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生物科學 生物 生物物理學
 
 
 
 
群星都是你們的世界:在宇宙中尋找外星生命
 作  者: (加拿大)喬恩•威利斯
 出版單位: 中信
 出版日期: 2018.10
 進貨日期: 2018/10/31
 ISBN: 9787508690605
 開  本: 32 開    
 定  價: 368
 售  價: 294
  會 員 價 : 270
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編輯推薦:

世界上有沒有“另一地球”?
地球之外是否存在生命?
外星人到底在哪里?
人類的星際探索終於成書,找到外星人也許不再是神話!
這是有趣的外星生命探索指南,更是中國科學院國家天文臺研究員苟利軍的大愛之書。



1. 令人難以釋卷的天體生物學入門讀物,有趣的外星生命探索指南,專業人士對天文學前沿研究的幽默總結。開普勒太空望遠鏡、火星車“好奇號”和“新視野號”探測器,你想知道的有關地外生命的疑惑均可在這本《群星都是你們的世界:在宇宙中尋找外星生命》中找到答案。

2.中國科學院國家天文臺研究員苟利軍、《華爾街日報》《太空評論》《出版者週刊》等專家、媒體推薦好書。

3. 科技達人、好奇星人新福利!為《火星救援》提供現實版科普指導,為《來自星星的你》提供強大的科技支持,讓天文與科技更加融入地球人的生活。


內容簡介:

改變世界的,不是超人,而是科學!

這是一本令人難以釋卷的天體生物學入門讀物,也是有趣的外星生命探索指南。為《火星救援》提供現實版科普指導,為《來自星星的你》提供強大的科技支持,讓天文與科技更加融入地球人的生活。

世界上有沒有“另一地球”?地球之外是否存在生命?如果給你40億美元,你打算從何時何地開始尋找外星生命?這就是《群星都是你們的世界》研究的話題。

早在太空旅行成為可能之前,地球之外是否存在生命的問題就已經深深吸引著我們。在這本精彩的作品中,天文學家喬恩•威利斯不僅向我們介紹了天體生物學這門科學,也呈現了在銀河系中找到其他生命的可能性。

威利斯向我們描述了包括開普勒太空望遠鏡、火星車“好奇號”和“新視野號”探測器在內的太空探索任務所取得的全新成果,讓讀者想像出五種找到外星生命的可能圖景,並從其中做出選擇。他鼓勵我們猜想火星地下冰層中是否可能存在生命,揭示了歐羅巴和恩克拉多斯這兩個擁有水冰的衛星上存在生命的重大可能性,又以我們這顆行星的悠久歷史為鏡,探索了土星的衛星泰坦。他甚至將目光投向太陽系之外,在眾多地外行星中調查了那些有可能成為“另一地球”的候選者,並想像了無線電信號從太空深處來到地球的可能。

本書覆蓋前沿研究,十分易讀,讓掌握了基礎知識的讀者可以自己決定向何處尋找外星生命。當然,如果有一天,我們發現了新的智慧文明,希望我們可以學會與他們和平共處。


作者簡介:

喬恩·威利斯(Jon Willis)是加拿大維多利亞大學天文學副教授,他積極參與宇宙學和星系進化領域的研究,並開設了廣受歡迎的天體生物學課程。《生命、宇宙與科學方法》作者斯蒂芬·本納(Steven Benner)對他的這本《群星都是你們的世界:在宇宙中尋找外星生命》讚譽有加,稱其是“一部精彩之作”,更是“介紹了對太陽系內部的諸多衛星和行星以及系外行星的全新探索成就”。


圖書目錄:

序 IX



第一章 異星的盛大舞臺 001

從舊世界到新世界 006

火星異客出現的可能性 009

數以億萬計的行星? 013

那是生命,吉姆,但不是我們所知的生命 017

接觸 019

億萬英里的遠航 021

注釋 023



第二章 宇宙適合生命存在嗎? 027

夜空黑暗,卻遍佈星辰 029

星雲的領域 032

時鐘嘀嗒作響 035

我們都是甯P物質 037

我們在宇宙中的位置 041

銀河系之外 044

沒有盡頭的宇宙 045

注釋 046



第三章 生命究竟是什麼? 049

地球島 054

達爾文的勝利 056

冥古世界 059

太古宙:古老生命的迴響 061

第一萬億天:地球變綠 063

進化的盛宴 067

數量就是分量 068

生命的火花? 070

它來自太空! 074

未知領域 076

第二次創世記? 079

天體生物學地圖 081

注釋 082



第四章 太陽系生物學巡禮 085

太陽:熾熱氣團 089

邊緣之旅 090

日光所及 093

生命之水 094

金髮姑娘與三顆行星 096

泛種論:一種不敢說出名字的理論 099

勇敢前行 102

飛掠器:與行星擦肩而過 103

軌道器:捕捉路過的行星 104

著陸器:這只是一小步 106

漫遊車:遊蕩的初級科學家 108

樣本返回:留下的只有輪印,帶走的只有岩石 109

表土上的足跡 110

基本事實 111

“旅行者2號”:最壯麗的航程 113

在遠方思念家園 116

注釋 117



第五章 火星:沙漠之謎 119

水世界 123

2001:新的太空奧德賽 125

火星?死星? 128

“海盜”傳來的資訊 130

甲烷、洛夫洛克和洛厄爾的現代故事 132

地球生命能在火星上生存嗎? 137

寒冷氣候中的生命 140

冰箱中的生命 141

新希望 142

ALH84001 147

瞄得更高,投得更遠 151

尋找火星生命的最佳機會? 152

發現,開挖,走人 155

殘酷的現實 157

對火星的載人探索 159

注釋 161



第六章 歐羅巴與恩克拉多斯:水生生命世界? 165

伽利略衛星 167

會變戲法的歐羅巴 170

新伽利略 171

下降,下降,開始工作 172

了不起的木星! 173

潮汐、諧振、能量 176

深淵之火 179

冰封之下 182

“伽利略號”的壯烈死亡 187

恩克拉多斯的奇跡 191

線索:羽狀煙柱 193

注釋 196



第七章 泰坦:大自然的石化工廠 199

隱晦的字謎 202

泰坦的朦朧陰影 204

奇妙新世界 205

泰坦殊異 208

水:生命的灌腸劑 210

泰坦上的“金髮姑娘” 213

對生命而言,多冷才是太冷? 216

不願面對的事實 217

乙炔被誰吃光了? 219

泰坦之旅:無畏的漂流 222

不要溫和地走進那良夜 226

注釋 227



第八章 系外行星:沒有盡頭的世界 231

如何捕捉一顆公轉中的行星 234

一閃一閃亮晶晶 235

開普勒其人 238

航天器開普勒 241

熱木星…… 245

……還有超級地球! 247

多樣世界 248

天堂與地獄 251

大海撈針 254

“伽利略號”:我們能探測到地球生命嗎? 255

光芒奪目 258

洛夫洛克的夢想:我們能在地球2號上找到生命嗎 261

未來依然光明 263

注釋 267



第九章 尋找地外智慧生命 271

遙望千萬光年之外 274

和我們一樣? 276

德雷克公式 277

意外之喜 282

拔掉插頭 285

手機上的SETI@Home 287

注釋 289



第十章 (外星)生命的意義? 291

暗淡藍點 294

根本問題 297

保持無畏 300

我們可以成為英雄 303

注釋 305

參考書目 307

致 謝 321


章節試讀:

第四章 太陽系生物學巡禮





關於太陽系,天體生物學在觀念上為我們帶來的最大變化就是:我們開始將它視為一個能讓生命持續的棲息地。截至目前,太陽系的第三顆行星地球上的生命就是已知生命的全體。然而,我們已經知道,導致生命在地球上產生的條件並非像我們曾經以為的那樣獨特。早期地球提供了三個基本要素:能量、液態水和複雜的有機化合物。促進地球生命產生的第四個要素則是地球環境的穩定性:在地球歷史上,前三個要素都在漫長的時間中多少保持了穩定的存在,使得生命不僅能夠出現,還能夠發展壯大。

在這次太陽系之旅中,我們將會發現,以上條件並非地球所獨有。即便是太陽影響所及的最邊緣地帶也有能量存在(儘管有時候相當稀缺)。我們也在好幾個重要的地方發現了液態水可能存在的線索(而且還是相當明顯的線索)。我們還在木星的衛星泰坦上直接觀測到了真實液體——液態的乙烷和甲烷。最後,我們在整個太陽系範圍內都探測到了複雜有機化合物的蹤跡:它們不僅出現在木星和土星的衛星上,也搭乘彗星和小行星的便車四處飄蕩。

那麼,我們應該據此認為生命在太陽系中大量存在,並帶著幾乎壓抑不住的詭異笑容坐等我們到來嗎?這個問題的答案恐怕真值64 000美元。 i我們依然不知道大自然是如何從一堆誘人的原材料中演化出生命的,即便在地球上也是如此。當前我們期待著太陽系中會有生命在等待我們,這種期待基於我們對太陽系中各行星和衛星的物理狀況的詳盡知識。此外,我們在地球上發現了嗜極微生物(它們在曾被認為最致命的惡劣環境中活得有滋有味),因而瞭解到生命遠比我們原以為的更加堅強,也更能適應環境,而且這種瞭解還在不斷增進之中。

我們將在後文中對太陽系中的行星和衛星進行細緻的探討,因此我打算在本章為後文的探討設定一個背景:我們這個太陽系的物理構成(或者你更願意用地質學這個詞)到底是什麼樣的?有哪些行星和衛星在我們對生命的搜尋中具有特別的意義?哪些行星和衛星(如果有的話)會被我們視為不適宜生命存在從而排除在外?我們先花上一點時間,來瞭解一下近60年的太空探索如何令人類與太陽系中的行星和衛星親近起來:我們從過去的太空任務中都學到了什麼?航天器如何抵達目的地,又是如何被製造出來的?誰為它們買單?我希望以上這些問題能讓我們做好躍入太陽系的準備,能讓我們開始考慮前往那些最優先目標的未來探測任務,並對它們成功的可能性進行評估。



太陽:熾熱氣團

就許多方面而言,太陽就是我們這個太陽系本身。要理解這一點,最簡單的辦法是取出一張方格紙,在紙上畫一個10×100的矩形。如果我們用這1 000個方格代表太陽系的總品質,那麼其中近999個都屬於太陽。木星和土星則佔據了剩下的一個多一點方格的大部分。至於我們的地球,幾乎連個小黑點都算不上。

有了這張圖,我們可以很容易看出太陽在太陽系中佔據何種統治地位。太陽核心發生著核聚變,以光子及其更神出鬼沒的近親——中微子的形式釋放出能量。這些光子攜帶的能量高得驚人,因此我們這時應該將它們叫作伽馬射線和X射線了。在向外擴散的過程中,它們被太陽外層大氣中的原子吸收並再次釋放,能級降低,直至逃出太陽光球層的籠罩,成為我們今天看到的日光。

今天,地球上幾乎所有生命——從進行光合作用的生命體到位於食物鏈上更高位置並以前者為食的一切生物——需要的能量都來自太陽。然而,這個行星上最能引起天體生物學家興趣的生物群體中有一部分卻不在此列,它們就是那些生活在海底火山口中的嗜極微生物和地殼深處的鐵氧化菌。這些傢夥完全有資格自成一類,請不要忘記這一點!



邊緣之旅

一旦離開太陽,就進入了行星的領域,這個行星系統曾是我們所知的唯一行星系統。回顧過往,我們會發現人類那時候對這種認識相當滿意。這個系統秩序井然,與當時的理論預測毫無二致。我們將在後文中瞭解到:隨著圍繞遠方甯P的新行星系統的發現,人類關於行星系統的許多想當然的認知都被顛覆。不過現在我打算先稍稍流覽一下我們這個太陽系的情況。

位於溫暖的內環區域、距離太陽最近的,是類地行星(即與地球相似的行星),其中包括水星、金星、地球和火星。儘管塊頭和表面狀況各不相同,但本質上它們都可以說是一大塊岩石(大部分是矽鐵礦物)。類地行星擁有的衛星很少,除了月球之外,就只有圍繞火星運行的福波斯和得摩斯。從火星往外,我們會看到小行星帶。這是早期太陽系留下的破碎遺跡。它們一直未能擺脫木星引力的影響,因此無法聚攏成為一顆獨立的行星。

在前往木星的途中,我們會穿越一個無影無形卻十分重要的邊界——凍結線。在這個距離上,不斷衰減的陽光已經大大減弱,以致簡單的氣體如水蒸氣、氨氣和甲烷等都會凝結成固態的冰粒。因此,在凍結線之外,岩石不再是在碰撞中成長的行星的唯一建築材料——冰也加入了這場遊戲。在這種情況下形成的就是太陽系外緣的統治者——氣態巨行星(或類木行星)。第一顆氣態巨行星是木星,其後依次是土星、天王星和海王星。ii

與太陽系內圈不同,外緣的行星擁有大量衛星:木星有大約67顆衛星,土星的衛星數量則超過150。這些衛星中塊頭最大的與水星或月球相當,足以自成世界,值得我們對之展開探索。類地行星與類木行星在衛星數量上的差別是一個簡單的品質大小問題。太陽系形成之初是一個不斷旋轉的氣體塵埃盤。氣態巨行星在其中變得越來越大,逐漸在自己周圍聚集起由氣體和岩石組成的迷你盤。附屬於它們的大量衛星就誕生於這些迷你盤狀結構之中。

越過海王星之後,太陽的亮度減弱為不足地球上亮度的千分之一,此時我們已經進入了冥王星的黑暗領域。冥王星在1930年由克萊德•湯博(Clyde Tombaugh)首次發現,到了20世紀90年代末和21世紀初,新一代現代大型望遠鏡對太陽系外緣進行了掃描,發現了更多類似冥王星的石塊。它們有大有小,都屬於太陽系週邊的一個由碎片組成的圓盤,這個圓盤被稱為柯伊伯帶。在這個群體中,冥王星並非獨一無二。因此,這些石塊要麼都是行星,要麼都不是。2006年,國際天文學聯合會做出了後一種判斷。從此,柯伊伯帶的天體以及那些較大的小行星都被稱為矮行星。除非我們對當前太陽系的看法發生變化,否則它們將一直待在矮行星這一分類。

要理解太陽系的大小,最簡單的方式是想像一個光子從脫離太陽表面開始到抵達各個行星所需要的時間。光子從太陽到達地球需要近8分鐘,因此我們看到的太陽只是其約8分鐘前的影像。此刻太陽的模樣永遠隱藏在一張無法被有限光速穿透的時間之幕背後,我們無法得知。每個光子從離開地球到抵達火星還需要額外的4分鐘時間。想一想吧,無線電信號無非就是一連串能級較低的光子,因此一個無線電信號或電視信號需要8分鐘時間才能在地球與火星之間往返一次。這能幫助我們理解為何人們使用簡單指令組成的短指令序列來操縱火星車,而不是使用一種有8分鐘延遲的操縱杆——如果這麼幹,你的火星車會在你知道之前就被卡住或撞毀。光子從太陽前往木星需要42分鐘,前往最後一顆氣態巨行星海王星則需要4個小時。如果將冥王星看成太陽系的週邊邊界的話,那麼一個光子需要5小時20分鐘才能從太陽抵達柯伊伯帶,完成其抵達黑暗深淵的旅程。

現在,你應該對自己在太陽系中的位置和太陽系的尺度有了更清晰的概念。剩下的最後一個任務就是去看一看電影《超時空接觸》的片頭,並根據這個概念對電影提出批評!



日光所及

我們已經知道,太陽是整個太陽系的能量來源,並支持著地球上幾乎所有生命的存在。然而太陽那賦予生命的觸手能伸到多遠呢?在什麼距離上,陽光就會暗淡到無法支持生命?

地球大氣層頂層接收的太陽能功率約為每平方米1 370瓦。iii每一天,太陽能都以這樣的功率抵達地球,為幾乎所有地球生命提供能量,主宰著地球的全部氣候現象。太陽系每顆行星和衛星接收到的日光總量可以被看作其維持生命(至少是能將太陽能轉化為可用能量的光合細菌那樣的生命)的基礎預算。

那麼,有多少日光可以利用呢?水星軌道離太陽很近,這堛漱擖功率約為地球上的6倍。比地球更遠的火星上的日光功率則大約只有地球上的40%。在我們向太陽系外緣移動的過程中,太陽的影響會急劇下降:木星能接收到的日光功率只有地球的3%,而到了寒冷的冥王星軌道,日光功率已不足地球上的0.1%。

更有趣的問題也許是:喜歡太陽的生命到底需要多少日光才能生存?要瞭解生命驚人的適應極限,來自地球的經驗仍然至關重要。人類已經在黑海水面以下100米深處發現了光合細菌的存在,不過它們的新陳代謝基於厭氧(或者說無氧)光合作用,產生的則是硫化物而非分子態的氧。這些細菌也許是第一代光合生命體在現代的遺留,只有0.05%的日光能從水面到達這樣的深度,這堛漸線水準低到足以與冥王星上的日照相比。然而,在生物學意義上,如此低的光照水準仍是可以利用的:每個細菌都會勤勤懇懇地每幾個小時捕獲一個光子,並利用光子中的微小能量維持自己的新陳代謝運轉。

這樣一來,當我們將目光投向太陽系時,我們並不能指出一條確定的邊界,並認為在這條邊界之外,陽光就微弱到無法支持光合生命。無論多麼微弱,陽光都能抵達太陽系中最遙遠的區域,為生命提供能源——只要那埵野糽R存在。



生命之水

因此,整個太陽系中都有足夠多的陽光,而且我們也已經確定了簡單有機化合物在太陽系中的存在。那麼水的情況如何?或者,讓我們的頭腦更開放一些:液體的情況如何?本章內容完全旨在將我們的精力(以及有限的資源)集中在太陽系堻怞野i能成為生命棲息地的區域,所以現在是時候更進一步,更不客氣一點兒了。

水星沒有大氣層,承受著太陽風的全力衝擊,而且白晝地表溫度高達700K,所以水星不會有生命。金星的濃密大氣沒有讓我退卻,然而表面溫度比水星還高,達到737K。儘管生命也許可以以不同於地球上的方式存在,但構成我們的生物化學基礎的蛋白質在溫度高於400K時就會分解,因此金星根本就是一個乾燥酷熱的烤箱。月球呢?同樣不行。月球沒有大氣層,也沒有液態水,只適合短短幾天的觀光駐足,但我們還有別的地方要去。類木行星怎麼樣?人們將你們叫作氣態巨行星可不是沒有理由的。1995年,“伽利略號”航天器向木星大氣層發射了一個探測器。探測器在木星的雲層中下降了156千米,直到不斷升高的氣溫烤焦了探測器上的運行系統。木星及更靠外的氣態巨行星的大氣模型中包含著奇異的液態層,但我們很難猜想什麼樣的生命形態能在這些液態層中生存,而且這些區域也極難抵達(“伽利略號”發射的探測器遠未到達這堙A就一命嗚呼)。那麼,冥王星和柯伊伯帶怎麼樣呢?它們實在太遠了。就算我們到了那堙A恐怕也找不到什麼液體。

深呼吸一下吧。如果上面描述的場景讓你感到不安,我很抱歉,卻不得不這樣做。在上述這些被我粗暴對待的行星和衛星上,我排除生命存在的可能性了嗎?完全沒有。那麼,在我為未來的太陽系生命探索專案開出的優先目的地列表上,它們位於前列嗎?我想你已經有了答案。現在我們手媮棖悀U什麼?考慮到我們將用大量的時間(和大量的篇幅)來考察在火星上、在木星的衛星歐羅巴、土星的衛星恩克拉多斯和泰坦上找到生命的可能性,這張列表上已經沒有多少令人驚喜的空間了。

我選擇集中考察這幾處潛在的生命棲息地,卻無視太陽系中的其他區域,這在很大程度上基於我們在前面章節中對地球生命存在條件的瞭解。我們將會發現,火星、歐羅巴、恩克拉多斯和泰坦並不能讓我們確信它們上面有生命存在,但有足夠證據表明它們擁有液體、有機物、能量和穩定性的組合,這使它們在我們的太陽系探索心願列表上排在了前列。現在,我們終於有一點進展了。



金髮姑娘與三顆行星

在《金髮姑娘與三只熊》的故事中,小姑娘意外闖入三只心靈受傷的熊的家中,尋找“剛好適合”她的粥、椅子和床。有趣的是,金髮姑娘原則在天體生物學中同樣適用:我們用它來尋找“剛好適合”生命存在的行星環境。在我們的這個故事中,這樣的環境被稱為“宜居帶”,即甯P周邊能使行星表面溫度“剛好適合”生命存在的軌道範圍。此處這個溫度範圍就在水的冰點(273K)與沸點(373K)之間。在此,我不必再次警告說我們對生命的搜尋工作太過地球中心主義,你已經能意識到我們必須謹慎對待宜居帶這個概念。

應該保持謹慎的主要原因在於行星大氣層的狀況無法確定。首先,我們必須有一個大氣層。地球恰好位於太陽系宜居帶的中部,然而如果沒有大氣層帶來的地表壓力,我們這顆行星上的水就會蒸發,散入太空。其次,儘管母星溫度與行星軌道距離才是決定行星表面溫度的主要因素,但任何種類的大氣層都會為行星的實際表面溫度增加一個不小的變數。

以太陽系中的三顆類地行星——金星、地球和火星為例。長久以來,它們一直是比較行星學的出發點——這門學科研究的是行星總體屬性(如品質、自轉速度、軌道半徑)的微小變化如何導致每顆行星表面環境出現巨大差異。此外,這三顆行星距離太陽系宜居帶的大致邊界都不太遠,因此可以用來表達一種警示:行星屬性的差異會讓任何簡單的想法都站不住腳。

金星與地球非常相似,它的品質約為地球的4/5(即0.8倍地球品質),其運行軌道比地球軌道略近(到太陽的距離約為0.7倍地日距離)。如果沒有大氣層,金星表面的“理論溫度”iv應為260K左右。然而金星擁有一個十分緻密、富含二氧化碳的大氣層,造成巨大的行星溫室效應,使其表面溫度高達737K。即使金星上曾經有過液態水,也早已被蒸發並進入了大氣層(並讓溫室效應進一步加強)。即使是被束縛在表層岩石的礦物結構中的水分,也應該在炙烤之下變成了水蒸氣。

火星的個頭比地球小,其品質只有地球的1/10,其軌道半徑則是地球的1.5倍。火星有一個以二氧化碳為主的稀薄大氣層,在火星表面形成的氣壓只有地球大氣壓的1/100。火星的黑體溫度為210K,而實際量得的火星表面溫度只高出幾度。這是極其微弱的溫室效應造成的後果。由於寒冷的氣溫,火星上幾乎全部的水分和二氧化碳都被束縛在其兩極的冰蓋和行星表面廣為分佈的地下冰層之中。

讓我們來玩一個有趣的想像遊戲:打亂這個行星組合,猜猜看行星位置的交換將會如何改變它們的性質。如果將火星和金星調換位置,將會發生什麼?我想火星的情況會比較容易猜測:如果火星大氣層保持目前狀況不變,火星的表面溫度將會在316K左右。可以想見,在這個新位置上,更高的表面溫度將會融化火星由二氧化碳和水構成的冰蓋,創造出一個足量卻難以持續的大氣層(別忘了,火星沒有磁場,也沒有火山活動)。

金星的狀況就會更難想像一些。由於大氣層的作用,其表面溫度比理論值高出了400度。如果把金星放在火星軌道上,其表面溫度仍會高達600K(前提是大氣層沒有在其自身重量的作用下坍縮)。金星變得如此酷熱,原因之一是它在早期經歷了在我們看來失控的溫室效應:金星在太早之前就已變得過熱。由於任何曾經存在的海洋都已蒸發,其以二氧化碳為主的大氣中還包含大量的水蒸氣。這反過來又加強了大氣溫室效應,造成災難性的回饋迴圈。

如果金星在火星的公轉軌道上運行,這種失控的溫室效應還會發生嗎?儘管這個問題給通過大型電腦模擬來研究行星大氣的人們帶來的愉悅與失望同樣多,但簡單明瞭的回答是:我們不清楚。

因此,當你看到官方新聞稿或媒體文章中說到某顆新發現的行星正處於其母星周圍的宜居帶時,請不要輕易下結論。在缺少行星表面大氣層的明確數據時,任何對其表面溫度的計算都只是猜測性的。(如果你不考慮大氣的狀況,那又怎麼能期待這顆行星上會有液態水呢?)與故事中的金髮姑娘一樣,在掌握更多資訊之前,我們無從知道某碗粥(在我們這塈Y是某顆行星)是否“剛好適合”生命的存在。
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