[비즈한국] 春去夏来，如今狮子座正悬挂在夜空中。它看起来只是一个普通的星座，但从今晚开始，你或许会以完全不同的眼光审视它。因为最近在那里发现了一种疑似外星生命最确凿的信号。据我们所知，至少在地球上，若非生命活动，绝无可能产生两种被强力检测到的成分。除非那里正在发生我们所未知的完全不同的化学反应，否则极高概率意味着外星生命正在那里“搞事情”。
遗憾的是，虽然在本次论文中尚未达到科学界公认的“铁证”标准——5倍标准差（5σ），但根据此次分析，该信号超过了3倍标准差（3σ）。这意味着该信号仅仅是偶然或统计误差的可能性仅为千分之一。当然，由于未达到5倍标准差，还很难下定论，但这确实是一个足够引人注目的结果。在那里检测到的信号究竟意味着什么？我们真的能证实苦苦等待的外星生命的存在吗？
得益于2009年升空的开普勒空间望远镜及其继任者TESS，我们已经掌握了超过1万颗系外行星及其候选者。为了让生命能够在系外行星上生存，首先需要适宜的温度，既不能太热也不能太冷。为此，行星必须处于距离中心恒星适当距离的轨道上，即“宜居带”。在迄今为止已知的系外行星中，只有1%通过了这个苛刻的第一次测试。
最近备受争议的K2-18b也是其中之一。这是一颗在距离狮子座方向124光年处的恒星旁发现的行星。K2是指在开普勒任务的第二次任务中发现的。最初，开普勒望远镜只瞄准天鹅座附近的特定方向，但在2013年由于控制姿态的两个轮子故障，不得不制定新的战略。最终，天文学家尝试了利用太阳风固定望远镜姿态的新颖战略，在这个过程中，开普勒摆脱了原本注视的天鹅座，执行了扫描多个方向的K2任务。正是在那个过程中，在狮子座方向发现了这颗行星。
K2-18恒星质量仅为太阳的49.5%，几乎只有一半，是一颗更小、更矮小的恒星。因此，恒星本身比太阳凉快得多，是一颗发射更多红色红外光的红矮星。开普勒通过“凌日现象”（即行星绕恒星旋转时，周期性遮挡星光导致亮度微弱变暗）来捕捉行星，K2-18b也是通过这种方法被发现的。该行星的公转周期约为33天，即一个月左右。换句话说，如果将这颗行星绕中心恒星公转一圈的时间定义为它的一年，那么一年只有33天。在地球上我们吃一顿年糕汤的时间里，在那里可能要吃十次。
事实上，K2-18b行星在之前就因其他侧面在天文学家之间引起过争议。该行星的质量约为地球的8.6倍，直径为2.6倍。且其密度比完全由岩石构成的行星要轻。因此，这颗行星似乎并非完全由岩石组成。能够解释这一点的有力模型主要有三种。第一种可能性是“迷你海王星”。虽然体型比海王星小，但可能中心有岩石内核，周围包裹着被高压压缩的冰层。第二种可能性是岩石内核周围没有冰，而是包裹着一层完全由氢组成的厚重大气层。最后一种可能性比较特殊，即岩石内核被巨大的水海洋所包围，其上覆盖着薄薄的氢大气层。可以将其视为充满水的地幔。这种由薄氢大气和海洋组成的行星被称为“海森行星”（Hycean planet）。
在那之前，海森行星还只是众多假设之一，从未确认过实际存在。那么，如何知道K2-18b是一个什么样的世界呢？天文学家发现，根据不同的场景，行星大气中检测到的化学成分应有显著差异。如果是没有海洋、仅由厚厚氢大气构成的世界，其大气成分应该与海王星相似，甲烷和氨含量丰富，甚至可能检测到大量的一氧化碳。相反，如果整个行星被海洋覆盖，情况就会大不相同。由于水能有效溶解这些化学成分，大气化学组成也会发生巨大变化。特别是大气中的氨和一氧化碳会消失，而应检测到大量的甲烷和二氧化碳。
而在去年的詹姆斯·韦布空间望远镜（JWST）观测中，准确确认了符合该模型的信号。通过这一点，天文学家得出了结论：K2-18b很可能就是传说中那种表面被海洋覆盖、由薄氢大气包围的海森行星。
整个行星都是海洋，研究团队在此基础上更进一步。那么，会不会存在像浮游生物那样生活在海洋里的生态系统呢？确认系外行星上是否有生命最确凿的方法就是亲自过去拍一张认证照。但因为距离太远，这不可能实现。我们能做的只是坐在地球上，分析从远处隐约可见的系外行星光线，确认其中是否隐藏着生命的证据。
天文学家最常用的方法是确认系外行星的大气圈、天空中有哪些化学成分存在。实际上，在此期间，韦布望远镜通过这种方法确认了多颗系外行星大气中存在明显的氧气、二氧化碳和水蒸气。但这还不够。事实上，氧气、二氧化碳和水蒸气在宇宙空间中也相当常见。虽然它们都是生命活动的主要原料，但仅凭这些成分的存在，无法百分之百断定那里就一定存在生命。然而，如果确认了若非生命活动绝无可能产生的成分，情况就完全不同了。而天文学家正是在K2-18b上尝试寻找这样的成分。
去年，天文学家利用韦布望远镜的NIRSpec等红外光谱分析设备进行了化学成分分析。该设备可在0.6至5.3μm范围内进行光谱分析。通过该研究，当时的研究团队声称探测到了名为“二甲基硫醚（DMS）”的化学成分信号。这是植物性浮游生物通过生命活动制造出的代表性成分。在一个整个被海洋覆盖的系外行星上检测到了浮游生物制造的主要成分！如果是真的，不禁让人期待是否发现了外星浮游生物。
但是去年分析时，该信号的显著性仅为2.4倍标准差。这意味着统计上它是偶然的可能性约为六十分之一。这是一个远低于5倍标准差标准的不可靠信号。此外，根据分析光谱方式的不同，结果也会有很大差异，因此这仍是一个留下诸多疑问的结果。
最终，研究团队利用韦布望远镜的其他设备进行了追加观测。这就是此次发布的结果。本次观测使用了波长更长的中红外光谱观测设备MIRI，进行了6至12μm范围的观测。结果不仅探测到了DMS，还更清晰地检测到了“二甲基二硫醚（DMDS）”。这两个分子都与地球的生命活动息息相关。DMS由海洋微生物和浮游生物制造。DMDS则更广泛，由细菌、真菌、动植物等多种生命体产生。DMDS是一种带有大蒜味的分子，也用于食品香料。
根据此次追加观测，该信号的显著性达到了3倍标准差水平。虽然确实比去年的分析更明显，但也存在局限。在韦布望远镜的观测领域中，DMS和DMDS在光谱上留下的特征非常相似。因此，定量地精确区分两者的含量究竟是多少是非常困难的。
此次发现尤其令人吃惊的是两种分子的含量高得离谱。虽然在地球上也有生命活动产生的DMS，但它非常不稳定，会迅速分解消失。因此，地球大气中的DMS浓度并不高。然而查看此次论文，在K2-18b的大气中，检测到的DMS含量竟然比地球高出数千倍。考虑到DMS是容易迅速消失、反应性极高的成分，必须认为K2-18b行星上某种机制正在不停地补充DMS。
不过，若要维持比地球高出数千倍的DMS水平，这颗行星的海洋中应该要有浮游生物爆发性地繁殖并充斥其中。如果在遥远的宇宙中，还有另一位外星天文学家同时观测我们地球和K2-18b行星，在他看来，或许K2-18b反而看起来比我们地球更有可能存在生命，是最有希望的地方。相比之下，地球发出的信号比那里弱了数千倍，他甚至可能会误以为地球是没有生命的地方。
继上次第一次观测后，通过这次第二次观测，信号显著性上升至3倍标准差是非常有趣的。但现在还不能百分之百确定。最终必须确认超过5倍标准差的更强力信号，才能得到所有人的认可。为此，研究团队计划再次借用韦布望远镜的时间。需要通过MIRI在中红外区域进行至少1至3次、超过一天以上的额外观测。
当然，对此次发现并非没有怀疑的目光。一些天文学家指出了之前的研究结果，即在彗星或星际尘埃中也检测到了DMS。这很大程度上偏离了DMS只能像在地球上那样通过需要微生物的复杂生命活动才能制造的既有观点。毕竟在彗星或尘埃云中很难期待存在生命活动。
但针对这种批判，研究团队表示，彗星表面和尘埃云的环境与海洋行星原本就不同，不能成为公平的比较对象。彗星表面和星际尘埃云是直接暴露在强烈紫外线和宇宙射线下的环境，因此可能会暴露在更极端的超高能光线下，存在发生与外星行星海洋中完全不同的非生物化学反应的可能性。相比之下，如果是一颗重力比地球大得多、覆盖着氢大气的海洋行星，则很难期待发生这种极端的化学反应。研究团队主张，认为DMS是由外星浮游生物活动所填充的结论更为合理。
此外，还有观点指出，这颗系外行星本身所围绕的恒星比太阳小而矮小本身就是个问题。为了在这样的矮星旁接收到适宜的星光，行星必须更紧贴恒星。这颗行星的公转周期只有33天也是出于这个原因。但这样一来，由于离恒星太近，暴露在恒星表面爆发的耀斑（flare）危险下的可能性很高。特别是质量小的恒星进化得更狂暴、更喧闹，所以更危险。最终，只要一次耀斑爆发，行星的大气圈就可能迅速被剥离，反而可能导致难以生存。但对此，研究团队主张通过多次观测已经验证，该行星即使在那样苛刻的环境中也存活了下来，是一颗覆盖着适宜氢大气的海洋行星，即海森行星。
仅从目前的结果来看，K2-18b似乎位于距离中心恒星适宜的宜居带，且整个行星都被海洋覆盖。甚至在大气中检测到了含量极高的DMS和DMDS。据我们所知，目前制造这些分子的方式只有微生物的生命活动。有趣的是，这颗系外行星上并没有检测到氧气，这反而暗示了该行星的状态极有可能与数十亿年前的地球非常相似。没有氧气，可能是因为这颗行星尚未开始光合作用。在地球上，在植物光合作用正式开始前很长一段时间里，几乎没有氧气，只有微生物在排放DMS。换句话说，K2-18b可能正处于生命爆发性萌芽的生命诞生初期阶段。
而正是这一点让本次发现更具魅力。人们通常提到发现外星生命，就会期待比人类进化程度更高、复杂的智慧外星生态系统。但即便不久后我们真的发现了外星生命，发现那种复杂生命的可能性也非常低。相反，宇宙中可能会有更多停留在极其简单层面的生命。我们地球也是如此。
在地球上，单看数量，微生物是绝对多数，远超人类。如果外星科学家在地球任何地方着陆，随便挖起一勺地球物质，里面除了微生物什么都不会有。外星人可能会判断地球是一个由微生物统治的世界。同样的逻辑难道不能适用于宇宙吗？如果我们从宇宙任何地方随便挖起一勺宇宙物质，偶然捕获到了生命体，那么其形态极有可能是像微生物那样原始的模样。也就是说，从纯粹科学的角度来看，我们最有可能先接触到的存在 모습（模样）会接近微生物，在这个层面上，本次发现感觉完全遵循了那既定的步骤。正因如此，本次发现让我们更加激动。
过去我们不得不将外星生命的存在仅仅视为“开放式结局”的最重要原因，是因为对于以何为根据、以何为标准来判断生命是否存在，这一标准本身尚未达成共识。必须先确定作为生命活动指标的“生物特征”（Biosignature），之后才能分析系外行星上是否真的存在该信号。而我们终于达到了可以对什么是生物特征进行有意义讨论的阶段。我们终于进入了不再将外星生命存在的可能性视为单纯的科幻想象，而是可以基于科学数据进行谈论的正式天体生物学时代。
参考
https://iopscience.iop.org/article/10.3847/2041-8213/adc1c8
笔者池雄培（音）是谁？喜爱猫和宇宙。小时候看了《银河铁道999》后，立志要让人们了解宇宙之美。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过银河间相互作用进行的演化，并从事讲座、写作等多种科学传播活动。著有《썸 타는 천문대》（暧昧天文台）、《하루 종일 우주 생각》（整天想宇宙）、《별, 빛의 과학》（星，光的科学）等书。