成时，有大量的彗星和小行星被甩出了太阳系，以此类推，在其他的星系中理应也会发生类似的现象，但是这类物体非常黯淡，极难发现。奥陌陌是人类发现的第一个来自外星系的物体。

正因为是第一个，对于天文学家来说奥陌陌具有极高的科学价值。通过研究这个不速之客，人们可以了解其他恒星的形成过程，以及物体在太空的严酷环境中长途跋涉之后会发生的变化。天文学家们分析，这块奇怪的物体有可能比太阳系的历史还要长，它可能已经形成了100亿年。奥陌陌目前每7小时自转一圈，预计它将于2018年越过木星，在2019年1月离开太阳系。因為距离遥远，天文学家们只能在它消失之前抓紧通过望远镜对其进行研究，同时盼望着或许在一段时间之后还能发现另外一块类似的物体。

奥陌陌的很多特征确实出乎人们之前的猜测。它远道而来，看上去却像是人们在太阳系中所常见的物体。人们以前一直以为这样的天外来客主要由冰构成，因此它们在经过太阳时会像彗星一样留下可见的痕迹，但奥陌陌看上去就像是一块在各种辐射环境里孤独旅行了几亿年，甚至数十亿年的深色大石头。从外壳深红的颜色来看，它的最表层似乎是一层有机物，它的内部有什么构造，是否可能是智慧生命发射的宇宙飞船？这引发了人们无穷的想象。

奥陌陌很快就吸引了地外智慧生物搜寻协会（SETI Institute）的关注。从2017年11月23日开始，研究者们利用位于加州北部的艾伦望远镜阵列（Allen Telescope Array）对奥陌陌从各个频段进行了持续60个小时的探测，但是并没有发现任何电磁信号。另外一个寻找地外生命的计划——2015年由著名物理学家霍金启动的突破聆听（Breathrough Listen）计划也花费了10个小时利用位于西弗尼吉亚州的绿岸望远镜（Green Bank Telescope）对奥陌陌进行了仔细检查，同样没有收获。

奥陌陌可以吸收96%射向它的光线，因此显得颜色黯淡。它在可见光范围内显出深红色，在红外线的照射下则略显发灰。经过仔细检查，科学家们并没有发现奥陌陌有岩石的成分，有人怀疑在这一层有机物外壳的包裹下，内部是大量的坚冰。但在奥陌陌飞越太阳的过程中，科学家们并没有发现因为其内部坚冰融化而渗出的水，有可能是这一层有机外壳对其内部的冰起到了保护作用。

对天文学家们来说，尽管奥陌陌还有种种神秘未解之处，但目前尚未发现它有任何经过智慧生命设计，被有意发射到太阳系的证据。从另一方面来说，“全景巡天望远镜和快速回应系统”刚刚启动7年就发现了奥陌陌，说明在太阳系内这类外星系来客可能数量并不少，只是此前没有被人类发现而已。天文学家们期待着能够尽快发现另一个远道而来的外星系物体，这可能是一个人类探索地外生命形式以及天体构成的好机会。

寻找地外生命，除了在地球上守株待兔，探索太阳系内部的其他行星以及它们的卫星之外，对天文学家们来说另一个更为广阔的领域则是在宇宙中寻找和地球环境相似的岩石行星。他们相信，如果存在与地球环境相似的行星，那么在那儿也很有可能存在着生命现象。

在茫茫宇宙中寻找与地球各方面环境都相似的行星绝非易事。星系间的距离动辄以光年计，而且自身不发光的行星围绕着临近的恒星运转，恒星的亮度往往是其行星亮度的10亿倍以上，这更让人类的望远镜极难分辨出行星的信号。正因为如此，天文学家们长久以来都认为围绕恒星运转的岩石行星在宇宙中极为少见，直到1995年人类才发现了第一颗类地行星，而后才逐渐意识到在恒星周围存在着围绕其运转的岩石行星是宇宙中常见的现象。

通过地面以及太空中的各种望远镜，例如美国航空航天局（NASA）的开普勒空间望远镜的搜寻，人类已经在宇宙中发现了超过3500颗与地球类似的岩石行星，其中有大约30颗与地球的大小相似，并且可能在表面存在液态水。但是通过这样的探索，天文学家们也只能获得关于这些行星最基本的信息，如大小、质量和轨道情况等。想要对它们进行详细研究，天文学家们需要获得这些行星大气的光谱信息。

关于地外行星，天文学家所能获得的，通常就是一张只有区区几个像素的照片而已，但仍有人试着通过这样的照片来判断行星的信息。加州大学河滨分校的天文学家史蒂芬·凯恩（Stephen Kane）将一张从地球轨道上拍摄的有400万像素的地球照片降级到只有几个像素，然后反复观察，通过练习可以从这样的照片中判断出行星拥有海洋、大陆、云层、季节变化，以及自转周期是24小时。凯恩做这样的练习，正是为了在获得其他类地行星的类似照片时可以有所准备，或许可以从这样低精度的照片中分辨出一个行星是否有可能孕育生命。

虽然人类在火星和土星这样的类地行星上都没有发现生命的痕迹，但仍然有天文学家相信，人类终究会发现与地球环境极为相似、有可能存在生命的行星。判断其他星系的行星是否可能存在生命，在目前并没有一个明确的标准，天文学家们需要在不同的条件中进行综合考量。

氧气是天文学家们寻找的首要对象。在大气层中存在氧气将是行星上存在生命的最重要标志，在这一点上天文学家们只能以地球作为唯一的标准。正是地球上的微生物和植物进行了数十亿年的光合作用释放氧气，才使地球大气层中的氧气含量达到21%——这个含量足以使科学家们在极远的距离就可以探测到。

而后天文学家们逐渐意识到，在大气层中存在氧气并非判断行星上是否存在生命的决定性因素。在无氧条件下也有可能有生命存在，比如说在地球上就曾经有20亿年的时间，微生物以一种不产生氧气的方式进行光合作用。另外，在没有生命现象存在的情况下，行星的大氣中也有可能充满氧气。例如行星表面的水被恒星的热量蒸发，进而被分解为氢气和氧气，氢气又逃逸到了宇宙空间中，在这种情况下行星的大气中就可能充满氧气。除了氧气之外，行星大气中的甲烷也可能是生命现象存在的重要信号之一。虽然地质活动也有可能产生甲烷，但地球大气中的甲烷大多数都是由微生物的活动产生出来的。

要判断一个行星上是否可能存在生命现象，除了寻找氧气、甲烷和液态水之外，还需要考察行星在日夜间温度的极限，以及是否会受到临近恒星的有害辐射。正如康奈尔大学天体物理学家希达尔特·赫奇（Siddharth Hegde）所说：“了解了恒星，也就了解了其行星。”赫奇介绍，大气中的氧气和甲烷会发生氧化还原反应，生成二氧化碳和水，因此如果能够探测到在行星的大气层中存在大量的氧气和甲烷成分，那么一定是有某种生命过程对这两种成分不断进行补充。

天文学家们需要获得地外行星大气的光谱以判断其大气的组成成分，但另一方面，光线很难穿透行星的大气层，因此人们获得的大多是行星大气层外层成分的光谱，而且地面上的望远镜接收到的信号还会受到地球大气层的干扰。天文学家们只能使用一些特殊的手段，例如当行星掠过其恒星时，探测穿越行星大气层的恒星光线以获得其大气层的光谱，或者当行星运转到恒星的背面，探测其对恒星的反光以获得光谱。

2019年，美国航空航天局将会发射巨大的詹姆斯韦伯空间望远镜（James Webb Space Telescope），用以寻找可能存在生命的地外行星。天文学家们希望这个拥有最新技术的空间望远镜能够获得更多地外行星大气的光谱数据，并且拍摄到更清晰的照片。詹姆斯韦伯空间望远镜将拥有直径6.5米的巨大镜面，它可以收集到的光线超出现在所有的空间望远镜，同时它还会收集红外线信号，探测地外行星上是否存在水、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等成分。不仅如此，美国航空航天局还在研究一项新任务：宜居地外行星影像任务（The Habitable Exoplanet Imaging Mission）。执行这个任务的机械也将拥有6.5米的镜面，但它将探测更广阔频率范围的光线，从近红外线到紫外线，尽可能拍摄到地外行星最清晰的照片。

人类探索太阳系之外的类地行星，乃至想寻找在其他天体上可能存在的任何生命信号，这个困难重重的工作目前仍然处于起步阶段。除了距离因素之外，另一个限制就在于人类只有一个样本可以用来作为参照，那就是地球自身。正如匆匆掠过的天外来客奥陌陌，如果人类对其他星系的了解只限于如此孤例，便无法形成正确的认知。只要有耐心，如奥陌陌一样的外星系物体必然还会出现更多，但地球却只有一个。

如果天文学家们在太空中找不到另一个覆盖着鲜花和芳草的地球的孪生星球，那么除了以地球为唯一的参照之外，天文学家们也做好了准备，生命形式可能在完全意想不到的外星环境中存在。人类到底该寻找些什么？麻省理工学院天体物理学家萨拉·西格尔（Sara Seager）和她的同事们列出了一个包含有1.4万种化合物的清单，她认为在合适的条件下，这些化合物可能会以气态存在于行星的大气层中，如果人类探测到某个行星大气层中含有大量清单中列出的某种物质，而又无法以非生命过程加以解释，那么在这个行星上就很可能存在生命。

（本文写作参考了《科学》杂志的报道）