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Sep. 26 2023

尋找外星生命的絕佳目標出爐!

  • 這張插圖是依據科學數據所繪製的系外行星K2-18b。新的觀測結果顯示,這顆行星擁有包括甲烷和二氧化碳在內的含碳分子。K2-18b有豐富的含碳氣體,但缺乏氨氣,這支持其大氣層下方可能有液態水海洋存在的假設。ILLUSTRATION BY NASA, CSA, ESA, J. OLMSTED (STSCI), SCIENCE: N. MADHUSUDHAN (CAMBRIDGE UNIVERSITY)

    這張插圖是依據科學數據所繪製的系外行星K2-18b。新的觀測結果顯示,這顆行星擁有包括甲烷和二氧化碳在內的含碳分子。K2-18b有豐富的含碳氣體,但缺乏氨氣,這支持其大氣層下方可能有液態水海洋存在的假設。ILLUSTRATION BY NASA, CSA, ESA, J. OLMSTED (STSCI), SCIENCE: N. MADHUSUDHAN (CAMBRIDGE UNIVERSITY)

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在系外行星K2-18b所偵測到的氣體混合物,暗示在它富含氫的大氣層下方可能有個全球性的海洋。天文學家甚至發現了讓人興奮不已的生命跡象,但此一發現仍未經證實。

詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(James Webb Space Telescope)最近的觀測揭露了遙遠行星K2-18b大氣層的新細節。歐洲研究團隊分析發現,這顆星球有著豐富的甲烷和二氧化碳,但氨含量卻很少──這樣的組合顯示,這顆行星可能是種先前僅存在於理論之中的海洋行星。

K2-18b與其母恆星的距離恰當,可能有生命存在。新的分析顯示,這顆水行星的大氣層中,可能含有一種地球生命所能產生的化合物:二甲硫醚(dimethyl sulfide)。天文學家將進行後續的觀測,以確認該化合物是否真的存在。若的確如此,則需要更進一步排除可能的非生命氣體來源。

就算K2-18b上沒有生命,它也揭露了有一類比地球大、但比海王星小的全新行星。此一研究的主要作者──劍橋大學的天文學尼庫.馬杜桑(Nikku Madhusudhan)──先前就推測,此類行星的大氣層下可能有液態海洋存在。

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他回憶起當時看到顯示有氫存在的數據,更重要的是富含甲烷和缺乏氨的狀況。研究顯示,像K2-18b這樣的大行星若含有這樣比例的氣體,必然是大氣層與下方的水體產生交互作用的結果。

「十年來,我們一直在此類低溫大氣中尋找甲烷,而我們在第一次觀測這顆行星從母恆星前方經過時,就發現了甲烷的存在!」他說:「那真是個讓人興奮大喊『我找到了!』的時刻。」

2021年,馬杜桑為這類「潮濕」行星取了個名字:氫氣海洋行星(Hycean planet)。這個聽起來很浪漫的詞彙,源自於氫(hydrogen)和海洋(ocean)兩個單詞的合併。這類行星不但是在我們太陽系中付之闕如的有趣行星,要對它們進行研究也相當務實:它們比岩石行星更大,因此更容易以太空望遠鏡的遠端偵測器來測量。

在今年1月和4月,行星兩度穿越母恆星前方,韋伯太空望遠鏡在歷時2.5小時的凌星期間對這顆行星進行觀測。望遠鏡上的儀器仔細觀測了穿過行星大氣層的星光,為天文學家提供可用來識別大氣層中氣體的光譜線索。

發射成本高達100億美元的韋伯太空望遠鏡,正向研究人員證明它作為研究遙遠行星工具的價值。馬杜桑說,韋伯進行一次五小時的凌星觀測所能提供的數據,比哈伯太空望遠鏡歷時數年、進行八次觀測加總起來的數據更多。「這是革命性的改變。」他說。

到哪裡尋找生命?

在系外行星尋找外星生命的科學家主要有兩種派別——往像地球這樣的岩石行星尋找,或往富含海洋的行星尋找。

這項新研究為可能有生命存在的海洋行星提供了讓人興奮不已的新線索,同時韋伯太空望遠鏡也將目光轉向岩石行星。韋伯望遠鏡在今年稍早觀測了鄰近與地球大小相似的行星TRAPPIST-1 b 和TRAPPIST-1 c,並發現它們可能是裸露的岩石,也沒有二氧化碳的保護大氣,因此不太可能有生命存在。研究結果顯示,像這樣的岩石行星圍繞著一種以發出閃焰聞名的低溫矮星運行,可能並不適合生物生存。

「我們能夠測量系外行星的大氣,是非常了不起的。」馬克斯.普朗克天文學研究所(Max Planck Institute for Astronomy)的蘿拉.克雷德伯格(Laura Kreidberg)是研究TRAPPIST-1 系統的科學家之一,她在一份聲明中如此表示,「數十年來,人們一直質疑岩石行星是否能夠維持大氣層。韋伯太空望遠鏡的能力確實讓我們進入了新時代,能以前所未有的方式比較系外行星系統與太陽系的異同。」

雖然新研究強化了氫氣海洋行星世界存在的理論,但仍有其他可能的解釋。來自韋伯太空望遠鏡的相同數據,可能會因數據分析流程,而產生略有不同的結果。

「我們已經知道,從韋伯太空望遠鏡觀測資料推測出的豐度可能與數據分析流程非常相關。」約翰.霍普金斯大學(John Hopkins University)的行星科學家莎拉.赫斯特(Sarah Hörst)表示,她的研究專長是大氣化學,但並未參與這項新研究。「做出此一說法所需的計算,對大氣中各種分子的數量非常敏感。」

馬杜桑同意,需要更多的研究來確認此一結果,並表示美國航太總署(NASA)噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory)的一組團隊已預留時間,將在今年稍晚與韋伯太空望遠鏡一起觀測這顆行星,以收集更多數據。「這是條漫長道路的開端,」他說:「但這是讓人興奮的一條路。」

海洋星球上的外星生命?

像K2-18b這樣富含水的行星,是尋找外星生命的絕佳目標——畢竟水是地球生物得以蓬勃發展的介質。但即便是顆擁有液態海洋和富碳大氣層的行星,也不能保證擁有生物——它必須有合適的大小、溫度,且與母恆星的距離剛剛好──也就是科學家所說的「適居區」(habitable zone)。

K2-18b繞著獅子座的一顆低溫矮星運行,所處位置符合適居區的所有標準。但這顆行星的體積很大——其質量為地球的8.6倍,因此可能不利於生命存在。它冰冷的內部可能被薄薄的海洋和大氣包覆,因此液態水可能會沸騰逸散至太空之中,而阻礙任何有可能的生命形式發展。

但韋伯太空望遠鏡的觀測資料中還有另一條線索──這顆行星可能擁有二甲硫醚分子。地球大氣中也有二甲硫醚,它是由海洋中的浮游植物群產生的,德式拉格啤酒聞起來如此辛辣,也是因為此種化合物。

儘管另一顆星球擁有這種分子的可能性讓人興奮不已,但科學家還有很長的路要走。赫斯特表示:「他們數據中的二甲硫醚證據似乎不夠有說服力。」

馬杜桑的六人團隊已取得明年初韋伯太空望遠鏡「中紅外線儀器」(Mid-InfraRed Instrument,簡稱MIRI)的觀測時間,這是種經過最佳化用以檢測二甲硫醚的光譜儀,來確認是否有二甲硫醚存在。問到何時會取得中紅外線儀器的觀測結果,他說:「明年這個時候來問我吧!」

在地球上,除了海洋生物之外,沒有任何其他的過程可以產生二甲硫醚分子。然而,在像K2-18b這樣的行星上,其條件可能適合以非生物過程產生二甲硫醚。「我們對含硫化學的理解是以地球和金星為中心的,它們的大氣層與K2-18b這樣以氫為主的大氣層非常不同,」赫斯特說:「我們需要更多的理論計算和實驗室測量,來了解可能在大氣中產生和破壞二甲硫醚的不同途徑。」

如果在K2-18b上偵測到二甲硫醚,「理論家就該真正參與進來了,」馬杜桑說。他們的工作是對行星生命週期內的化學反應進行無數次模擬,試圖找出任何可能的途徑,以在沒有生命存在的情況下,產生韋伯太空望遠鏡所發現的特徵。「只因為它在地球上是生物指標,不代表我們必須把它認證為生物指標。」馬杜桑說。只有在找不到其他解釋的情況下,才能用它來推測這顆行星上擁有海洋生命。

我們通常是藉由發現火星化石、接收到來自星際的訊息,甚至是外星人造訪白宮草坪的傳言,來證明外星生命存在。但人類發現我們並不孤單的真正時刻,可能是個坐在電腦螢幕前的孤單資料處理者,正運行複雜有機化學模型的夜晚。

 

延伸閱讀:重大發現:土衛二擁有所有生命組成關鍵元素 科學家在隕石中發現地球從未見過的的「外星」礦物

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