“海洋世界”假說|超越費米悖論

　　費米悖論來源于恩里科·費米在基于宇宙漫長年齡和龐大的星體數量的基本假設，經過一系列的計算后發現——地外文明存在性的過高估計與缺少地外文明存在的相關證據相矛盾，于是在1950年夏天的某個午餐的閑談中提出了“外星人它們都在哪里？”的著名問題。

　　簡單來說，費米悖論指的是外星智慧生命（extraterrestrial intelligence， ETI）存在的高概率估計和明顯缺乏證據。直到70年后的今天，我們仍然沒有辦法回答這個問題。在這一輯中我們會介紹“海洋世界”假說。這個假說認為孕育外星生命生命的最佳候選是具有“海洋世界”的星球，而不只是和地球長得差不多那樣的類地行星，我們應該盡力去搜索以“海洋世界”為模板的星球。

　　請各位讀者注意不要與第十一輯的“水世界（Water World）“相混淆，”海洋世界（Ocean World）“指的是即使表面由冰層覆蓋，但內部可能存在溫暖的海洋的天體。在外太陽系里，也有多個衛星符合這一要求，包括木星的衛星： 木衛二（Europa）、木衛三（Ganymede）、木衛四（Callisto）；土星的衛星： 土衛一（Mimas）、土衛二（Enceladus）、土衛四（Dione）、土衛六（Titan）；海王星的衛星： 海衛一（Triton）。甚至是冥王星（Pluto）、谷神星（Ceres）和一些較大的柯伊伯帶天體（Kuiper Belt Objects）也符合條件。

　　圖1。天文學家根據這些星球表面的亮斑的光譜數據推測，氯鹽從這些衛星的冰封表面下海洋中冒出。在冰凍的表層，這些成分會受到來自木衛一（Jupiter）的艾奧（Io）火山噴出硫化物的轟擊（圖片來源： Keck Observatory）

　　生命會在出現在巖石里還是冰層之下

　　“我們確實是以正確的條件搜索宇宙中的智慧生命嗎？”——這是我們面對費米悖論不得不回答的一個問題。

　　地球是我們目前唯一知道的存在生命的星球，而我們唯一擁有較先進技術的文明就是我們人類自己。所以一開始在SETI計劃中，我們的確就是去尋找和地球大小、質量、溫度和大氣成分相似的類地行星。在太陽系內，天文學家幾乎將搜索外星生命的跡象精力都放在了火星身上，不單單因為火星離地球近，而是火星的表面覆蓋的大氣層、并且有可能有流動的水、而且足夠溫暖。我們甚至可以在上面發現具有很強生物信號的物質： 氧氣、二氧化碳、甲烷等——這些物質都與生命息息相關，在地球上也大量存在。

　　圖2。來自木衛二海洋里的有機物質（可能有微小的生命孕育于其中），可以通過冰火山噴發的形式，最終到達星球表面。來自宇宙的電離輻射的轟擊可能破壞任何生物遺傳信息，如果我們在這些星球表面發現了一些特別的有機物質，也有可能暗示了這些星球里存在生命跡象的可能。（圖片來源： NASA/JPL-Caltech）

　　然而，科學界越來越多的人意識到生命會誕生于類地行星上是具有局限性的從而限制了我們人類搜索外星文明的方式。在越過太陽系的冰凍線（the Frost Line，在冰凍線之外的行星離恒星較遠，往往是封凍的狀態）之后，揮發性的物質可以以固體的形式存在，有可能在其冰封的星球內部孕育生命。

　　“海洋世界”假說的起源

　　1979年，“旅行者1號（Voyager 1）”和“旅行者2號（Voyager 1）”任務經過木星，拍攝了木衛二表面的詳細照片，這些照片使科學家們開始意識到這個冰封的衛星內部還有一片汪洋的可能性。從那時起，木衛二是一顆表面冰凍的類地星球的證據就在不斷地增加： 我們在木衛二表面的觀測到了冰火山（cryovolcanoes）噴發形成的羽狀水柱（Surface Plumes）以及水柱周圍沉積的物質也佐證木衛二具有孕育生命的可能。

　　在其他木星、土星和海王星的幾個衛星以及柯伊伯帶運行的其他冰凍的天體上發現了類似的情況，這使得越來越多學者猜測，這些冰凍的天體可能是最有可能發現外星生命的地方。近年來，天文學家和天體生物學家將這一論點從太陽系外推到了星際領域。

圖3。旅行者2號在掠過木衛二時拍下的照片（圖片來源： NASA/JPL）

　　林奈·C·奎克博士（Dr。 Lynnae C.Quick）作為NASA的行星科學家，同時也是黎明號（Dawn）、木衛二快艇（Europa Clipper）和蜻蜓號（Dragonfly）科學團隊的成員。上述探測衛星都是用于研究太陽系內的小行星，木星二，土星六等有希望孕育生命的星球。關于這些小行星探索計劃，奎克博士做出了如下解釋：

　　“我們觀測到有水柱從木衛二和土衛二表面噴發而出，所以我們推測這些天體的冰殼下具有液態的海洋。并且它們星球內部擁有驅動水柱的能量。說明了這兩顆衛星具有豐富的水資源和能量，這是生命所不可或缺的。一旦我們認為這些地方可能適合居住，那么在其他行星系統中，這樣更大號的衛星也可能適合人類居住。如果我們看到一顆行星的密度低于地球的密度，這表明那里可能有更多的水，而沒有那么多的巖石和鐵；如果進一步我們確認了星球的表面溫度低于0℃，而且那里的水是凍結的，這樣我們就發現了一個符合”海洋世界“條件的星球。”

圖4。木衛二，一個冰凍的衛星（圖片來源：NASA/Jet Propulsion Laboratory， SETI Institute）

　　?

　　?

　　正如NASA噴氣推進實驗室（NASA Jet Propulsion Laboratory， JPL）負責太陽系探索的副首席科學家凱文·彼得·漢德（Kevin Peter Hand）在演講過程中所解釋的，這三個目標是相互交織在一起的：

　　?“木衛二的海洋蘊藏著存在一個完整生態系統的潛力，可能是太陽系中第二個獨立的生命起源。木衛二是太陽系天體生物學研究領域內一個高優先度的目標。如果第一步我們在木衛二的地表發現了具有很強生物信號的物質，那么第二步我們將會優先探索其表面之下的海洋環境，接著第三步是向木衛二發送能夠進入海洋的機器人車輛和儀器去勘探當地的生態系統和生物。”

　　?

　　馬納斯維·林加姆（Manasvi Lingam）和亞伯拉罕·勒布（Abraham Loeb）提出了類似的論點，兩位研究人員分別來自哈佛大學的史密森天體物理中心（Harvard Smithsonian Center for Astrophysics， CfA）和理論與計算研究所（Institute for Theory and Computation， ITC）。于2018年發表的一項題為《身處地下的外星生命》（Subsurface Exolife）的研究中，兩人以木星、土星和其他氣態巨行星的冰凍衛星為例，再次挑戰傳統上人們對“生命宜居性”的概念。正如勒布教授所表述的那樣：

　　“討論行星的是否具有宜居性是看這個行星是不是在宜居帶（Habitable Zone）內，即”行星“必須離恒星有適當的距離，這樣它的表面就可能保有液態水。然而這種”宜居性“其實有三條隱藏的假設：

　　（a）生命是生活在星球表面的；

　　（b）生命誕生于繞恒星運行的行星上；

　　（c）它們是以液態水作為溶劑的碳基生命。

　　相比之下，我們適當放寬了假設（a）和（b）的限定條件，但仍然保留假設（c）。

　　圖5。科學家最近發現在土衛二上的氣候條件下，地球上的某些細菌能夠茁壯成長（圖片來源： NASA/JPL/Space Science Institute）

　　可能的解決方法

　　艾倫·斯特恩（Alan Stern）作為美國西南研究所（the Southwest Research Institute， SwRI）副所長、并同時兼任NASA新視野號（NASA New Horizons）任務的首席研究員，他認為這些冰凍的衛星甚至可能解決費米悖論契機。

　　在由NASA系外行星系統科學（Nexus for Exoplanet System Science， NExSS）主辦的2017宜居世界研討會上，他主持了一場題為“‘海洋世界’可能就是費米悖論的答案”（An Answer to Fermi’s Paradox In the Prevalence of Ocean Worlds）的演講。斯特恩陳述的核心是假設我們銀河系中產生生命和文明的絕大多數行星都是內部“海洋世界”。由于星球表面有冰殼的存在，這些文明將無法使用我們可能識別的方式（如無線電）與其他行星進行通信。考慮到這些平民是如何在水上生存的，它們不太可能發展出和我們類似的技術，

　　這些論據讓人想起澳大利亞國立大學的查爾斯·萊恩韋弗（Charles Lineweaver）在發表的2007年的論文《古生物學測試：類人智能不是進化的趨同特征》（Paleontological Tests： Human-like Intelligence is not a Convergent Feature of Evolution）中所說的，萊恩韋弗基于他多年來對于德雷克方程的研究提出了“非收斂進化”（non convergent evolution）的理由，指出德雷克方程里的中間項不一定產生“不可避免的”結果。

　　萊恩韋弗引用德雷克（Drake）、卡爾·薩根（Carl Sagan）和西蒙·康威·莫里斯（Simon Conway-Morris）的談話，他斷言這是SETI計劃里的一個基本假設：

　　德雷克、薩根和康威·莫里斯所做的是解釋生命的進化表現出一種相同的傾向，即使對其他沒有很嚴格的限制，但是自然選擇嚴格地將生命推向往具有更高智能的方向。地球上的生命即是如此，外星生命也應如此。

　　圖6。圍繞紅矮星運行的宜居系外行星的概念圖。我們推測紅矮星恒星系里的行星具有一定的宜居性（圖片來源： ESO/M。 Kornmesser public domain）

　　在基于上述內容，萊恩韋弗還假設了具有腦指數（Encephalization Quotients， E.Q。）的生物——大腦重量與體重指數的比值（是衡量腦的相對大小的一個度量）——腦指數越高的生物越有可能形成智慧文明并發展出星際通信的技術：

　　最聰明的原生動物可能是章魚，經過6億年的獨立進化，盡管章魚有著很高的腦指數，但它們似乎沒有建造射電望遠鏡的計劃。而在約6000萬年前到約2000萬年前之間，海豚也進化出了一個巨大的大腦。換算下來海豚有大約2000萬年的時間來建造射電望遠鏡，但是它們也沒有選擇這樣做。

　　這有力地表明，高腦商可能是建造射電望遠鏡的必要條件，但不是充分條件。因此，即使有高腦商進化的趨勢，高腦商和建造射電望遠鏡的能力之間的聯系還不清楚。也就是說如果你生活在水下，沒有雙手，不管你的智商有多高，你可能無法建造，或者對建造射電望遠鏡根本不感興趣。

　　這個論點當然適用于海洋世界假說，可能是生活在水下的智慧生命一點也不稀罕使用射電信號，所以它根本無法與我們溝通。

圖7。木衛二表面冰火山噴發形成的羽狀水柱的效果圖（圖片來源： Justice Blaine Wainwright）

　　對“海洋世界”假說的批評

　　這一假設直接而明顯的指出，在SETI的在宇宙中用無線電搜索外星生命的基本思想框架下根本找不到“海洋世界”假說里的外星生命。如果從統計學上講，在冰凍星球上出現生命的可能性更大，而內部海洋位于它們的核幔邊界，那么尋找這類海底孕育的生命的證據將需要更積極的手段。

　　NASA計劃向木衛二發射一艘名為“木衛二快艇”（Europa Clipper）軌道飛行器，對木衛二表面進行分析，以期進一步了解木衛二的組成、監測表面水柱的噴發活動以及尋找生命的痕跡。這次任務獲得的數據也將為未來可能的木衛二地面任務（比如NASA的“木衛二著陸器”（Europa Lander）計劃）提供有效的信息。

　　這次“木衛二快艇”任務將檢測木衛二表面一個活躍的水柱附近的地點，這個地點被認為是最有可能檢測到生物標志物的地方。在過去的幾十年里，甚至有許多人提議建造一艘機器人潛艇來調查木衛二的冰層下的海洋，對于探索土衛二和其他“海洋世界”的星球也提出了類似的建議。

　　人們希望更近距離地觀察太陽系中的海洋世界，以確定其中是否有生命存在。但是從派遣任務直接探索這些星球將直接威脅到那里可能存在的任何生命，這就是行星保護的悖論，在那里尋找生命需要冒著給當地引入污染和危及當地生命的風險。在探索任務開始之前，這類道德倫理問題，人類也需要討論清楚。

　　平庸原理與人擇原理的再次交鋒

　　其實“海洋世界”假說違背了哥白尼平庸原理，因為我們并不生存在那樣冰凍的星球上，它又一次將哥白尼平庸原理和人擇原理的支持者拉上了辯論臺：

　　哥白尼平庸原理指出，如果某樣樣本是由隨機抽樣得出的，那么它有很大可能代表總體樣本的絕大多數，而不是其中稀有或獨特的個例，在天文學和宇宙學領域（稱為宇宙學原理），它認為類地行星和出現類似和地球生命類似的生命在我們的宇宙中很常見。

　　人擇原理本質上與宇宙學原理相反，認為對宇宙的觀察完全依賴于有利于生命的規律，正如大衛·布林（David Brin）在論文《大沉默-關于地外智慧生命的爭論》（The Great Silence - the Controversy Concerning Extraterrestrial Intelligent Life）中對費米悖論進行討論的那樣：

　　“‘哥白尼平庸原理’在哲學意義上的對立面是是‘人擇原理’。而后者指出： 即使在一個巨大而多樣的宇宙中，觀察者也有可能見證一個特殊的地點和時間，那么這個觀察者就應該是被”選中“去坐在這個宇宙劇場的特等席上的。所以”人擇原理“的唯一性要求生活在地球上的人類非常得特殊，以至于可能是占盡了宇宙中得天獨厚的條件才誕生的智慧文明。”

　　如果說宇宙中的大多數生命和文明都是在冰凍的行星和衛星中發現的。那么地球、地球生命以及人類文明都是非典型的。而人類手捧著“人擇原理”的觀影指南并坐在了宇宙劇場的特等席上。

　　因為其他生命形式可能無法與我們聯系，為了解決費米悖論，人類必須不斷地去尋找地外生命。但是如果我們冒著污染和破壞我們發現的任何生命的風險，難道我們還應該讓搜索外星生命的活動繼續下去嗎？尋找太陽系內的外星生命也向人類提出了一個道德倫理問題。

　　在人類開始向木衛二和其他“海洋世界”星球派遣探索任務之前，這些問題絕對必須要得到回答。如果這些星球是我們在太陽系或整個宇宙中可能發現外星人的唯一地方，也許最好是從太空上觀察它們，或者干脆完全不去管它們。幸運的是，“木衛二潛艇”（Europa submarine）或類似的任務還需要很多年才能上線成行，我們人類還可以為這個道德倫理問題爭論很久。

　　此外，許多新一代望遠鏡將在不久之后投入使用，如：詹姆·斯韋伯望遠鏡（James Webb Telescope）和南希·格雷斯·羅馬太空望遠鏡（Nancy Grace Roman Space Telescope），它們將收集更多關于可能宜居的系外行星的信息。最后附上一張關于太陽系“海洋世界”星球的圖片： 

　　（譯者注： 圖8中分別將符合海洋世界條件的星球的大小與地球做了對比，展示了距離太陽的距離并且對生命存在的可能性做了一個綜合評價。綜合來看，木衛二和土衛二孕育生命的可能性相對較高。歷史上最拖延的詹姆·斯韋伯望遠鏡的發射任務終于定在今年年底12月18日。在不遠的未來我們有希望通過這些新設備的觀測結果回答我們想知道的一切。）

　　圖8。太陽系中符合或者可能符合海洋世界的星球的介紹（圖片來源：Kim Orr/solarsystem.nasa.gov）