多水的宇宙

田也

人類知道的最大最深的水體從未被航行過，那里沒有島嶼或海岸，沒有風浪，也沒有銀光閃閃的表面。這片黑暗的海洋在地球上的任何一張地圖上都找不到， 因為它遠在4.8億千米以外的木衛二上——木星周圍至少有69顆衛星環繞。1995年至2003年間，“伽利略”號航天器曾11次飛經木衛二。來自“伽利略”號的數據顯示，在木衛二光滑的冰面下暗藏著一個巨大的咸水海洋。該水體預計深達96千米——約為太平洋最大深度的8倍，水量是地球上所有海洋的兩三倍。

木衛二并不是唯一充滿液態水的衛星，至少還有兩顆木星的衛星——木衛三和木衛四——擁有地下海洋。此外，圍繞土星的土衛一和土衛六可能也有。毫無疑問，在土衛二堅硬的冰殼下也藏有水，水量可能與五大湖相當。2005年，“卡西尼”號探測器拍攝到土衛二間歇性噴泉將冰與水蒸氣噴射到數百米高空的照片，這為土衛二上存在深海的事實提供了令人驚奇且無可辯駁的證據。2015年10月，“卡西尼”號甚至直接穿過間歇噴泉，在距離衛星表面約9米的低空掠過，對噴泉物質進行采樣。

宇宙中液態水的豐富性和普遍性完全顛覆了科學家的期望。在“卡西尼”號、“伽利略”號和其他探測器有所發現之前，人們普遍認為：木星和土星的衛星看起來很像我們地球的衛星（月球）或者火星的衛星，它們都由巖石構成，地表是布滿隕石坑的荒原，完全不適合生命存在。位于美國加利福尼亞州山景城的地外文明搜索研究中心主任塞斯·肖斯塔克認為：“沒預料到會有地下海洋，這一發現拓展了我們對可居性概念的理解，人們可能在以前從未考慮過的星球上發現生命的存在。在此之前，人們一直認為生命只能出現在行星上，但現在我認為僅太陽系就存在7

顆宜居星球——至少有適宜生命存在的條件。7顆！而且大多是衛星！”

僅我們太陽系就有這么多的水，幾乎可以肯定，其他恒星周圍的無數行星上也必定有海洋，更不用說那些有水的衛星了。天文學家已經初步確定了太陽系外的一些“水球”——根本沒有一寸干陸地的行星。“真是令人難以置信，”位于得克薩斯州圣安東尼奧的西南研究所的“卡西尼”任務科學家克里斯托弗·格萊恩說，“這就像發現了全新的海洋學領域一樣。”

事后看來，人們沒必要對外星海洋的存在如此大驚小怪。氫在宇宙普通物質中的比例為74%，氧是現存的第三大常見元素，把二者結合起來就會得到——水。天文學家已經在月球甚至水星——距離太陽最近的行星——上的隕石坑中觀測到水冰的痕跡。這在星際云團或者新生行星系統的塵埃盤中普遍存在，而且在一些巨型系外行星的大氣層中，水冰也很常見。

美國航空航天局下屬的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JamesWebb Space Telescope，預計明年發射）項目助理科學家伯尼·米尼克說：“在過去的20年里，我們對系外行星的研究已經十分深入了，了解的系外行星數量已經從十幾顆增至數千顆。而且我們現在知道，夜空中的每一顆恒星周圍，可能都伴有一顆行星。我認為我們有理由預測這些恒星周圍的大部分行星上都存在某種形式的水。”

有水的地方可能就有生命，因此“追蹤水”一直以來都是天體生物學家信奉的格言。是什么使水如此重要？為生命引擎提供動力的化學反應需要這種液體來溶解和運輸細胞中的分子。水是人類已知的最好溶劑之一，其保持液態的溫度范圍比其他任何物質都大。其他液體可能會在某些外星生物化學反應中發揮作用，比如在土衛六上發現的液態甲烷湖。但到目前為止，還沒有任何已知的生命成為例外，不必遵守“生命需要水”的規律。

目前已探測到的與地球最相似的行星， 可能因為有太多水或冰而不適宜生命生存。

那么，那些被這種基本物質——水——完全覆蓋的星球是否就是生命存在的理想天堂？最近的許多研究給這樣的期望潑了一盆冷水： 許多“水球”實際上可能有太多的水，不利于生命的誕生，或者即使生命能夠誕生，太多的水也限制了它們的茁壯成長。美國亞利桑那州立大學天體物理學家史蒂文·德斯說：“更多并不一定意味著更好。”德斯和他的同事長期以來都在運用計算機模型來模擬地球物理和大氣環境，這些環境可能存在于外星世界。他們的目標是為未來幾代系外行星搜尋者提供行星野外搜尋指南，德斯稱其為“行星周期表”（Periodic Table of

Planets）。該“周期表”對那些大氣層中最有可能含有生命副產品（例如氧氣或甲烷等） 證據的外星天體進行排序。最重要的是，這些氣體的量必須大到足以在未來幾十年里用望遠鏡觀測到。德斯說：“我們應該優先觀察那些可能存在生命最佳指標的行星。”

事實證明，這些濕漉漉的水世界可能是最糟糕的地方之一。德斯團隊建造了一個計算機模型，用來模擬一個在所有方面都與地球類似的行星：大小與地球相當，與類太陽恒星保持著穩定的距離，處于不太冷也不太熱的位置。然后，他們用相當于地球水量5倍至7倍的水淹沒了這個世界——水量足以淹沒該行星上的所有大陸。德斯稱：“假如地球上再多6個大洋，那么珠穆朗瑪峰也可能被淹沒。”通過淹沒這個虛擬的世界，他們消除了一個人類認為理所當然的、對生命的誕生至關重要的環節：裸露巖石的風化過程。

由于沒有雨水或流水侵蝕巖石，德斯團隊創造的行星的海洋中含有極少的磷元素，這是所有生命不可或缺的元素。海水本身的酸性還不足以像淡水那樣有效地溶解磷。亞利桑那州立大學的微生物生態學家、德斯的同事泰莎·費舍爾說：“磷非常重要，除了RNA和DNA以外，它還能構成

ATP——這是為幾乎所有已知生物提供能量的化合物。我們了解的陸地生物化學，在沒有磷參與的情況下不會發生任何反應。”

德斯和費舍爾強調，他們的模型并不排除“水世界” 有生命存在的可能性。這些行星上的海洋可能含有少量的磷，但不足以維持大量生命的存在，也就無法在大氣層中留下明顯的印記。費舍爾說：“這些星球的大氣層中，并不像地球大氣層一樣含有30%的氧氣。一個完全由海洋覆蓋的星球很有可能有生命存在，只是因為那里的生命形式可能非常奇特，現有技術不足以讓人類從地球上探測到它們。”

不過，也有一些外星世界，因為有太多的水而不可能有任何生命存在。德斯的團隊估計，如果一顆行星與地球大小相當，但其10%的質量以水的形式存在，那么它上面可能沒有任何生命。這樣的行星相當于有400個海洋的地球，海洋底部巨大的壓力會產生密度超大的冰，被稱為冰六（Ice-Ⅵ）或冰七（IceⅦ）。德斯說：“這種情況就比較糟糕了，因為不會有水和巖石之間的交互作用。”

盡管看起來很古怪，但在宇宙中這些“水世界”可能比地球這樣的巖石星體更常見。在整個宇宙的行星系統中，水和巖石可能同樣豐富。在我們的太陽系中，彗星、部分衛星以及冥王星外充滿冰物質的柯伊伯帶，都被認為是由等量的冰和巖石組成的。德斯稱：“系外行星大約由50%的冰組成，這很正常，不正常的是為何地球如此‘干燥。”

從我們狹隘的角度來看，地球似乎是最典型的海洋行星。從太空中看，它就是個淡藍色的點，完全由海洋主導。但所有這些海洋在地球表面只不過形成了最薄的一層薄膜。按質量計算，地球上的水只占地球質量的0.025%。利用當前技術，天文學家還無法判斷類似地球的系外行星上是否有水。天文學家運用兩種基本技術來推定系外行星的構成。首先，他們通過觀察該行星在母恒星前面經過時擋住的亮光的多少來判斷行星的大小；其次，通過測量行星做軌道運轉時因拉扯力而使恒星產生輕微擺動的幅度得出行星的質量。將行星的質量除以其體積就得到了密度，從而幫助天文學家大致了解該星球上氣體、巖石物質和水的百分比。

德斯說：“想想我們地球的海洋有多薄，它不會以任何方式改變地球的半徑。”他說，就目前而言，只有當水占某顆系外行星質量的10%左右時，天文學家才可以判斷其是否有海洋。正如上面提到的，這相當于400個地球海洋，這是有關生命能否誕生的臨界點。因此，我們能用現有技術探測到的“水世界”，不太可能承載任何生命。德斯表示：“這就是現在的技術水平。我們有尋找水的能力，而且當水量占據星體10%時我們就能觀測到它。但對生命來說，這樣的水量還是太多了。”

至少有7顆行星圍繞著Trappist-1這顆距地球約40光年的超級紅矮星運行，該行星系統是由其比利時發現者用他們最喜歡的啤酒的品牌命名的。7顆行星的大小與地球大致相同，其中有3顆位于其母恒星的宜居帶內，所處軌道距離允許液態水存在。它們是迄今探測到的最接近地球的類地行星之一，但它們可能都“太濕”了，生命也可能無法承受上面的冰的壓力。

通過望遠鏡捕捉到的質量不高的光線來測量一顆遙遠行星的成分構成，充其量只能算作一門不夠精確的科學。基于這些考量，德斯和他的同事估計，Trappist-1行星系最外層的行星可能由50%的冰組成，而最里面的行星似乎也至少有10%的液態水和冰。德斯表示：“這些水量遠遠超出大陸可承受水量的最大極限。在海洋底部，可能會有數百甚至上千千米的高壓冰。顯然，這是顆死星球，不可能有任何生命。”

那么，如何才能識別出一顆“活的”行星呢？即像地球一樣，既有海洋又有陸地，不能太濕也不能太干燥。考慮到宇宙的浩渺，肯定有很多類似地球的世界，但我們如何找到它們呢？詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將在2020年開啟其5年至10年的探測任務，屆時，它將能夠分析與海王星大小相當的巨大系外行星的大氣層，甚至可能發現幾顆“超級地球”，即質量是地球2倍至10倍的類地行星。

詹姆斯·韋伯空間望遠鏡項目助理科學家米尼克說：“從其母恒星前面飛過的地球大小的行星看起來非常小，觀測起來很困難，觀測其狹長的大氣層就更難了。未來的望遠鏡計劃應該能夠克服這一點，甚至我敢預測說，在我的職業生涯內就有可能做到。但是韋伯望遠鏡可能無法確認類地行星上的水。”

能夠直接成像其他星球的海洋和陸地的望遠鏡可能至少需要幾十年的時間才會出現。即使這樣，整個行星的分辨率也可能被限制在一兩個像素內。不過，這也足以堪稱是科學史上最令人驚訝的發現了，我們將第一次直接觀察到類似地球的外星世界：隨著這顆遙遠行星的旋轉，單個像素的顏色將周期性由藍色轉變為棕色，將其陸地與海洋交替地呈現在我們眼前。

“或許確實會有一些多細胞生物， 但是我覺得不可能有金槍魚之類的東西！”

在那一天到來之前，我們很可能會在離家更近的地方找到一些生命的證據，而最容易接近的就是土衛二上的海洋，它似乎具備了生命所需的所有條件。2015年10月，“卡西尼”號探測器以約2.6萬千米/ 時的速度在土衛二的浮冰上俯沖而過，它的儀器探測到氫、二氧化碳和甲烷等成分，這表明土衛二上可能有與地球相似的深海火山。“卡西尼”號任務科學家格林稱：“當我們飛過間歇泉的時候，我們真的嘗到了土衛二海洋的味道！”

特別是氫元素的存在表明，在土衛二的海底，熾熱的巖石和咸水之間的化學反應將水分解成氫和氧。像土衛二這樣小的天體通常不會有任何可測量到的氫元素，因為這種元素是如此之輕，它早就應該逃逸到太空中去了。因此，土衛二上的氫必須以某種方式不斷補充，最有可能的來源就是熱巖石和水之間的化學反應。格林說：“一旦找到氫氣，我們就可以得出結論，土衛二上確實存在大量的化學能量，而這種能量正是地球深處的生物或熱液噴口處的生物所必需的。”

產甲烷菌是一種古老的細菌，通常在地球上的熱液噴口附近發現，它們可以將氫與二氧化碳結合，這一反應釋放出能量幫助其代謝，并產生甲烷廢物。人們認為，地球早期的海洋中充滿著這些類似的簡單生物，即使是現在，距離地球生命第一次出現幾十億年之后，產甲烷菌也獨立于陽光而生活，成為一個奇怪食物鏈的基礎，支撐著管狀蠕蟲和巨蛤的生態系統。

在土衛二、木衛二或其他衛星的海洋深處，是否會出現比細菌更復雜的生命形式？天文學家肖斯塔克說：“你可能在這些地下海洋里發現細菌生命，但若要為需要更多食物的復雜生物提供能量來源，則不太可能。這并不是說它不可能發生，這些衛星已經存在了45億年，所以很可能存在一些多細胞的生命，但我覺得不可能有金槍魚之類的東西！”

回答這些問題的唯一方法就是直接造訪這些世界。美國航空航天局已經批準了Europa Clipper任務，該任務可能會在2024年發射，2030年左右到達木星。該計劃要求探測器飛經木衛二45次，在距離其冰層覆蓋的表面上空約26千米范圍做近距離觀察。未來的任務實際上是在木衛二、土衛二或土衛六上著陸，尋找復雜的氨基酸和其他生物分子，這些都是生命所獨有的。

僅憑一個例子（我們自己的世界），不能充分說明生命在宇宙中是普遍存在的，還是偶然出現的。格林指出：“由于生命化石或化學證據已經可以將生命追溯到遙遠的過去，因此，人們普遍認為生命的起源是相當快的一個過程——人們把這理解為生命起源是件非常容易的事情。”不過，無論生命起源是簡單、困難或介于兩者之間，我們現在能確定的只有一件事：如果生命需要水才能誕生，那么宇宙中絕不缺少水。格林說：“如果我們考慮到生命起源的要素，那么水這個因素在太陽系是絕對充足的，甚至可能整個宇宙中都充滿了‘水世界。”