多水的宇宙

田也

人类知道的最大最深的水体从未被航行过，那里没有岛屿或海岸，没有风浪，也没有银光闪闪的表面。这片黑暗的海洋在地球上的任何一张地图上都找不到， 因为它远在4.8亿千米以外的木卫二上——木星周围至少有69颗卫星环绕。1995年至2003年间，“伽利略”号航天器曾11次飞经木卫二。来自“伽利略”号的数据显示，在木卫二光滑的冰面下暗藏着一个巨大的咸水海洋。该水体预计深达96千米——约为太平洋最大深度的8倍，水量是地球上所有海洋的两三倍。

木卫二并不是唯一充满液态水的卫星，至少还有两颗木星的卫星——木卫三和木卫四——拥有地下海洋。此外，围绕土星的土卫一和土卫六可能也有。毫无疑问，在土卫二坚硬的冰壳下也藏有水，水量可能与五大湖相当。2005年，“卡西尼”号探测器拍摄到土卫二间歇性喷泉将冰与水蒸气喷射到数百米高空的照片，这为土卫二上存在深海的事实提供了令人惊奇且无可辩驳的证据。2015年10月，“卡西尼”号甚至直接穿过间歇喷泉，在距离卫星表面约9米的低空掠过，对喷泉物质进行采样。

宇宙中液态水的丰富性和普遍性完全颠覆了科学家的期望。在“卡西尼”号、“伽利略”号和其他探测器有所发现之前，人们普遍认为：木星和土星的卫星看起来很像我们地球的卫星（月球）或者火星的卫星，它们都由岩石构成，地表是布满陨石坑的荒原，完全不适合生命存在。位于美国加利福尼亚州山景城的地外文明搜索研究中心主任塞斯·肖斯塔克认为：“没预料到会有地下海洋，这一发现拓展了我们对可居性概念的理解，人们可能在以前从未考虑过的星球上发现生命的存在。在此之前，人们一直认为生命只能出现在行星上，但现在我认为仅太阳系就存在7

颗宜居星球——至少有适宜生命存在的条件。7颗！而且大多是卫星！”

仅我们太阳系就有这么多的水，几乎可以肯定，其他恒星周围的无数行星上也必定有海洋，更不用说那些有水的卫星了。天文学家已经初步确定了太阳系外的一些“水球”——根本没有一寸干陆地的行星。“真是令人难以置信，”位于得克萨斯州圣安东尼奥的西南研究所的“卡西尼”任务科学家克里斯托弗·格莱恩说，“这就像发现了全新的海洋学领域一样。”

事后看來，人们没必要对外星海洋的存在如此大惊小怪。氢在宇宙普通物质中的比例为74%，氧是现存的第三大常见元素，把二者结合起来就会得到——水。天文学家已经在月球甚至水星——距离太阳最近的行星——上的陨石坑中观测到水冰的痕迹。这在星际云团或者新生行星系统的尘埃盘中普遍存在，而且在一些巨型系外行星的大气层中，水冰也很常见。

美国航空航天局下属的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JamesWebb Space Telescope，预计明年发射）项目助理科学家伯尼·米尼克说：“在过去的20年里，我们对系外行星的研究已经十分深入了，了解的系外行星数量已经从十几颗增至数千颗。而且我们现在知道，夜空中的每一颗恒星周围，可能都伴有一颗行星。我认为我们有理由预测这些恒星周围的大部分行星上都存在某种形式的水。”

有水的地方可能就有生命，因此“追踪水”一直以来都是天体生物学家信奉的格言。是什么使水如此重要？为生命引擎提供动力的化学反应需要这种液体来溶解和运输细胞中的分子。水是人类已知的最好溶剂之一，其保持液态的温度范围比其他任何物质都大。其他液体可能会在某些外星生物化学反应中发挥作用，比如在土卫六上发现的液态甲烷湖。但到目前为止，还没有任何已知的生命成为例外，不必遵守“生命需要水”的规律。

目前已探测到的与地球最相似的行星， 可能因为有太多水或冰而不适宜生命生存。

那么，那些被这种基本物质——水——完全覆盖的星球是否就是生命存在的理想天堂？最近的许多研究给这样的期望泼了一盆冷水： 许多“水球”实际上可能有太多的水，不利于生命的诞生，或者即使生命能够诞生，太多的水也限制了它们的茁壮成长。美国亚利桑那州立大学天体物理学家史蒂文·德斯说：“更多并不一定意味着更好。”德斯和他的同事长期以来都在运用计算机模型来模拟地球物理和大气环境，这些环境可能存在于外星世界。他们的目标是为未来几代系外行星搜寻者提供行星野外搜寻指南，德斯称其为“行星周期表”（Periodic Table of

Planets）。该“周期表”对那些大气层中最有可能含有生命副产品（例如氧气或甲烷等） 证据的外星天体进行排序。最重要的是，这些气体的量必须大到足以在未来几十年里用望远镜观测到。德斯说：“我们应该优先观察那些可能存在生命最佳指标的行星。”

事实证明，这些湿漉漉的水世界可能是最糟糕的地方之一。德斯团队建造了一个计算机模型，用来模拟一个在所有方面都与地球类似的行星：大小与地球相当，与类太阳恒星保持着稳定的距离，处于不太冷也不太热的位置。然后，他们用相当于地球水量5倍至7倍的水淹没了这个世界——水量足以淹没该行星上的所有大陆。德斯称：“假如地球上再多6个大洋，那么珠穆朗玛峰也可能被淹没。”通过淹没这个虚拟的世界，他们消除了一个人类认为理所当然的、对生命的诞生至关重要的环节：裸露岩石的风化过程。

由于没有雨水或流水侵蚀岩石，德斯团队创造的行星的海洋中含有极少的磷元素，这是所有生命不可或缺的元素。海水本身的酸性还不足以像淡水那样有效地溶解磷。亚利桑那州立大学的微生物生态学家、德斯的同事泰莎·费舍尔说：“磷非常重要，除了RNA和DNA以外，它还能构成

ATP——这是为几乎所有已知生物提供能量的化合物。我们了解的陆地生物化学，在没有磷参与的情况下不会发生任何反应。”

德斯和费舍尔强调，他们的模型并不排除“水世界” 有生命存在的可能性。这些行星上的海洋可能含有少量的磷，但不足以维持大量生命的存在，也就无法在大气层中留下明显的印记。费舍尔说：“这些星球的大气层中，并不像地球大气层一样含有30%的氧气。一个完全由海洋覆盖的星球很有可能有生命存在，只是因为那里的生命形式可能非常奇特，现有技术不足以让人类从地球上探测到它们。”

不过，也有一些外星世界，因为有太多的水而不可能有任何生命存在。德斯的团队估计，如果一颗行星与地球大小相当，但其10%的质量以水的形式存在，那么它上面可能没有任何生命。这样的行星相当于有400个海洋的地球，海洋底部巨大的压力会产生密度超大的冰，被称为冰六（Ice-Ⅵ）或冰七（IceⅦ）。德斯说：“这种情况就比较糟糕了，因为不会有水和岩石之间的交互作用。”

尽管看起来很古怪，但在宇宙中这些“水世界”可能比地球这样的岩石星体更常见。在整个宇宙的行星系统中，水和岩石可能同样丰富。在我们的太阳系中，彗星、部分卫星以及冥王星外充满冰物质的柯伊伯带，都被认为是由等量的冰和岩石组成的。德斯称：“系外行星大约由50%的冰组成，这很正常，不正常的是为何地球如此‘干燥。”

从我们狭隘的角度来看，地球似乎是最典型的海洋行星。从太空中看，它就是个淡蓝色的点，完全由海洋主导。但所有这些海洋在地球表面只不过形成了最薄的一层薄膜。按质量计算，地球上的水只占地球质量的0.025%。利用当前技术，天文学家还无法判断类似地球的系外行星上是否有水。天文学家运用两种基本技术来推定系外行星的构成。首先，他们通过观察该行星在母恒星前面经过时挡住的亮光的多少来判断行星的大小；其次，通过测量行星做轨道运转时因拉扯力而使恒星产生轻微摆动的幅度得出行星的质量。将行星的质量除以其体积就得到了密度，从而帮助天文学家大致了解该星球上气体、岩石物质和水的百分比。

德斯说：“想想我们地球的海洋有多薄，它不会以任何方式改变地球的半径。”他说，就目前而言，只有当水占某颗系外行星质量的10%左右时，天文学家才可以判断其是否有海洋。正如上面提到的，这相当于400个地球海洋，这是有关生命能否诞生的临界点。因此，我们能用现有技术探测到的“水世界”，不太可能承载任何生命。德斯表示：“这就是现在的技术水平。我们有寻找水的能力，而且当水量占据星体10%时我们就能观测到它。但对生命来说，这样的水量还是太多了。”

至少有7颗行星围绕着Trappist-1这颗距地球约40光年的超级红矮星运行，该行星系统是由其比利时发现者用他们最喜欢的啤酒的品牌命名的。7颗行星的大小与地球大致相同，其中有3颗位于其母恒星的宜居带内，所处轨道距离允许液态水存在。它们是迄今探测到的最接近地球的类地行星之一，但它们可能都“太湿”了，生命也可能无法承受上面的冰的压力。

通過望远镜捕捉到的质量不高的光线来测量一颗遥远行星的成分构成，充其量只能算作一门不够精确的科学。基于这些考量，德斯和他的同事估计，Trappist-1行星系最外层的行星可能由50%的冰组成，而最里面的行星似乎也至少有10%的液态水和冰。德斯表示：“这些水量远远超出大陆可承受水量的最大极限。在海洋底部，可能会有数百甚至上千千米的高压冰。显然，这是颗死星球，不可能有任何生命。”

那么，如何才能识别出一颗“活的”行星呢？即像地球一样，既有海洋又有陆地，不能太湿也不能太干燥。考虑到宇宙的浩渺，肯定有很多类似地球的世界，但我们如何找到它们呢？詹姆斯·韦伯空间望远镜将在2020年开启其5年至10年的探测任务，届时，它将能够分析与海王星大小相当的巨大系外行星的大气层，甚至可能发现几颗“超级地球”，即质量是地球2倍至10倍的类地行星。

詹姆斯·韦伯空间望远镜项目助理科学家米尼克说：“从其母恒星前面飞过的地球大小的行星看起来非常小，观测起来很困难，观测其狭长的大气层就更难了。未来的望远镜计划应该能够克服这一点，甚至我敢预测说，在我的职业生涯内就有可能做到。但是韦伯望远镜可能无法确认类地行星上的水。”

能够直接成像其他星球的海洋和陆地的望远镜可能至少需要几十年的时间才会出现。即使这样，整个行星的分辨率也可能被限制在一两个像素内。不过，这也足以堪称是科学史上最令人惊讶的发现了，我们将第一次直接观察到类似地球的外星世界：随着这颗遥远行星的旋转，单个像素的颜色将周期性由蓝色转变为棕色，将其陆地与海洋交替地呈现在我们眼前。

“或许确实会有一些多细胞生物， 但是我觉得不可能有金枪鱼之类的东西！”

在那一天到来之前，我们很可能会在离家更近的地方找到一些生命的证据，而最容易接近的就是土卫二上的海洋，它似乎具备了生命所需的所有条件。2015年10月，“卡西尼”号探测器以约2.6万千米/ 时的速度在土卫二的浮冰上俯冲而过，它的仪器探测到氢、二氧化碳和甲烷等成分，这表明土卫二上可能有与地球相似的深海火山。“卡西尼”号任务科学家格林称：“当我们飞过间歇泉的时候，我们真的尝到了土卫二海洋的味道！”

特别是氢元素的存在表明，在土卫二的海底，炽热的岩石和咸水之间的化学反应将水分解成氢和氧。像土卫二这样小的天体通常不会有任何可测量到的氢元素，因为这种元素是如此之轻，它早就应该逃逸到太空中去了。因此，土卫二上的氢必须以某种方式不断补充，最有可能的来源就是热岩石和水之间的化学反应。格林说：“一旦找到氢气，我们就可以得出结论，土卫二上确实存在大量的化学能量，而这种能量正是地球深处的生物或热液喷口处的生物所必需的。”

产甲烷菌是一种古老的细菌，通常在地球上的热液喷口附近发现，它们可以将氢与二氧化碳结合，这一反应释放出能量帮助其代谢，并产生甲烷废物。人们认为，地球早期的海洋中充满着这些类似的简单生物，即使是现在，距离地球生命第一次出现几十亿年之后，产甲烷菌也独立于阳光而生活，成为一个奇怪食物链的基础，支撑着管状蠕虫和巨蛤的生态系统。

在土卫二、木卫二或其他卫星的海洋深处，是否会出现比细菌更复杂的生命形式？天文学家肖斯塔克说：“你可能在这些地下海洋里发现细菌生命，但若要为需要更多食物的复杂生物提供能量来源，则不太可能。这并不是说它不可能发生，这些卫星已经存在了45亿年，所以很可能存在一些多细胞的生命，但我觉得不可能有金枪鱼之类的东西！”

回答这些问题的唯一方法就是直接造访这些世界。美国航空航天局已经批准了Europa Clipper任务，该任务可能会在2024年发射，2030年左右到达木星。该计划要求探测器飞经木卫二45次，在距离其冰层覆盖的表面上空约26千米范围做近距离观察。未来的任务实际上是在木卫二、土卫二或土卫六上着陆，寻找复杂的氨基酸和其他生物分子，这些都是生命所独有的。

仅凭一个例子（我们自己的世界），不能充分说明生命在宇宙中是普遍存在的，还是偶然出现的。格林指出：“由于生命化石或化学证据已经可以将生命追溯到遥远的过去，因此，人们普遍认为生命的起源是相当快的一个过程——人们把这理解为生命起源是件非常容易的事情。”不过，无论生命起源是简单、困难或介于两者之间，我们现在能确定的只有一件事：如果生命需要水才能诞生，那么宇宙中绝不缺少水。格林说：“如果我们考虑到生命起源的要素，那么水这个因素在太阳系是绝对充足的，甚至可能整个宇宙中都充满了‘水世界。”