圖蟲創(chuàng)意

自古以來，人類便仰望星空，不斷追問宇宙中是否存在其他生命。近年來，隨著數(shù)千顆系外行星（即太陽系外的行星）陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，這個問題逐漸從哲學(xué)猜想轉(zhuǎn)變?yōu)閲乐數(shù)目茖W(xué)研究。在眾多的系外行星中，一顆名為K2-18b的行星近日成為了天文學(xué)界關(guān)注的焦點。

英國劍橋大學(xué)的天體物理團隊近日在《天體物理學(xué)報通信》（The Astrophysical Journal Letters，ApJL）發(fā)表了一項重要研究，文章標題為《New Constraints on DMS and DMDS in the Atmosphere of K2-18 b from JWST MIRI（利用JWST中紅外儀器對K2-18b大氣中二甲基硫(DMS)和二甲基二硫（DMDS）的新觀測限制）》。他們利用韋布太空望遠鏡（JWST）對行星K2-18b的大氣再次進行了深入探測，首次確認了甲烷和二氧化碳的存在。此外，他們還探測到了二甲基硫和二甲基二硫等特殊化合物。在地球環(huán)境中，這些物質(zhì)通常是海洋中的浮游植物等微生物在生命活動中產(chǎn)生的，因而被科學(xué)家普遍視為可能的生命活動標志。

K2-18b是一顆怎樣的行星？

行星K2-18b于2015年由NASA的開普勒太空望遠鏡（Kepler Space Telescope）在其第二個階段的觀測任務(wù)K2任務(wù)期間首次發(fā)現(xiàn)，而且是屬于第18個恒星系統(tǒng)里的第一顆確認的系外行星，所以被命名為K2-18b。這個行星是一顆圍繞紅矮星K2-18運行的系外行星，距離地球約120光年，位于獅子座方向。其行星的質(zhì)量約為地球的8倍，半徑約為地球的2.6倍 。這樣的尺寸使其歸類為“超級地球”行星，也就是其大小介于地球和海王星之間，但我們的太陽系中并沒有這種類型的行星 。K2-18b的公轉(zhuǎn)周期約33天，軌道處于其恒星的宜居帶內(nèi) 。“宜居帶”意味著行星接收到的恒星光照強度適中，理論上表面溫度既不至于讓水完全蒸發(fā)也不至于徹底冰凍，有可能存在液態(tài)水 。

與地球相比，K2-18b有顯著的差異。首先，它圍繞一顆紅矮星運行。紅矮星的質(zhì)量和光度都比太陽小很多，恒星K2-18的半徑只有太陽的約45%，表面溫度約3457開爾文，比太陽更冷、更暗 。由于恒星較暗，行星K2-18b需要離恒星更近才能獲得與地球相當?shù)臒崃?，因此它的一年（軌道周期）僅約地球的一個月長。如此近的軌道也意味著K2-18b可能被潮汐鎖定——一面始終朝向恒星，另一面永夜，這將造成地球上不曾有的極端晝夜環(huán)境差異。這一點和距離我們太陽系最近的比鄰星系統(tǒng)非常相似。

其次，行星K2-18b的組成和環(huán)境與地球大不相同。地球是巖質(zhì)行星，半徑和質(zhì)量較小，擁有稀薄的大氣（以氮氣和氧氣為主），海洋占到地球表面的71%。而K2-18b更大更重，引力更強，據(jù)估計其內(nèi)部可能有厚厚的高壓冰巖石層，就像縮小版的海王星內(nèi)部那樣 。它的大氣層預(yù)計富含氫和氦等輕質(zhì)氣體，屬于氫豐富大氣?？茖W(xué)家推測在這種行星表面下方，可能存在一個全球性的深厚海洋，被厚厚的大氣覆蓋——這類行星被稱為“Hycean星球”， 該名稱由“Hydrogen”（氫）和“Ocean”（海洋）兩個英文單詞組合而成，即擁有氫氣大氣和廣袤海洋的行星。如果K2-18b擁有海洋，其表面的平均溫度可能與地球接近 ；但也有研究指出，由于其大氣中可能產(chǎn)生強烈的溫室效應(yīng)，加上恒星照射不均勻，海洋可能處于“地獄般熾熱”的狀態(tài)，并不適宜已知形式的生命生存 。因此，盡管K2-18b與地球在獲取恒星能量方面相當，但它的具體環(huán)境條件可能更加極端復(fù)雜，和我們熟知的類似于地球的宜居行星差別很大。

值得注意的是，超級地球類行星在銀河系中相當常見，是目前發(fā)現(xiàn)最多的系外行星類型之一。K2-18b作為一顆位于宜居帶內(nèi)的超級地球，非常獨特且重要，因為它為科學(xué)家提供了研究這類陌生行星的大氣和潛在宜居性的絕佳機會。

關(guān)于外星生命的證據(jù)

K2-18b之所以引發(fā)關(guān)注，不僅僅是因為它在宜居帶中，更是因為科學(xué)家在其大氣中發(fā)現(xiàn)了可能與生命活動有關(guān)的化學(xué)跡象。我們來簡單簡單看一下行星K2-18b大氣的研究歷程。

早在2019年，來自英國倫敦大學(xué)學(xué)院（University College London，UCL）的研究團隊利用哈勃太空望遠鏡（Hubble Space Telescope，HST）對系外行星K2-18b進行了觀測，首次在其大氣中探測到水蒸氣的光譜特征。這項研究成果發(fā)表在《自然天文學(xué)》（Nature Astronomy）期刊上，論文題為《Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight-Earth-mass planet K2-18 b（宜居帶內(nèi)八倍地球質(zhì)量行星K2-18b大氣中的水蒸氣）》。這是首次在位于恒星宜居帶內(nèi)的系外行星大氣中檢測到水蒸氣，為K2-18b成為“潛在宜居”候選體提供了重要依據(jù)。

真正令人矚目的進展則來自于英國劍橋大學(xué)的研究團隊。在2023年的JWST對K2-18b的觀測中，他們在行星K2-18b的大氣中首次明確探測到甲烷（CH?）和二氧化碳（CO?）這兩種含碳分子。這種甲烷和二氧化碳含量高而氨含量偏低的組合，暗示該行星可能是一個被氫氣大氣覆蓋的“Hycean”型海洋世界，即擁有氫豐富大氣和潛在全球性水體的行星(此次觀測的文章標題為《Carbon-bearing Molecules in a Possible Hycean Atmosphere（可能在“Hycean”型大氣中的含碳分子）》)。此外，研究中還提到了可能存在的二甲基硫跡象，這是一種在地球上主要由海洋微生物產(chǎn)生的化合物，可能是生命活動的標志。然而，二甲基硫的信號仍需進一步觀測和分析以確認其存在，這就有了這次的觀測。不過這些發(fā)現(xiàn)為我們理解系外行星的大氣組成和潛在宜居性提供了重要線索。

而這一次的觀測結(jié)果則是更激動人心，JWST還檢測到了微弱但關(guān)鍵的信號：二甲基硫醚。在地球上，二甲基硫醚幾乎完全由海洋浮游植物等生物活動產(chǎn)生。此外，研究團隊還報告可能存在另一種與生命活動相關(guān)的氣體：二甲基二硫。若這些分子得以確認，將成為迄今為止地外生命的最強線索。

不過這些跡象仍非確鑿證據(jù)。目前JWST觀測到的二甲基硫醚信號尚未達到科學(xué)界公認的5σ置信度，需要進一步觀測排除誤差可能。若后續(xù)研究確認高濃度二甲基硫醚的存在，則非生命過程很難解釋，意味著K2-18b或存在持續(xù)的生物活動。

K2-18b會是首個確認存在生命的行星嗎？

科學(xué)家形容，這是“迄今最強烈的系外生命跡象”，未來一兩年進一步的觀測尤為重要。如果K2-18b上檢測到的二甲基硫醚等分子最終被證實來源于生命活動，那么其意義將是革命性的。這將意味著人類在茫茫宇宙中第一次找到了地球以外生命存在的有力證據(jù)，K2-18b也將成為首個生命存在的系外世界?？茖W(xué)界對這一前景既興奮又謹慎。興奮的是，我們或許不久就能解答“我們是否孤獨”這一難題——正如研究人員所說，這可能是一個“臨界點”，讓我們有能力回答宇宙中是否存在其他生命 。謹慎的是，即便確認了這些生物標志氣體，我們?nèi)孕枧懦锌赡艿姆巧^程，并進一步了解K2-18b的環(huán)境，以確保不存在其他解釋誤導(dǎo)了我們。例如，有些科學(xué)家指出K2-18b可能環(huán)境極端，海洋溫度過高甚至可能沒有海洋，從而不利于生命 ；也有人提醒此前在K2-18b上有關(guān)水的發(fā)現(xiàn)一度存在爭議，告誡我們在宣布“發(fā)現(xiàn)生命”前必須保持嚴謹 。因此，K2-18b能否成為“首例”，取決于未來幾年持續(xù)的觀測和研究結(jié)果。如果JWST再花上幾十個小時的觀測時間將二甲基硫醚的證據(jù)提升到5σ的顯著水平 ，并且沒有發(fā)現(xiàn)其他非生物合成二甲基硫醚的途徑，那科學(xué)界或?qū)⒄J定：在距今120光年的那片氫海洋里，確實有某種外星微生物在繁衍生息。

科學(xué)家如何尋找和確認地外生命？

K2-18b這次觀測結(jié)果很是激動人心，而它的研究反映了當今尋找地外生命的方法?？偨Y(jié)一下，現(xiàn)在科學(xué)家們主要使用以下幾種途徑：

大氣光譜分析：當行星經(jīng)過恒星前方時，恒星光穿過其大氣層，科學(xué)家通過太空望遠鏡（如JWST）或大型地面望遠鏡分析這些光譜，辨識氣體成分。如果氧氣、甲烷、臭氧、一氧化二氮等氣體同時大量存在，且無法簡單解釋，就可能是生命跡象。K2-18b探測到甲烷、二氧化碳以及潛在的二甲基硫醚，就是利用了該方法。

直接成像與光譜：科學(xué)家有時能直接拍攝遙遠行星的微弱光點，并進行光譜分析。目前此法適用于較亮的大型年輕行星。未來新型太空望遠鏡（如規(guī)劃中的LUVOIR或Habitable Worlds Observatory）將有望直接觀測類地行星，尋找生命跡象。

射電信號搜尋：科學(xué)家使用射電望遠鏡搜尋可能由智慧文明發(fā)出的無線電信號，如著名的“SETI計劃”。目前尚無確定發(fā)現(xiàn)任何外星生命的痕跡，但如果探測到非自然規(guī)律的電磁信號，將成為外星智慧生命存在的重要證據(jù)。

天體取樣與探測：在太陽系內(nèi)，直接著陸取樣是確認生命最可靠的方法。如火星探測車分析巖石中的微生物痕跡，未來任務(wù)計劃鉆探木星和土星衛(wèi)星的冰層以尋找生命跡象。但對系外行星，我們只能依靠遙測手段，因此光譜分析目前仍是探索K2-18b等遙遠星球生命跡象的唯一可行方法。

非碳基生命的猜想

當前地外生命探索大多集中在類似地球的碳基生命，即以碳為骨架、依賴液態(tài)水為溶劑的生命體系。但科學(xué)界也提出了其他形式的生命可能：

硅基生命：硅與碳同族，能形成四鍵，也可能構(gòu)造復(fù)雜分子結(jié)構(gòu)。一些科學(xué)家猜測硅或能在高溫環(huán)境下取代碳，構(gòu)成生命的基礎(chǔ)，利用硅烷代替碳氫化合物，并可能排出二氧化硅（沙子）為廢物。但硅基化學(xué)在水中并不穩(wěn)定，且硅-硅鍵形成的化合物多樣性遠遜于碳。目前尚無證據(jù)表明硅基生命存在，但這一假設(shè)拓寬了生命定義的邊界。大家知道，在過去幾年，以硅為主的人工智能技術(shù)快速發(fā)展以來，引發(fā)了不少人對人類未來的擔憂甚至恐懼。有些觀點認為，隨著人工智能逐步變得比人類更高效、更精準，它可能逐漸取代人類在社會中的角色，甚至最終超越人類，成為地球上的新主導(dǎo)力量。

氨基生命：在低溫星球上液態(tài)水難以長期存在，而液氨（NH?）可在-78°C保持液態(tài)，或能替代水成為生命介質(zhì)。一些學(xué)者認為，在土星衛(wèi)星泰坦等寒冷星體上，生命或可利用液態(tài)氨或甲烷/乙烷混合液進行代謝活動。這類生命的新陳代謝機制可能與地球生物大相徑庭，釋放出氮化物或其他難以識別的特征氣體。

其他可能性：此外，科學(xué)家還推測了更多奇特的生命形式，如以甲烷為溶劑的超低溫生命、生活在濃硫酸云中的生命（如金星大氣層假說）。不過這些假想目前大多仍為理論構(gòu)想，尚無法通過人類現(xiàn)有技術(shù)驗證。

展望與結(jié)語

對K2-18b的研究無疑大大推進了我們探索地外生命的步伐。過去，科學(xué)家主要將目光集中在類地巖石行星上，希望找到下一個“地球2.0”。而K2-18b的發(fā)現(xiàn)表明，即使是大小和環(huán)境迥異于地球的星球（如富含氫的大洋世界），也可能孕育出生命的曙光 。這促使我們在未來的探索中拓寬視野，不局限于一類行星。正如研究團隊所言，我們正邁入一個新階段：利用新一代望遠鏡的高靈敏度，我們終于有能力窺探遙遠行星的大氣組成，尋找那象征生命的化學(xué)線索 。

如果K2-18b的后續(xù)觀測最終確認了生命存在的證據(jù)，那將是人類科學(xué)史上最偉大的發(fā)現(xiàn)之一；即使沒有發(fā)現(xiàn)，它依然不會讓人灰心，反而為科學(xué)提供了寶貴的經(jīng)驗和教訓(xùn)。可以預(yù)見，在未來的日子里，更多的系外行星（無論是類地行星還是Hycean海洋行星）將被仔細審視，我們對宇宙中生命的認識將不斷被刷新。K2-18b只是一個開始。懷抱著好奇與謙卑，我們將在星辰大海中繼續(xù)尋找答案：宇宙中另一個生命之所。期待地球之外生命的早日發(fā)現(xiàn)。

本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品

作者：茍利軍，中國科學(xué)院國家天文臺 研究員

審核：韓文標 中國科學(xué)院上海天文臺 研究員

出品：中國科協(xié)科普部

監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司