[비즈한국] 春去夏來，如今獅子座正懸掛在夜空中。它看起來只是一個普通的星座，但從今晚開始，你或許會以完全不同的眼光審視它。因為最近在那裡發現了一種疑似外星生命最確鑿的訊號。據我們所知，至少在地球上，若非生命活動，絕無可能產生兩種被強力檢測到的成分。除非那裡正在發生我們所未知的完全不同的化學反應，否則極高機率意味著外星生命正在那裡“搞事情”。
遺憾的是，雖然在本次論文中尚未達到科學界公認的“鐵證”標準——5倍標準差（5σ），但根據此次分析，該訊號超過了3倍標準差（3σ）。這意味著該訊號僅僅是偶然或統計誤差的可能性僅為千分之一。當然，由於未達到5倍標準差，還很難下定論，但這確實是一個足夠引人注目的結果。在那裡檢測到的訊號究竟意味著什麼？我們真的能證實苦苦等待的外星生命的存在嗎？
得益於2009年升空的開普勒空間望遠鏡及其繼任者TESS，我們已經掌握了超過1萬顆系外行星及其候選者。為了讓生命能夠在系外行星上生存，首先需要適宜的溫度，既不能太熱也不能太冷。為此，行星必須處於距離中心恆星適當距離的軌道上，即“宜居帶”。在迄今為止已知的系外行星中，只有1%透過了這個苛刻的第一次測試。
最近備受爭議的K2-18b也是其中之一。這是一顆在距離獅子座方向124光年處的恆星旁發現的行星。K2是指在開普勒任務的第二次任務中發現的。最初，開普勒望遠鏡只瞄準天鵝座附近的特定方向，但在2013年由於控制姿態的兩個輪子故障，不得不制定新的戰略。最終，天文學家嘗試了利用太陽風固定望遠鏡姿態的新穎戰略，在這個過程中，開普勒擺脫了原本注視的天鵝座，執行了掃描多個方向的K2任務。正是在那個過程中，在獅子座方向發現了這顆行星。
K2-18恆星質量僅為太陽的49.5%，幾乎只有一半，是一顆更小、更矮小的恆星。因此，恆星本身比太陽涼快得多，是一顆發射更多紅色紅外光的紅矮星。開普勒透過“凌日現象”（即行星繞恆星旋轉時，週期性遮擋星光導致亮度微弱變暗）來捕捉行星，K2-18b也是透過這種方法被發現的。該行星的公轉週期約為33天，即一個月左右。換句話說，如果將這顆行星繞中心恆星公轉一圈的時間定義為它的一年，那麼一年只有33天。在地球上我們吃一頓年糕湯的時間裡，在那裡可能要吃十次。
事實上，K2-18b行星在之前就因其他側面在天文學家之間引起過爭議。該行星的質量約為地球的8.6倍，直徑為2.6倍。且其密度比完全由岩石構成的行星要輕。因此，這顆行星似乎並非完全由岩石組成。能夠解釋這一點的有力模型主要有三種。第一種可能性是“迷你海王星”。雖然體型比海王星小，但可能中心有岩石核心，周圍包裹著被高壓壓縮的冰層。第二種可能性是岩石核心周圍沒有冰，而是包裹著一層完全由氫組成的厚重大氣層。最後一種可能性比較特殊，即岩石核心被巨大的水海洋所包圍，其上覆蓋著薄薄的氫大氣層。可以將其視為充滿水的地幔。這種由薄氫大氣和海洋組成的行星被稱為“海森行星”（Hycean planet）。
在那之前，海森行星還只是眾多假設之一，從未確認過實際存在。那麼，如何知道K2-18b是一個什麼樣的世界呢？天文學家發現，根據不同的場景，行星大氣中檢測到的化學成分應有顯著差異。如果是沒有海洋、僅由厚厚氫大氣構成的世界，其大氣成分應該與海王星相似，甲烷和氨含量豐富，甚至可能檢測到大量的一氧化碳。相反，如果整個行星被海洋覆蓋，情況就會大不相同。由於水能有效溶解這些化學成分，大氣化學組成也會發生巨大變化。特別是大氣中的氨和一氧化碳會消失，而應檢測到大量的甲烷和二氧化碳。
而在去年的詹姆斯·韋布空間望遠鏡（JWST）觀測中，準確確認了符合該模型的訊號。透過這一點，天文學家得出了結論：K2-18b很可能就是傳說中那種表面被海洋覆蓋、由薄氫大氣包圍的海森行星。
整個行星都是海洋，研究團隊在此基礎上更進一步。那麼，會不會存在像浮游生物那樣生活在海洋裡的生態系統呢？確認系外行星上是否有生命最確鑿的方法就是親自過去拍一張認證照。但因為距離太遠，這不可能實現。我們能做的只是坐在地球上，分析從遠處隱約可見的系外行星光線，確認其中是否隱藏著生命的證據。
天文學家最常用的方法是確認系外行星的大氣圈、天空中有哪些化學成分存在。實際上，在此期間，韋布望遠鏡透過這種方法確認了多顆系外行星大氣中存在明顯的氧氣、二氧化碳和水蒸氣。但這還不夠。事實上，氧氣、二氧化碳和水蒸氣在宇宙空間中也相當常見。雖然它們都是生命活動的主要原料，但僅憑這些成分的存在，無法百分之百斷定那裡就一定存在生命。然而，如果確認了若非生命活動絕無可能產生的成分，情況就完全不同了。而天文學家正是在K2-18b上嘗試尋找這樣的成分。
去年，天文學家利用韋布望遠鏡的NIRSpec等紅外光譜分析裝置進行了化學成分分析。該裝置可在0.6至5.3μm範圍內進行光譜分析。透過該研究，當時的研究團隊聲稱探測到了名為“二甲基硫醚（DMS）”的化學成分訊號。這是植物性浮游生物透過生命活動製造出的代表性成分。在一個整個被海洋覆蓋的系外行星上檢測到了浮游生物製造的主要成分！如果是真的，不禁讓人期待是否發現了外星浮游生物。
但是去年分析時，該訊號的顯著性僅為2.4倍標準差。這意味著統計上它是偶然的可能性約為六十分之一。這是一個遠低於5倍標準差標準的不可靠訊號。此外，根據分析光譜方式的不同，結果也會有很大差異，因此這仍是一個留下諸多疑問的結果。
最終，研究團隊利用韋布望遠鏡的其他裝置進行了追加觀測。這就是此次釋出的結果。本次觀測使用了波長更長的中紅外光譜觀測裝置MIRI，進行了6至12μm範圍的觀測。結果不僅探測到了DMS，還更清晰地檢測到了“二甲基二硫醚（DMDS）”。這兩個分子都與地球的生命活動息息相關。DMS由海洋微生物和浮游生物製造。DMDS則更廣泛，由細菌、真菌、動植物等多種生命體產生。DMDS是一種帶有大蒜味的分子，也用於食品香料。
根據此次追加觀測，該訊號的顯著性達到了3倍標準差水平。雖然確實比去年的分析更明顯，但也存在侷限。在韋布望遠鏡的觀測領域中，DMS和DMDS在光譜上留下的特徵非常相似。因此，定量地精確區分兩者的含量究竟是多少是非常困難的。
此次發現尤其令人吃驚的是兩種分子的含量高得離譜。雖然在地球上也有生命活動產生的DMS，但它非常不穩定，會迅速分解消失。因此，地球大氣中的DMS濃度並不高。然而檢視此次論文，在K2-18b的大氣中，檢測到的DMS含量竟然比地球高出數千倍。考慮到DMS是容易迅速消失、反應性極高的成分，必須認為K2-18b行星上某種機制正在不停地補充DMS。
不過，若要維持比地球高出數千倍的DMS水平，這顆行星的海洋中應該要有浮游生物爆發性地繁殖並充斥其中。如果在遙遠的宇宙中，還有另一位外星天文學家同時觀測我們地球和K2-18b行星，在他看來，或許K2-18b反而看起來比我們地球更有可能存在生命，是最有希望的地方。相比之下，地球發出的訊號比那裡弱了數千倍，他甚至可能會誤以為地球是沒有生命的地方。
繼上次第一次觀測後，透過這次第二次觀測，訊號顯著性上升至3倍標準差是非常有趣的。但現在還不能百分之百確定。最終必須確認超過5倍標準差的更強力訊號，才能得到所有人的認可。為此，研究團隊計劃再次借用韋布望遠鏡的時間。需要透過MIRI在中紅外區域進行至少1至3次、超過一天以上的額外觀測。
當然，對此次發現並非沒有懷疑的目光。一些天文學家指出了之前的研究結果，即在彗星或星際塵埃中也檢測到了DMS。這很大程度上偏離了DMS只能像在地球上那樣透過需要微生物的複雜生命活動才能製造的既有觀點。畢竟在彗星或塵埃雲中很難期待存在生命活動。
但針對這種批判，研究團隊表示，彗星表面和塵埃雲的環境與海洋行星原本就不同，不能成為公平的比較物件。彗星表面和星際塵埃雲是直接暴露在強烈紫外線和宇宙射線下的環境，因此可能會暴露在更極端的超高能光線下，存在發生與外星行星海洋中完全不同的非生物化學反應的可能性。相比之下，如果是一顆重力比地球大得多、覆蓋著氫大氣的海洋行星，則很難期待發生這種極端的化學反應。研究團隊主張，認為DMS是由外星浮游生物活動所填充的結論更為合理。
此外，還有觀點指出，這顆系外行星本身所圍繞的恆星比太陽小而矮小本身就是個問題。為了在這樣的矮星旁接收到適宜的星光，行星必須更緊貼恆星。這顆行星的公轉週期只有33天也是出於這個原因。但這樣一來，由於離恆星太近，暴露在恆星表面爆發的耀斑（flare）危險下的可能性很高。特別是質量小的恆星進化得更狂暴、更喧鬧，所以更危險。最終，只要一次耀斑爆發，行星的大氣圈就可能迅速被剝離，反而可能導致難以生存。但對此，研究團隊主張透過多次觀測已經驗證，該行星即使在那樣苛刻的環境中也存活了下來，是一顆覆蓋著適宜氫大氣的海洋行星，即海森行星。
僅從目前的結果來看，K2-18b似乎位於距離中心恆星適宜的宜居帶，且整個行星都被海洋覆蓋。甚至在大氣中檢測到了含量極高的DMS和DMDS。據我們所知，目前製造這些分子的方式只有微生物的生命活動。有趣的是，這顆系外行星上並沒有檢測到氧氣，這反而暗示了該行星的狀態極有可能與數十億年前的地球非常相似。沒有氧氣，可能是因為這顆行星尚未開始光合作用。在地球上，在植物光合作用正式開始前很長一段時間裡，幾乎沒有氧氣，只有微生物在排放DMS。換句話說，K2-18b可能正處於生命爆發性萌芽的生命誕生初期階段。
而正是這一點讓本次發現更具魅力。人們通常提到發現外星生命，就會期待比人類進化程度更高、複雜的智慧外星生態系統。但即便不久後我們真的發現了外星生命，發現那種複雜生命的可能性也非常低。相反，宇宙中可能會有更多停留在極其簡單層面的生命。我們地球也是如此。
在地球上，單看數量，微生物是絕對多數，遠超人類。如果外星科學家在地球任何地方著陸，隨便挖起一勺地球物質，裡面除了微生物什麼都不會有。外星人可能會判斷地球是一個由微生物統治的世界。同樣的邏輯難道不能適用於宇宙嗎？如果我們從宇宙任何地方隨便挖起一勺宇宙物質，偶然捕獲到了生命體，那麼其形態極有可能是像微生物那樣原始的模樣。也就是說，從純粹科學的角度來看，我們最有可能先接觸到的存在 모습（模樣）會接近微生物，在這個層面上，本次發現感覺完全遵循了那既定的步驟。正因如此，本次發現讓我們更加激動。
過去我們不得不將外星生命的存在僅僅視為“開放式結局”的最重要原因，是因為對於以何為根據、以何為標準來判斷生命是否存在，這一標準本身尚未達成共識。必須先確定作為生命活動指標的“生物特徵”（Biosignature），之後才能分析系外行星上是否真的存在該訊號。而我們終於達到了可以對什麼是生物特徵進行有意義討論的階段。我們終於進入了不再將外星生命存在的可能性視為單純的科幻想象，而是可以基於科學資料進行談論的正式天體生物學時代。
參考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adc1c8
筆者池雄培（音）是誰？喜愛貓和宇宙。小時候看了《銀河鐵道999》後，立志要讓人們瞭解宇宙之美。目前在延世大學銀河演化研究中心及近宇宙論實驗室研究透過銀河間相互作用進行的演化，並從事講座、寫作等多種科學傳播活動。著有《썸 타는 천문대》（曖昧天文臺）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科學）等書。