□作者: 陳壯叔
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生命在宇宙中的出現,是偶然抑或必然?這是一個長期爭論著的問題,近來,把生命視為大自然的必然產物的看法,似乎在科學界佔了上風。雖然我們現在僅有的生物樣品,只來自我們自己的家園—地球,但日益增多的科學家相信,只要具有類似地球的地質,那麼在宇宙的其他地方,也必有生命的存在。故欲在太陽系外尋找生命的蹤跡,最佳的辦法,是先尋找類地行星。人們要問,我們的銀河系內是否散布著不少的類地行星? 
這個問題在不久前還很難回答,而今人們有望在近年內得出答案。科學家已經作好準備,在天文探測中開拓一個新的研究領域—可居住帶,這是指一顆恆星周圍的合適地段,在那里,很有可能有一顆像地球那樣的行星。
我們有理由相信,行星是很普遍的。據恆星形成理論,星際間存在著大量的氣體和塵粒雲,它們在自身的引力拉牽下,塌縮成一個物質盤,而盤中心的極大部分物質,最終形成恆星,而行星則在離盤中心更遠的地方生成,這個理論與天文觀測吻合得很好。
在過去的幾年中,天文學家在太陽系外的10多個恆星系中,探測到木星般大小的巨行星,這些巨行星多半不會具有適合生命(像我們那樣)的環境。它們很可能也像木星那樣,具有厚厚的有毒大氣層(如氨、甲烷等),以及一個極熱的液態氫的深海。
即使如此,它們的存在也會令人鼓舞。一位科學家說,“若你看到,我們近旁百分之幾的恆星圍著行星,且是在我們的觀測能力極為有限的條件下測得的。這告訴我們,它們的形成的確是一個普遍的過程。”進而言之,類地行星的形成,不可能是稀有的例外;像我們太陽系內層行星那樣的水的、岩石世界,也同樣是普通的行星世界。
當然光是水和岩石,還不足以構成對生命來說是一個理想的行星。金星和火星也跟地球差不多大小,但金星太熱,其大氣較厚且有腐蝕性;而火星又太冷,大氣稀薄得難以呼吸。只有地球處在合適的中間地帶,滿足了創生條件:不太熱、不太冷,正好的氣溫。
一顆行星大約需要地球質量的10倍到1/10,才能保住大氣。大多數天文學家相信,這樣的行星它也應處在可居住帶,在這個區域里,行星表面能保存液態水。至于這個可居住帶的位置和大小,這要視恆星的密度而定。拿我們的太陽來說,這地帶在金星軌道外至火星軌道內。
我們已探測到的幾個巨行星都處在其恆星的可居住帶內或近旁。科學家威立姆等指出,即使這些巨行星不適于生物,而它們的衛星可能支持生命,只要這些衛星足夠大,能保持一個厚的大氣層就行。遺憾地說,我們目前的觀測技術,尚難看到它們。
一個明智的方法是尋找其恆星居住帶內的類地行星。一方面,生命物質多半存活在這些地方,另一方面,由于它跟恆星靠得近,更易于看到此行星的引力效應。迄今所發現的行星都是通過簡捷方法測出的。在這些行星圍繞其恆星旋轉時,可觀測到恆星有微小的搖晃,那是這顆行星的引力所致。不過像地球質量大小的行星,只有這些巨行星的1/1000,因此它引起的恆星搖晃實在太小了,難以看到。
直接攝影同樣也不現實,即使像木星這樣的巨星,也剛剛使得望遠鏡能看到。若別的地方有一顆地球,即使它繞著離我們最近那顆恆星旋轉,它的微弱的反射光,將完全被其恆星的亮上100億倍的輝光所淹沒。
而今有一個十分直接的辦法可探測這樣的行星。假定有一個離我們地球很遠的外星天文學家,他將望遠鏡對準我們,他將看到一個光點,那是太陽,此外,他什麼也無法看到。如果這位外星人踫巧處在地球軌道的平面上,每年總有一次,地球在太陽前面繞過,此時他將看到,陽光會微微變暗(約暗萬分之一)。就此他可推斷出,那里有一顆行星(地球)。事態發展得比科學家預期的更快,最近,美國科學家已用這種辦法證實了一顆行星的存在。
現在天文學家正計劃這樣的觀察,關注星系中的這類“日蝕”情況。美國宇航局阿姆斯研究中心的科學家提出了一個空基觀察計劃,稱之為“開普勒”。有可能在2003年,他們將把一台口徑1米的望遠鏡放入地球繞日軌道。當然沒有理由相信,我們總是能處在任何行星(太陽系外)的軌道平面上,但這樣的機會約有1/200。
開普勒將花4年的時間,連續觀察10萬顆恆星的亮度變化。阿姆斯的研究者博拉基說,“這一觀察計劃希望能找到500顆類地行星。”但這里有一個假設的前提,即極大部分的恆星都有行星系,實際情況又是怎樣?最終還得靠開普勒那樣的觀察,作出解答。
測量恆星暗下來(在行星通過時)的度數,專家們即可估算出這顆行星的大小和質量;同時光譜儀測出其恆星的溫度、亮度和質量。有了這些數據,天文學家就能測出這顆行星是否處在其恆星的居住帶內。進而可尋找水,最終當然是探索生命的痕跡。 
生命存在的可能,使得尋找類地行星變得如此激動人心,但確實地說,生命是否必須要有類地條件,這個問題還難肯定,到目前為止,在地球之外,還未發現過生命。這涉及到地外文明探尋(SETI)計劃,不少的研究者已為之花了許多時日。參與SETI研究的天文學家肖斯克說,他們將以十分敏銳的眼光去看待將要來到(開普勒)的結果。“若得悉類地行星是普遍存在,對我們是一個很大的支持。”任何類地行星一旦被確證,都將列入SETI表,這將使得SETI工作易于著手。
除開普勒外,還有類似的安排也在計劃之中。其中首先是凱克干涉系統。明年開始,在夏威夷的二台凱克望遠鏡將通過85米長的基線連接起來,而成為一個2元干涉系統,屆時其分辨率將提高到相當于一台85米口徑的望遠鏡,它的光學器件,將使得宿主恆星的光線因破壞性干涉而相互抵消,這樣,人們就能看到其行星伴侶。具體地說,它能探測到80光年外的、像天王星那麼大(地球的4倍)的行星。
美國宇航局將于2005年發射一個空間干涉系統(SIM),它將使用一組空間望遠鏡去完成類似的任務,其主要目標是近旁恆星的行星系統,以尋找比地球略大幾倍的行星;更為完臻的手段,要數類地行星尋找者(TPF),這是由噴氣推進實驗室提出的方案,若一切準備工作進展順利,該探測器將于2010年升空。它是一個由4台望遠鏡組成的陣列,其分辨率要比目前的哈勃空間望遠鏡高100倍,這將使得專家能拍攝單個類地行星的圖像,探測50光年外的行星系,並能對這一區域內的恆星作出全面測量。最為重要的是其高分辨率光譜儀,能分析出類地行星大氣的化學組成,甚至有可能“嗅”出臭氧和甲烷,它們是活性化學物質,若探測到它們的蹤跡,將意味著那里可能有生命的存在。
另一方面,歐空局正在籌建一個類似的探測工程,稱之為“達爾文”。這是一組6望遠鏡陣列,也使用干涉儀,擬拍攝行星系統並研究其光譜。
美國宇航局的科學家似乎對類地行星的存在充滿信心。1999年夏天,在芝加哥召開的美國天文學家協會的年會上,該局局長戈爾丁預言說,在21世紀,“科學家將討論外星世界的大陸結構和海洋、氣候模式、天氣、風暴和季節的特征。”許多科學家認為,即使地球是一個行星形成和地質歷史中的幸運兒,找到類地行星的機會還是大的。他們的這種樂觀看法,來自一些最基本的數字,例如,在銀河系內約有2000億顆恆星。他們相信,在未來幾年中,開普勒等系統的成果將源源而來,以填補目前還空白的類地行星項目;但也有另一種可能,開普勒也許什麼也未發現,博拉基說,“這也許告訴我們,在銀河系內,像我們這樣的行星系是很稀有的。”若確實如此,那麼我們這顆行星一下變得十分特殊和脆弱,它已成為銀河系中唯一的綠洲,生命也將是一種偶然而非必然!
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文章作者:陳壯叔
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