2009年9月9日

天文‧生命 宇宙裡更多的「地球」

作者/辜品高(任職中研院天文所)

自從第一次人類將眼光望向燦爛的星空時,我們對外太空生命的好奇種子就已深深埋下。今日的科技究竟允許我們探索到了些什麼呢?

自西元1995年以來,天文學家開始大量發現太陽系以外的行星系統,證明太陽並不是銀河系中唯一擁有行星的恆星。這些系外行星(exoplanets)的發現,正如四百年前伽利略使用望遠鏡觀察天象一般,為天文學新開了一扇窗。透過這個新的窗口,讓我們更了解行星是如何形成和演化的。但其最終及最有趣的目的,則是能解答是否還有別的「地球」,甚至外星生命的存在。

在探索這個問題之前,我們先不要捨近求遠,讓我們先研究一下距離地球最近的天體——月球吧!大家都知道月球是地球的衛星,所以約略來說,月球所受到來自太陽的熱輻射與地球差不多。可是為什麼月球表面並無生命跡象呢?為什麼月球表面並無海洋呢?目前在學界的看法是,月球質量太小,其微弱的重力無法抓住大氣,於是大氣受太陽輻射加熱之後逃逸。即使後來有彗星陸陸自續續砸下來(可將彗星想像成大型的髒雪球),持續地供給冰,但也因為月球表面幾乎沒有大氣,氣壓極低,以致於冰很快就受熱昇華成水氣,所以海洋無法形成。因此單以月球的例子來說,要成為能在地表上孕育生命的星球,天體的質量不能太小。當然,另類的思考永遠是存在的。譬如說有許多天文學家揣測一些木星或土星的寒冷衛星,或許因為其潮汐造成的地熱可融化內部的冰,或是因為液態甲烷可能代替水,因而使這些衛星可能有孕育生物的條件。但這些理論至今還是尚未證實。

天人合一否?

讓我們再回到地球,想想這個有生命的星球,思考一下人類和宇宙到底有什麼聯繫。我們知道人類的組成分子大部分是水,碳則是組成有機分子的主幹,而氮則是組成胺基酸以及核酸的要素。科學家把組成人體的重要元素和組成宇宙天體的主要元素相比較,發現下面一個有趣的對照表:

從表一的數據可以看出來,除了惰性氣體之外,人體的主要元素和宇宙天體的主要元素居然是差不多的!這讓我們不免想起《莊子》〈齊物論〉中天人合一的思想:「天地與我並生,萬物與我為一」。但是,讓我們就天文學的角度來看,這種天人組成分子的吻合情況,是一種巧合嗎?

氫是宇宙中最簡單的元素。自從大霹靂之後,宇宙一直膨脹,後來冷卻再冷卻,使得質子和電子結合成為氫原子,變成宇宙中恆星和氣體的主要成分。然而組成地球上生物有機分子的主要元素碳,竟然無法在大霹靂時來得及製造。在宇宙的歷史中,碳元素需要按著特別的「食譜」去製造。

所有類似太陽的恆星,在它們百億年的生命末期,其核心溫度就會上升到達約1億度。此時在恆星中心,每三個氦會核融合為一個碳原子核,而整個恆星會膨脹起來成為紅巨星。恆星在紅巨星的階段,會揚起強烈的恆星風向外吹,於是恆星損失質量,其大量的氣體,包括碳元素,便隨著恆星風吹入星際介質之中。之後新的恆星和行星在星際介質中形成,碳元素便自然地成為行星組成分子的一員。

除了碳之外,科學家一般相信液態水是孕育生物的必要條件。這個論點並沒有被確切地證實,事實上生物學家目前也無法回答原始生命是如何產生的。但是有一些液態水的基本性質,使得科學家做這樣的揣測。首先,在表一顯示,宇宙第一多的元素是氫,第三多的是氧,所以水分子產生的機率比較大。其次,水的比熱高,可以使環境的溫度穩定。此外,原子和分子可藉著水來移動,但同時卻也限制於較小的活動範圍(相較於氣體),以便於聚集合成複雜的分子。【更詳細的內容,請參閱第477期科學月刊】

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