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地外文明如何探索


昵稱KPNASA的V著陸器在火星采集樣品探索火星生命火星一直是我們人類高度關注的目標,在地球上從細菌到陸地生物,你會發現各種有趣的動物或者植物,數量眾多,甚至還會有我們沒有發現過的...

- 2020年10月28日00時55分
- 科學文摘 / 昵稱KP

NASA的Viking 1著陸器在火星采集樣品

探索火星生命

火星一直是我們人類高度關注的目標,在地球上從細菌到陸地生物,你會發現各種有趣的動物或者植物,數量眾多,甚至還會有我們沒有發現過的,沒有正式命名的生物。這個現象在宇宙中也許會更加複雜。對於生物的命名是科學家們最大的挑戰。

有大量證據表明液態水曾經覆蓋了火星大部分表面,就像現在的地球70的面積是海洋。關於火星的存在生命的說法從上個世紀就開始了。最為重要的兩個證據應該是1976年,維京標記釋放實驗返回了有關代謝微生物的陽性測試結果,大多數科學家認為可能是活躍的土壤化學作用。直到二十年後,NASA和斯坦福大學研究小組報告了火星隕石ALH 84001中古老微生物的證據,但是這個發說至今也有爭議。

目前NASA的火星探索任務是一直是“找水”,現在已經有足夠的證據證明火星在數十億年前火星是可以孕育生命並且發展的。

下一個火星探測器計劃於2021年2月18日到達火星古老的湖床Jezero Crater,這個探測器沒有攜帶任何探測現存生命的儀器,但是它的成像系統在理論上可以揭示宏觀的生命形式或化石。

另一方面NASA和ESA正在合租一項70億美元的樣品返回任務,該機器的強大在於機器上的儀器更有可能檢測與生物過程相關的複雜分子。更重要的是該機器將在火星表面向下鑽探幾英寸,收集一些岩石和碎石樣品並且返回地球,這任務計劃2031年之前返回火星材料。

ESA還將派出火星漫步著,該漫遊車原計劃於今年7月發射,但由於測試降落傘出現問題,已推遲至2022年,該漫遊車將在火星地表以下6.5英尺(2米)處進行鑽探。流動站帶有照相機和光譜儀,能夠檢測過去或當前生命的化學和礦物特征。

在火星上尋找生命是一個巨大突破,如果火星生命和地球生命相似,那就意味著在太陽系中,行星間的生命是可以傳遞的,至於是怎麼傳遞的也許是星際飛船,也許是其他技術不得而知,另一方面火星和地球的生命相似也就意味著這兩個世界都是從同一個外部來源播種的。
當有一天我們知道行星可以交換生命,火星人是我們的祖宗,那人們也許都會很吃驚。

但是火星生命具有不同的化學組成,不基於細胞或者利用除DNA和RNA之外的信息編碼分子,那麼也許生命是獨立於兩個不同的世界起源的,並且采取了兩種不同的途徑,這也意味著銀河系中生命也許廣泛存在。

探索太陽系海洋世界

除了火星之外,還有一些星球在冰冷的表面下存在液態水海洋世界。目前通過計算的可能有12到15個太陽系世界掩蓋了地下海洋。這其中包括行星,衛星,甚至是柯伊伯帶天體。

木衛2

土衛2

木衛2和土衛2這兩顆衛星都是通過與他們的主行星和其他衛星產生引力相互作用進行潮汐加熱,在這種情況下,這兩個衛星的模型展示出來的是它們的海洋也許在上方的的冰層和下方的岩石層之間。這樣的世界生命體可能是細菌,管狀蠕蟲以及其他像在地球海底熱液噴口繁衍生息的生命形式。

2014年,哈勃太空望遠鏡首次發現了從歐羅巴南極散發出的羽狀流的證據。2019年,研究人員發布了迄今為止最好的證據,證明歐羅巴的羽毛中含有水。所有這些發現表明,生物成因物質可能存在於地表或其附近。

NASA計劃中的歐羅巴快船任務將從2030年開始,該任務將確認該世界海洋的存在,測量冰殼的厚度,對歐羅巴羽狀流中的物質進行采樣,以尋找有機物和其他生命的指標證據。

系外行星大氣

基於過去20年來的發現和探索,對於系外行星的探索取得了一些進展,截止六月下旬,天文學家在太陽系外發現了4274個行星,這都要歸功於哈勃和開普勒太空望遠鏡和非常多的地面儀器,我們才能令人驚奇地獲得有關許多世界的大小,質量,密度甚至大氣成分的詳細信息。

現在有關系外行星大氣的最佳信息來源是通過運輸光譜學。也就是說,在地球的視線看到一顆行星或者這顆行星穿過它的恒星表面的時候,星光便穿過行星的高層大氣並與那裏的化學物質相互作用。通過比較在一次飛行過程中拍攝的光譜與當行星不飛行時僅對恒星的觀測,天文學家可以提取有關行星大氣化學的信息。

這是一種非常複雜的觀測方式,並且要耗費大量的時間和精力,但是,即使在這樣複雜的觀測方式下,研究小組使用這種技術觀測並測算到了很多顆系外行星的大氣成分,發現了水,一氧化碳,鐵,鎂,鈉,鉀以及稀有元素scan和釔等化學物質。

一個特別有趣的行星是K2-18 b,這是一顆在其紅矮星主恒星宜居區域內運行的微型海王星。(可居住區域是恒星周圍的區域,大氣中的行星具有合適的溫度以在其表面上支撐液態水。)兩個研究小組利用哈勃望遠鏡在其富含氫和氦的大氣中發現了大量水蒸氣。
水可能凝結成雲,可能產生雨水。K2-18b的岩石表面或水表面是否有益於生命仍然未知。

當前的望遠鏡和儀器缺乏分辨力和靈敏度,無法揭示指示溫帶地球上生命的化學物質的組合,例如自由氧(氧氣(諸如O2和O3等未與其他元素結合的氧),二氧化碳和甲烷)。科學家對尋找“不平衡化學”的證據特別感興趣,這種化學是在沒有生命的情況下不應該存在於行星大氣中的化合物的混合物。例如,沒有光合作用的生命來不斷補充供應,氧氣和甲烷就不會在地球大氣中共存。

盡管當前一代的望遠鏡還不能完全勝任這項任務,但下一代的望遠鏡也許可以勝任。一旦發射和部署(預計在2021年進行),太空望遠鏡將對相對較近的正在運行的系外行星進行紅外觀測,尤其是繞著紅矮星運行的超地球。但是,望遠鏡的最佳選擇是找到行星,其原始生命類似於地球早期,因為由於其儀器的光譜分辨率相對較低,因此存在於系外大氣中的大多數生物特征可能無法清晰顯示。

科學界對即將到來的地面天文台抱有更高的希望,例如24.5米的麥哲倫巨型望遠鏡,三十米望遠鏡和歐洲南方天文台的39米超大型望遠鏡,所有這些都可以在年底觀測到第一道曙光。十年。這些龐然大物將配備高分辨率光譜儀和其他高科技儀器,以尋找光學和近紅外波長的生物特征。它們將特別適合檢測遊離氧,這是我們世界生命的明顯特征。

天文學家們還在計劃新的技術,以觀察數量不超過其母恒星的行星。探測一個非過渡行星可以使望遠鏡更深入地觀察大氣層,甚至可以一直觀察到地表。此類研究的首批目標之一可能是在Proxima Centauri宜居帶內運行的大致地球質量的行星,Proxima Centauri是距太陽最近的恒星,距地球僅4.2光年。

NASA和ESA正在考慮專門用於系外行星觀測的太空望遠鏡。ESA的大氣遙感紅外系外行星大型調查任務ARIEL計劃於2028年發射,它將用橢圓形的1.1 x 0.7米主反射鏡探測1000個正在過渡的行星的大氣層。

沿著這條路走下去,NASA的宜居系外行星天文台(HabEx)任務將在2035年左右發射出4米長的望遠鏡,以對可居住區域的地球大小的行星進行光譜學和成像。NASA的大型紫外線/光學/紅外測量員(LUVOIR)任務將在2030年代後期發射帶有日冕儀的8米或15米望遠鏡,以詳細描述系外行星大氣和表面。

對地球外生命的任何探測(原始的或先進的,近或遠的)都將使人類對我們在宇宙中的地位有新的認識。未來的發現將告訴我們常見的有生命的行星是什麼,什麼類型的行星可以支持哪種生命,甚至根本不存在根本不同的生命形式。在別處尋找生活是科學的神聖領域之一,注定要給我們帶來新的宇宙觀。


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