2019年5月26日 星期日

億萬年的孤獨:地外文明探尋史話


這本書首先依照時間順序介紹了搜索地外文明的小故事,接著探討費米悖論的內容以及相關解釋,最後以一篇科幻小說和作者對於地外文明的臆想作結。作者的目的是激起人們的好奇心,所以全書內容淺顯。另一方面作者也在段落間抒發個人意見,表達他對於科學家精神的看法

《億萬年的孤獨》從火星的狂想開始談起。即使到了現在,火星仍是太陽系內最有可能尋獲生命蹤跡的地方。夏帕雷利(Giovanni Schiaparelli, 1835-1910)利用望遠鏡在火星觀察到的河道,引發弗拉馬利翁 (Nicolas Camile Flammarion, 1842-1925)對火星文明的猜想,他設想著火星人建立起龐大的運河從兩極運送融冰,維繫坐落於赤道的衰老文明。猜想在羅威爾(Percival Lowell, 1855-1916)手裡進一步推廣,他利用自己出資建立的天文台繪製出火星文明的運河地圖。儘管一路上有巴納德(Edward Emerson Barnard, 1857-1923)等學者的反駁,火星文明的狂想仍深植人心,成為大眾熱議的話題。直到火星的光譜研究以及隨後水手號任務的影像才讓火星文明的幻想徹底破滅。

華萊士(Alfred Russel Wallace)曾質疑羅威爾筆下的運河無視火星可能的地貌起伏筆直地跨越數百公里。圖/wikipedia

然而火星的挫敗並沒有讓人們放棄地外生命的搜索。我們的存在證明了生命在宇宙中形成的機率不為零,太陽系外有數以兆計的恆星,其中有些恆星系統或許能發展出類似於地球的環境;而極端環境中發現的細菌則拓展了對於生命的想像,意味著即便地外行星不像地球的氣候與地質條件溫和,也有機會孕育著適應該處的生命。源於天文學的研究成果拓展了樣本空間,源於生物學的研究成果提升了生命形成的機率,兩者共同支持著發現地外生命的信心。

人類至今在搜索地外生命付出的努力大致可以歸納為下圖。圖表的橫軸代表搜索範圍,從人類得以直接採樣化驗的地球,到需藉由登陸艇和軌道衛星間接研究的太陽系,即便是遙不可及的其他恆星,也能利用光譜和望遠鏡觀察可能反映生命現象的特徵。圖表的縱軸則代表搜索標的,從尋找能支持生命存活的環境,到偵測形成生命的基礎物質,進而是搜索初級的生命型態以及智慧生物發展出的文明。在搜索範圍與搜索標的交織出的直角座標平面所標註的,就是歷史上曾經執行的太空任務或曾帶來衝擊的發現。
地外生命搜索分類圖,橫軸代表搜索範圍,縱軸代表搜索標的。

在地球上找尋外星文明拜訪的蹤跡:幽浮與古代太空人

儘管外星文明曾造訪地球的想法很誘人,但是多數幽浮的目擊報告或是古代外星文明的遺跡都經不起嚴格檢驗,而且無論是談話性節目還是專門書籍在討論這議題時皆含混了太多穿鑿附會和一廂情願的詮釋,這些透過虛假證據和錯誤推理得出的結論無法促進學界對於地外生命的理解。

地外生命的猜想是合理的,但與幽浮、古代太空人或陰謀論無關,搜索地外生命得仰賴其他途徑,要不擴大搜索範圍(例如搜索其他天體的文明)或是改變搜索標的(例如檢驗火星土壤是否存在微生物),不宜在侷限的範圍鎖定稀有的目標。


隕石透露歷史的線索:艾倫丘陵隕石及默奇森隕石

由於板塊運動與風化作用,地球成形初期的地貌和原始生命的棲息地鮮少保留在地質紀錄中,難以直接得知生命形成時的環境條件。和地球相同時間形成的小行星或是因撞擊而彈出行星表面的岩石雖然保留著地球早期的訊息,但若沒有航太任務支持相關研究,研究員便無能為力。此時墜落地球的隕石便是可行的替代方案,藉由化驗隕石的組成成分以及表面物質,我們得以探究天體歷史和生命形成的過程。

天文生物學上最著名的應該就屬默奇森隕石和艾倫丘陵隕石 84001,研究人員在前者檢驗到胺基酸與醣,甚至在源於火星的後者發現疑似微生物的結構。這兩項發現除了學理價值,也表示地球上適用的原理在宇宙其他地方也適用。換句話說,我們可以透過比較其他天體的相似環境研究地球早期的狀況,也可能利用我們對地球生命的理解,推論地外生命的可能。


探索太陽系內的適居環境及生命現象:維京計畫及卡西尼號任務

儘管太陽系內存在地外文明的機會渺茫,但存在較簡單的生命形式則不是妄想。1976 年維京到達火星後,兩架登陸器藉由檢驗火星土壤與不同物質混合後的反應來判斷是否有代謝現象,間接推論生命存在的可能性。雖然維京號的試驗得出陰性結果,但卻發現火星上類似代謝作用的無機反應可能干擾化驗結果,提示往後開發生命探測技術應留意的陷阱。維京號任務的詳細內容可以參考 NASA 網站簡介

至於在 2017 年墜入土星自毀的卡西尼號則在其任務期間找到土衛二存在地下海洋的相關證據,也在衛星表面的噴流中檢驗出有機物質,意味著土衛二具有形成生命的基本條件,值得進一步探測其中是否有前生源化學反應或生命現象。即使最終沒有找到任何生命存在的證據,探索土衛二及其他天體也有助於理解有機物質在地外環境形成的機制,為地球生命形成時歷經的化學過程提供線索。


偵測宇宙中的生命基礎物質:羅賽塔號與阿塔卡瑪陣列

羅賽塔號是偵測彗星有機化合物的探測船,而阿塔卡瑪陣列則是偵測宇宙中星際塵埃和分子雲的天文台,這些任務與其說是為了搜索地外生命,其實是為了更了解地球生命起源的機制與條件。關於生命形成的機制有許多假說,但是其中的困難在於解釋複雜的有機分子在無機環境中大量生成的方式,因此在太空中發現的有機分子被視為生物原料的潛在來源。

此外,米勒與尤里的實驗雖然展示了在設定的條件下,胺基酸能從甲烷與氫氣等物質組成的還原性環境中生成,但人工合成的胺基酸卻有兩種手性,與構成生物體的胺基酸不同,生物只利用 L-胺基酸。這項特徵究竟是演化歷史上的偶然還是基於物理化學原理的必然仍有待釐清,藉著檢驗太空中有機分子的手性是否不平衡或許能解釋這項特徵的起因。


搜索地外適居環境:克卜勒任務二號

去年終止任務的克卜勒望遠鏡藉由觀察行星通過恆星時,光度短暫地下降的現象來間接偵測系外行星,至今已找到許多位於適居帶的行星。適居帶是指生命得以繁衍維生的區域,依據天體的尺度以及生命的型態有不同的標準。原則上要坐落在重元素充足且天體碰撞頻率低的星域,才有足夠的原料和時間形成生命。此外一個適居行星要與母恆星保持能容許液態水存在的距離,也要有足夠的尺寸以維持熱能並保留大氣。

然而位於適居帶並非行星存在生命的充要條件。一方面行星也許能靠地熱或潮汐力等其他機制維持熱能,能在適居帶以外的地方維持液態水;另一方面形成生命和維持生命要求的環境可能不同,適居帶的定義未必有利於前生源化學反應發生。因此適居帶僅能作為篩選往後觀測任務的參考依據,不能作為生命存在的證據。


搜索地外文明:SETI

要同時定義智慧與生命並不容易,因此就實用角度而言,SETI 或其他搜索地外文明計畫的目標是接收能夠反映科技水準的非自然訊號,例如發展通訊技術後發送的無線電波,或是建造戴森球時無意釋放出的異常紅外線等等。

儘管至今我們仍未收到地外文明的訊號,可是找到地外文明的價值難以估計,因此 SETI 依舊有繼續進行的意義,值得投入人類這個種族的剩餘時間去尋找。這世上還有氣候、疾病、能源等問題需要解決,所以搜索地外文明不該是所有人的目標,可是至少要有一部份的人去堅持,為人類保有一絲絲可能性:無論期待的是滿足人類天生的好奇心,還是在化解在宇宙中獨自存在的孤寂。

《億萬年的孤獨》裡頭還有許多搜索地外文明的主題,例如 METI 與 SETI 的爭論或是費米悖論的介紹與解釋,這些內容都可以在維基百科的條目 Portal:Astrobiology 中找到更詳細的說明。


我在讀這本書的時有種懷舊的感覺,書裡的內容其實不脫維基百科和網路論壇的討論,所以讀起來不怎麼新奇,可是作者的個人經驗卻讓我感到十分親切。例如作者提及看了《ID1星際終結者》後,內心澎湃洶湧每天反覆朗誦經典的總統演說。我就想到自己國中時也努力地抄下台詞,到學校問老師要怎麼念那段演講,然後上課念回家也念。

另外作者提到想努力活到收到宇宙呼喚 II(Cosmic call II)的回信,我也能體會這種感受。儘管很老套,可是如果有人問為什麼想研究天文生物學,可是我還是會回答:「從小時候起,我就是個科幻迷,喜歡星星、宇宙、外星生物還有深奧酷炫的東西。」這些遐想,才是一個人踏入科學研究的真正原因。

此書也讓我想到國中的時候在圖書館讀了一本叫《我們不孤獨》的書,具體內容已全然忘了,大致上是參雜鄉野傳聞與科學敘述,試圖說服讀者外星人存在的著作。儘管書中的知識內容至今應該沒有任何參考價值了,但結尾的話卻一直留在我心裡:現代人恐怕難以想像往後科學的樣貌,對於地外生命的議題的各項解釋,我們除了要維持科學思維一貫的嚴謹以外,也要有坦承失敗的勇氣和顛覆邏輯常規的信心。

隨著學習和成長,天文生物學的樣貌在我腦海裏面也漸漸從電影或小說裡的奇想變成踏踏實實的科學,原本躊躇不前的我也正緩慢地開展我的天文生物學之路,我期許自己能在了解現實的同時,也不要忘記自己的初衷,去努力,去跌倒,去想像,去挫敗,去在學術過程中,創造嚮往的未來。


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