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是谁住在深海的大菠萝里?

时间:2021/9/14 22:09:45 点击:

  核心提示: “海洋世界”假说|超越费米悖论 费米悖论来源于恩里科·费米在基于宇宙漫长年龄和庞大的星体数量的基本假设,经过一系列的计算后发现——地外文明存在性的过高估计与缺少地外文明存在的相关证据相矛盾,于是在1...

“海洋世界”假说|超越费米悖论

费米悖论来源于恩里科·费米在基于宇宙漫长年龄和庞大的星体数量的基本假设,经过一系列的计算后发现——地外文明存在性的过高估计与缺少地外文明存在的相关证据相矛盾,于是在1950年夏天的某个午餐的闲谈中提出了“外星人它们都在哪里?”的著名问题。

简单来说,费米悖论指的是外星智慧生命(extraterrestrial intelligence, ETI)存在的高概率估计和明显缺乏证据。直到70年后的今天,我们仍然没有办法回答这个问题。在这一辑中我们会介绍“海洋世界”假说。这个假说认为孕育外星生命生命的最佳候选是具有“海洋世界”的星球,而不只是和地球长得差不多那样的类地行星,我们应该尽力去搜索以“海洋世界”为模板的星球。

请各位读者注意不要与第十一辑的“水世界(Water World)“相混淆,”海洋世界(Ocean World)“指的是即使表面由冰层覆盖,但内部可能存在温暖的海洋的天体。在外太阳系里,也有多个卫星符合这一要求,包括木星的卫星: 木卫二(Europa)、木卫三(Ganymede)、木卫四(Callisto);土星的卫星: 土卫一(Mimas)、土卫二(Enceladus)、土卫四(Dione)、土卫六(Titan);海王星的卫星: 海卫一(Triton)。甚至是冥王星(Pluto)、谷神星(Ceres)和一些较大的柯伊伯带天体(Kuiper Belt Objects)也符合条件。

图1。天文学家根据这些星球表面的亮斑的光谱数据推测,氯盐从这些卫星的冰封表面下海洋中冒出。在冰冻的表层,这些成分会受到来自木卫一(Jupiter)的艾奥(Io)火山喷出硫化物的轰击(图片来源: Keck Observatory)

图1。天文学家根据这些星球表面的亮斑的光谱数据推测,氯盐从这些卫星的冰封表面下海洋中冒出。在冰冻的表层,这些成分会受到来自木卫一(Jupiter)的艾奥(Io)火山喷出硫化物的轰击(图片来源: Keck Observatory)

生命会在出现在岩石里还是冰层之下

“我们确实是以正确的条件搜索宇宙中的智慧生命吗?”——这是我们面对费米悖论不得不回答的一个问题。

地球是我们目前唯一知道的存在生命的星球,而我们唯一拥有较先进技术的文明就是我们人类自己。所以一开始在SETI计划中,我们的确就是去寻找和地球大小、质量、温度和大气成分相似的类地行星。在太阳系内,天文学家几乎将搜索外星生命的迹象精力都放在了火星身上,不单单因为火星离地球近,而是火星的表面覆盖的大气层、并且有可能有流动的水、而且足够温暖。我们甚至可以在上面发现具有很强生物信号的物质: 氧气、二氧化碳、甲烷等——这些物质都与生命息息相关,在地球上也大量存在。

图2。来自木卫二海洋里的有机物质(可能有微小的生命孕育于其中),可以通过冰火山喷发的形式,最终到达星球表面。来自宇宙的电离辐射的轰击可能破坏任何生物遗传信息,如果我们在这些星球表面发现了一些特别的有机物质,也有可能暗示了这些星球里存在生命迹象的可能。(图片来源: NASA/JPL-Caltech)

图2。来自木卫二海洋里的有机物质(可能有微小的生命孕育于其中),可以通过冰火山喷发的形式,最终到达星球表面。来自宇宙的电离辐射的轰击可能破坏任何生物遗传信息,如果我们在这些星球表面发现了一些特别的有机物质,也有可能暗示了这些星球里存在生命迹象的可能。(图片来源: NASA/JPL-Caltech)

然而,科学界越来越多的人意识到生命会诞生于类地行星上是具有局限性的从而限制了我们人类搜索外星文明的方式。在越过太阳系的冰冻线(the Frost Line,在冰冻线之外的行星离恒星较远,往往是封冻的状态)之后,挥发性的物质可以以固体的形式存在,有可能在其冰封的星球内部孕育生命。

“海洋世界”假说的起源

1979年,“旅行者1号(Voyager 1)”和“旅行者2号(Voyager 1)”任务经过木星,拍摄了木卫二表面的详细照片,这些照片使科学家们开始意识到这个冰封的卫星内部还有一片汪洋的可能性。从那时起,木卫二是一颗表面冰冻的类地星球的证据就在不断地增加: 我们在木卫二表面的观测到了冰火山(cryovolcanoes)喷发形成的羽状水柱(Surface Plumes)以及水柱周围沉积的物质也佐证木卫二具有孕育生命的可能。

在其他木星、土星和海王星的几个卫星以及柯伊伯带运行的其他冰冻的天体上发现了类似的情况,这使得越来越多学者猜测,这些冰冻的天体可能是最有可能发现外星生命的地方。近年来,天文学家和天体生物学家将这一论点从太阳系外推到了星际领域。

图3。旅行者2号在掠过木卫二时拍下的照片(图片来源: NASA/JPL)

图3。旅行者2号在掠过木卫二时拍下的照片(图片来源: NASA/JPL)

林奈·C·奎克博士(Dr。 Lynnae C.Quick)作为NASA的行星科学家,同时也是黎明号(Dawn)、木卫二快艇(Europa Clipper)和蜻蜓号(Dragonfly)科学团队的成员。上述探测卫星都是用于研究太阳系内的小行星,木星二,土星六等有希望孕育生命的星球。关于这些小行星探索计划,奎克博士做出了如下解释:

“我们观测到有水柱从木卫二和土卫二表面喷发而出,所以我们推测这些天体的冰壳下具有液态的海洋。并且它们星球内部拥有驱动水柱的能量。说明了这两颗卫星具有丰富的水资源和能量,这是生命所不可或缺的。一旦我们认为这些地方可能适合居住,那么在其他行星系统中,这样更大号的卫星也可能适合人类居住。如果我们看到一颗行星的密度低于地球的密度,这表明那里可能有更多的水,而没有那么多的岩石和铁;如果进一步我们确认了星球的表面温度低于0℃,而且那里的水是冻结的,这样我们就发现了一个符合”海洋世界“条件的星球。”

图4。木卫二,一个冰冻的卫星(图片来源:NASA/Jet Propulsion Laboratory, SETI Institute)

图4。木卫二,一个冰冻的卫星(图片来源:NASA/Jet Propulsion Laboratory, SETI Institute)

正如NASA喷气推进实验室(NASA Jet Propulsion Laboratory, JPL)负责太阳系探索的副首席科学家凯文·彼得·汉德(Kevin Peter Hand)在演讲过程中所解释的,这三个目标是相互交织在一起的:

‍“木卫二的海洋蕴藏着存在一个完整生态系统的潜力,可能是太阳系中第二个独立的生命起源。木卫二是太阳系天体生物学研究领域内一个高优先度的目标。如果第一步我们在木卫二的地表发现了具有很强生物信号的物质,那么第二步我们将会优先探索其表面之下的海洋环境,接着第三步是向木卫二发送能够进入海洋的机器人车辆和仪器去勘探当地的生态系统和生物。”

马纳斯维·林加姆(Manasvi Lingam)和亚伯拉罕·勒布(Abraham Loeb)提出了类似的论点,两位研究人员分别来自哈佛大学的史密森天体物理中心(Harvard Smithsonian Center for Astrophysics, CfA)和理论与计算研究所(Institute for Theory and Computation, ITC)。于2018年发表的一项题为《身处地下的外星生命》(Subsurface Exolife)的研究中,两人以木星、土星和其他气态巨行星的冰冻卫星为例,再次挑战传统上人们对“生命宜居性”的概念。正如勒布教授所表述的那样:

“讨论行星的是否具有宜居性是看这个行星是不是在宜居带(Habitable Zone)内,即”行星“必须离恒星有适当的距离,这样它的表面就可能保有液态水。然而这种”宜居性“其实有三条隐藏的假设:

(a)生命是生活在星球表面的;

(b)生命诞生于绕恒星运行的行星上;

(c)它们是以液态水作为溶剂的碳基生命。

相比之下,我们适当放宽了假设(a)和(b)的限定条件,但仍然保留假设(c)。

图5。科学家最近发现在土卫二上的气候条件下,地球上的某些细菌能够茁壮成长(图片来源: NASA/JPL/Space Science Institute)

图5。科学家最近发现在土卫二上的气候条件下,地球上的某些细菌能够茁壮成长(图片来源: NASA/JPL/Space Science Institute)

可能的解决方法

艾伦·斯特恩(Alan Stern)作为美国西南研究所(the Southwest Research Institute, SwRI)副所长、并同时兼任NASA新视野号(NASA New Horizons)任务的首席研究员,他认为这些冰冻的卫星甚至可能解决费米悖论契机。

在由NASA系外行星系统科学(Nexus for Exoplanet System Science, NExSS)主办的2017宜居世界研讨会上,他主持了一场题为“‘海洋世界’可能就是费米悖论的答案”(An Answer to Fermi’s Paradox In the Prevalence of Ocean Worlds)的演讲。斯特恩陈述的核心是假设我们银河系中产生生命和文明的绝大多数行星都是内部“海洋世界”。由于星球表面有冰壳的存在,这些文明将无法使用我们可能识别的方式(如无线电)与其他行星进行通信。考虑到这些平民是如何在水上生存的,它们不太可能发展出和我们类似的技术,

这些论据让人想起澳大利亚国立大学的查尔斯·莱恩韦弗(Charles Lineweaver)在发表的2007年的论文《古生物学测试:类人智能不是进化的趋同特征》(Paleontological Tests: Human-like Intelligence is not a Convergent Feature of Evolution)中所说的,莱恩韦弗基于他多年来对于德雷克方程的研究提出了“非收敛进化”(non convergent evolution)的理由,指出德雷克方程里的中间项不一定产生“不可避免的”结果。

莱恩韦弗引用德雷克(Drake)、卡尔·萨根(Carl Sagan)和西蒙·康威·莫里斯(Simon Conway-Morris)的谈话,他断言这是SETI计划里的一个基本假设:

德雷克、萨根和康威·莫里斯所做的是解释生命的进化表现出一种相同的倾向,即使对其他没有很严格的限制,但是自然选择严格地将生命推向往具有更高智能的方向。地球上的生命即是如此,外星生命也应如此。

图6。围绕红矮星运行的宜居系外行星的概念图。我们推测红矮星恒星系里的行星具有一定的宜居性(图片来源: ESO/M。 Kornmesser public domain)

图6。围绕红矮星运行的宜居系外行星的概念图。我们推测红矮星恒星系里的行星具有一定的宜居性(图片来源: ESO/M。 Kornmesser public domain)

在基于上述内容,莱恩韦弗还假设了具有脑指数(Encephalization Quotients, E.Q。)的生物——大脑重量与体重指数的比值(是衡量脑的相对大小的一个度量)——脑指数越高的生物越有可能形成智慧文明并发展出星际通信的技术:

最聪明的原生动物可能是章鱼,经过6亿年的独立进化,尽管章鱼有着很高的脑指数,但它们似乎没有建造射电望远镜的计划。而在约6000万年前到约2000万年前之间,海豚也进化出了一个巨大的大脑。换算下来海豚有大约2000万年的时间来建造射电望远镜,但是它们也没有选择这样做。

这有力地表明,高脑商可能是建造射电望远镜的必要条件,但不是充分条件。因此,即使有高脑商进化的趋势,高脑商和建造射电望远镜的能力之间的联系还不清楚。也就是说如果你生活在水下,没有双手,不管你的智商有多高,你可能无法建造,或者对建造射电望远镜根本不感兴趣。

这个论点当然适用于海洋世界假说,可能是生活在水下的智慧生命一点也不稀罕使用射电信号,所以它根本无法与我们沟通。


图7。木卫二表面冰火山喷发形成的羽状水柱的效果图(图片来源: Justice Blaine Wainwright)

对“海洋世界”假说的批评

这一假设直接而明显的指出,在SETI的在宇宙中用无线电搜索外星生命的基本思想框架下根本找不到“海洋世界”假说里的外星生命。如果从统计学上讲,在冰冻星球上出现生命的可能性更大,而内部海洋位于它们的核幔边界,那么寻找这类海底孕育的生命的证据将需要更积极的手段。

NASA计划向木卫二发射一艘名为“木卫二快艇”(Europa Clipper)轨道飞行器,对木卫二表面进行分析,以期进一步了解木卫二的组成、监测表面水柱的喷发活动以及寻找生命的痕迹。这次任务获得的数据也将为未来可能的木卫二地面任务(比如NASA的“木卫二着陆器”(Europa Lander)计划)提供有效的信息。

这次“木卫二快艇”任务将检测木卫二表面一个活跃的水柱附近的地点,这个地点被认为是最有可能检测到生物标志物的地方。在过去的几十年里,甚至有许多人提议建造一艘机器人潜艇来调查木卫二的冰层下的海洋,对于探索土卫二和其他“海洋世界”的星球也提出了类似的建议。

人们希望更近距离地观察太阳系中的海洋世界,以确定其中是否有生命存在。但是从派遣任务直接探索这些星球将直接威胁到那里可能存在的任何生命,这就是行星保护的悖论,在那里寻找生命需要冒着给当地引入污染和危及当地生命的风险。在探索任务开始之前,这类道德伦理问题,人类也需要讨论清楚。

平庸原理与人择原理的再次交锋

其实“海洋世界”假说违背了哥白尼平庸原理,因为我们并不生存在那样冰冻的星球上,它又一次将哥白尼平庸原理和人择原理的支持者拉上了辩论台:

哥白尼平庸原理指出,如果某样样本是由随机抽样得出的,那么它有很大可能代表总体样本的绝大多数,而不是其中稀有或独特的个例,在天文学和宇宙学领域(称为宇宙学原理),它认为类地行星和出现类似和地球生命类似的生命在我们的宇宙中很常见。

人择原理本质上与宇宙学原理相反,认为对宇宙的观察完全依赖于有利于生命的规律,正如大卫·布林(David Brin)在论文《大沉默-关于地外智慧生命的争论》(The Great Silence - the Controversy Concerning Extraterrestrial Intelligent Life)中对费米悖论进行讨论的那样:

“‘哥白尼平庸原理’在哲学意义上的对立面是是‘人择原理’。而后者指出: 即使在一个巨大而多样的宇宙中,观察者也有可能见证一个特殊的地点和时间,那么这个观察者就应该是被”选中“去坐在这个宇宙剧场的特等席上的。所以”人择原理“的唯一性要求生活在地球上的人类非常得特殊,以至于可能是占尽了宇宙中得天独厚的条件才诞生的智慧文明。”

如果说宇宙中的大多数生命和文明都是在冰冻的行星和卫星中发现的。那么地球、地球生命以及人类文明都是非典型的。而人类手捧着“人择原理”的观影指南并坐在了宇宙剧场的特等席上。

因为其他生命形式可能无法与我们联系,为了解决费米悖论,人类必须不断地去寻找地外生命。但是如果我们冒着污染和破坏我们发现的任何生命的风险,难道我们还应该让搜索外星生命的活动继续下去吗?寻找太阳系内的外星生命也向人类提出了一个道德伦理问题。

在人类开始向木卫二和其他“海洋世界”星球派遣探索任务之前,这些问题绝对必须要得到回答。如果这些星球是我们在太阳系或整个宇宙中可能发现外星人的唯一地方,也许最好是从太空上观察它们,或者干脆完全不去管它们。幸运的是,“木卫二潜艇”(Europa submarine)或类似的任务还需要很多年才能上线成行,我们人类还可以为这个道德伦理问题争论很久。

此外,许多新一代望远镜将在不久之后投入使用,如:詹姆·斯韦伯望远镜(James Webb Telescope)和南希·格雷斯·罗马太空望远镜(Nancy Grace Roman Space Telescope),它们将收集更多关于可能宜居的系外行星的信息。最后附上一张关于太阳系“海洋世界”星球的图片: 

(译者注: 图8中分别将符合海洋世界条件的星球的大小与地球做了对比,展示了距离太阳的距离并且对生命存在的可能性做了一个综合评价。综合来看,木卫二和土卫二孕育生命的可能性相对较高。历史上最拖延的詹姆·斯韦伯望远镜的发射任务终于定在今年年底12月18日。在不远的未来我们有希望通过这些新设备的观测结果回答我们想知道的一切。

图8。太阳系中符合或者可能符合海洋世界的星球的介绍(图片来源:Kim Orr/solarsystem.nasa.gov)

图8。太阳系中符合或者可能符合海洋世界的星球的介绍(图片来源:Kim Orr/solarsystem.nasa.gov)

作者:不详 来源:网络
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