太陽系裡會有我們的第二家園嗎？

本文來自微信公眾號： 中國國家天文（ID：chineseastronomy） ，作者：郝記華、夏濛濛、潘路，題圖來自：《普羅米修斯》

水是構成生命體最主要的物質。所有已知的代謝、繁殖等生命活動都離不開水的參與。實際上，液態水的存在是地球之所以能孕育出生命的關鍵條件。因此，當我們仰望茫茫星空，探尋是否有合適人類生存的地外家園，憧憬著是否有外星人等地外生命的時候，首要目標往往是尋找液態水。

遺憾的是，除了地球之外，目前來看太陽系其它幾個行星表面都太冷或太熱，無法長期擁有液態水。但是，這種情況並不是一成不變的。例如，在太陽系的早期，大約距今45億至37億年前，年輕火星 （或金星） 表面可能有大量的液態水存在，甚至有可能形成大規模的海洋。

有意思的是，在同樣的時間裡，地球上孕育出了最早的生命。由於火星與地球的距離較近，各種地質環境條件類似。因此，目前有很多學者認為年輕的火星可能有適宜生命起源或者生存的環境。

關於火星是否有生命的探討，最早源於一個美麗的錯誤。早期人們通過望遠鏡觀察火星表面，發現了各種各樣的線條結構。1877年，義大利天文家斯基亞帕雷利 （Giovanni Schiaparelli） 做過觀測記錄。然而，人們從義大利語翻譯成英語的時候，河道 （canali） 被誤譯成運河 （canal） 。一時間使得當時的人們產生火星上有很多小人在挖運河的錯覺。之後，有關火星生命的討論就從未停歇，只是大部分還停留在猜測和臆想的階段，沒有實際的科學證據。

義大利天文家斯基亞帕雷利的火星地圖。來源/Wiki

近些年，科學家利用先進的觀測及分析手段開始對火星生命假說進行科學驗證。其中，最有名的莫過於1996年發表的一篇有關火星隕石的研究文章 （McKay et al.，1996，Science） 。在這項研究中，學者們首次報道了火星隕石 （編號ALH84001） 中含有多種有機物且結構複雜，並且觀察到碳酸鹽小球等特徵。這些被認為是微生物活動才可以產生的訊號，因此成為火星存在生命的強有力證據。

文章發表後，引起了當時的科學界和美國政府的極大興趣。時任美國總統比爾·克林頓甚至親自參加了新聞釋出會。隨後，在美國政府的支援下，美國航天局 （NASA） 啟動了一系列的火星探測計劃，並且設定了NASA天體生物學研究中心 （NASA Astrobiology Institute） 專案。

雖然之後的許多年，多位學者陸續發文質疑1996年論文的結果，認為觀察到的現象並不是生命活動的訊號，而是假象或非生物參與的化學反應訊號。但不可否認的是，美國政府率先啟動的一系列尋找地外生命的探測計劃，極大地拓展了我們對於火星等地外天體的認知邊界。

例如，通過衛星遙感及登陸火星車分析等一系列探測計劃，我們逐漸瞭解了火星表面物質的成分及分佈規律、地形地貌的形成歷史及原因、大氣成分及變化原因、氣候特徵及其演化的歷史等等。最近，NASA利用新佈設的火震儀，還在火星表面第一次聽到了火星的“心跳”。儘管訊號微弱，但足以證明火星內部有活躍的構造活動，並不是一顆死亡星球。

ALH84001號火星隕石。來源/Wiki

近年來，中國、歐洲、日本、阿聯酋等國家也相繼開始火星探測計劃。越來越多的學者將有機會參與到火星研究中來。其中， 隨著我國天問一號探測任務的成功實施，中國學者目前已經掌握了火星探測的初步資料並積累了寶貴經驗。

未來，中美兩國都制定了火星取樣及返回的計劃。相信在不久的將來，我們會對火星上是否存在或者存在過生命，有一個更明確的答案。或許，遙遠的過去看起來有些虛無縹緲，那麼現代的太陽系中還有沒有其它擁有海洋的星球呢？答案是肯定的，而且不止一顆。它們就是我們的下半場主角——冰衛星。

我們對於每月十六號的圓月都有深刻的印象，也曾幻想過天狗食月、嫦娥奔月、吳剛伐桂等月亮上的那些故事。可惜的是，月球極度乾旱和寒冷，也沒有氧氣，所以並不適合生物生存。好訊息是，土星和木星的好多顆“月球”，可能合適。

旅行者2號探測器在行進過程中，第一次近距離觀察了土衛二。來源/NASA

土星和木星有著極為龐大的天然衛星系統 （相當於地球的月球） ，目前已知土星和木星分別有83個和80個天然衛星。 這些天然衛星往往半徑很小，而且表面極度寒冷。此外，衛星經歷過幾十億年的演化歷史，往往被認為內部熱量已經接近枯竭。因此，人們之前很少關注它們，更遑論將它們與地外生命聯絡在一起。

認識的轉變始於20世紀80年代NASA對外太陽系開展的一系列探測計劃。當時，旅行者2號探測器在行進過程中，第一次近距離觀察了土衛二 （土星的一個天然衛星） ，併成功傳回了圖片資料。僅僅看到這些照片，科學家們就已經十分興奮。因為土衛二表面完全不像月球一樣千瘡百孔，而是非常光滑。

這表明，一定有某個過程持續抹去了撞擊的痕跡 （在地球上是液態水持續的侵蝕和搬運） ，維持了土衛二很年輕的冰面龐，或者叫“凍齡”。考慮到土衛二並沒有大氣且表面溫度極低，因此可以排除風蝕或冰融等因素，這種神祕作用很可能是冰下的液態水活動。隨後，伽利略衛星還拍到了木衛二年輕的冰面，並且第一次理論上證實了冰下有液態水活動。

卡西尼號拍攝到的土衛二南極水汽噴柱。來源/NASA

在世紀之交，NASA決定開展土星及其衛星系統的探測工程，與歐空局一起進行了卡西尼-惠更斯號土星探測計劃。其中，卡西尼號探測器主要負責遠端探測土星及其衛星。2005年，卡西尼號按計劃飛越土衛二上空，結果在土衛二南極區域發現了水冰噴柱！這無疑是冰下有液態水海洋的最強有力證據。隨後，NASA調整了飛行計劃，決定為土衛二探測分配更多的飛行時間。

之後一系列的飛越及分析帶來了更多意想不到的結果。例如，卡西尼號的重力測量結果表明，南極地區的重力異常需要冰下存在密度更高的材料來解釋，很可能就是液態水，並可以依此來推斷地下海洋的深度和範圍。

此外，卡西尼號對極區噴出水冰的分析表明，土衛二海水中不僅有各種各樣的無機鹽 （NaHCO3、Na2CO3、NaCl） ，還有包括氫氣、氨氣和甲烷等多種氣體！眾所周知，甲烷和氨氣在較低溫度下很難形成，一般需要依賴產甲烷菌、固氮菌等生物活動。通過對卡西尼號分析資料的進一步解讀，科學家們還發現了多種多樣的有機物，有的甚至有很複雜的結構 （C6或更長的碳鏈） 。這些發現使得 NASA把土衛二列為“太陽系中最有可能有地外微生物活動的星體之一”。

在傳奇天文學家惠更斯發現土衛六 （或譯“泰坦”） 的350年後，人類通過惠更斯號探測器首次近距離觀察並且順利登陸了這顆碩大的冰衛星。不同於土衛二及木衛二等其它的兄弟姐妹，土衛六有與地球類似的大氣壓，但大氣的主要成分是氮氣及少量的甲烷和氫氣。由於它的表面溫度極低 （接近-180°C） ，水呈現出堅硬的冰形態，形成了表面高高的山峰和“沙”粒。

奇怪的是，惠更斯號竟然在土衛六表面觀察到液態的河流及湖泊的特徵，但隨後的分析發現這些液體主要由甲烷、乙烷等有機物組成，與地球上的液態水大相徑庭。雖然土衛六有豐富的有機物，可以為組成生命提供基礎材料，但低溫導致的液態水的缺失將會是生命起源和生存的一大挑戰。

不過，目前有越來越多的證據顯示，土衛六的深部可能有一層液態水海洋。如果未來有機會到達土衛六深部海洋，是否會像凡爾納在《地心遊記》中描繪的那樣，發現下面有微生物甚至更高階的多細胞生物呢？

目前，世界上只有美國等少數國家掌握外太陽系的探測技術和資料。由於地緣政治等因素，中國科學家在上述任務中的參與度並不高。不過，我國已經開始論證自己的木星探測計劃，預計在2030年前後發射“甘德”號探測器，對木星及其衛星系統的內部結構和外部特徵展開探測。同時，包括中國科學技術大學和中科院深海科學與工程研究所等多家單位的學者，已開始對冰衛星的宜居性開展一系列預研。

火星一直在吸引人類好奇心，持續開展探測活動。來源/NASA

鑑於探索地外生命問題的特殊屬性，該領域的前沿研究主要依賴行星探測獲得的資料和樣品。然而行星探測往往花費高昂，並且需要完整的產業鏈及先進技術體系的支撐。從某種程度上來說，這些“高貴”出身限制了它的發展規模。目前只有極少數國傢俱有獨自開展行星探測的實力，也只有少數國家開展了相關的教育。

幸運的是，我國已經將“深空”探測作為國家重大戰略，成功實施了“嫦娥”“天問”等探測計劃，且在多所高校成立了“行星科學”本科及研究生專業，為人類能和平共享太空資源、探索宇宙未知貢獻了東方力量。未來，越來越多的中國學生和學者將有機會親眼見證宇宙奧祕的揭示，甚至書寫探索地外生命的歷史。

最後，筆者想說的是， 對於地外天體瞭解得越多，我們越應該清醒地意識到：地球是唯一的，要珍愛它。 地球是目前宇宙中已知唯一有生命的星球。即使太陽系及系外存在多個海洋星體，它們的環境也非常極端，不適宜動植物等複雜生命的生存。在當今全球變化等人類生存挑戰愈演愈烈的情況下，我們不應該、也不能把深空探測作為尋找退路的手段。

作者簡介：

郝記華，中國科學技術大學研究員，主要從事早期地球環境演化、生命起源、冰衛星海洋化學及其宜居性等研究。

夏濛濛，理學博士，畢業於中國地質科學院地質力學研究所，研究方向為變質岩石學。

潘路，哥本哈根大學博士後，主要從事基於探測任務的行星地表過程和地質演化相關研究。

本文來自微信公眾號： 中國國家天文（ID：chineseastronomy） ，作者：郝記華、夏濛濛、潘路