((This article is translated from "Beyond Star Trek" of L. M. Krauss))
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  五十年前, 火星人 [Martians] 是外星人的典型, 金星人 [Venusians] 則排名第二. 然而. 當我們對太陽系的了解越來越深, 我們對於在火星或金星上尋找生命 (更別提智慧生命了) 的希望越來越低. 除了幾個好萊塢明星之外, 人們都已經承認我們居住的行星是環繞太陽的行星中唯一曾有生命的.

  但在過去一年卻有徹頭徹尾的改變! NASA 與大學研究者合作的小組宣稱, 來自火星的一顆編號 ALH84001 的隕石在約 13,000 年前墜落地球, 並在南極洲 [Antarctica] 被發掘出來, 而上面可能有微生命的化石證據. 這項聲明震驚了全世界. 或許太陽系的其他地方根本並不荒蕪.

  搜尋火星生命紮根於搜尋地球的原始生命. 直到約 10 年前, 人們還認為要養育有機生物 (例如金鳳花 [Goldilock]) 需要 "剛剛好" 的環境 - 足夠的水, 溫度以及不太強烈的光. 但是科學家探索偏遠荒涼的地區, 從放出沸水的深層海床, 到南極嚴寒充滿強風的冰川, 從布滿燙人沙礫的戈壁 [Gobi] 沙漠, 到油井的硫磺泥漿, 都發現了各種各樣的原始生命 (當然也有比較不原始的生命, 例如賽車選手跟登山者) 選擇生存在邊緣. 這些極端愛好者 [extremophiles], 顧名思義, 全都活在錯誤的地方. 他們或許無法繁榮 (確實, 他們有些幾乎撐不下去), 但卻生存了下來, 有時甚至完全沒有光, 熱, 氧氣或水 - 這些全是我們之前以為生命必需的標準成分.

  支持火星上可能有原始生命的證據是充滿疑點的, 但它確實指出幾個有趣的可能性. 研究者宣稱在 ALH84001 中找到的微生物化石已經有三十億年以上的歷史了. 它們活著的時候火星上較暖較濕, 也較適合生命生存. 為什麼火星或變得如此貧瘠而地球卻沒有, 目前還不是非常瞭解. 然而, 關於此一發現最重要的一點或許是, 我們不需要到火星上去尋找岩石; 它就在南極洲冰封雪地的狂風中等著我們去發現.

  或許同樣重要的, 是科學家在同樣地點的冰凍岩石也發現過一種叫做隱生苔 [cryptoendoliths] 的原始生命. 而在南極洲或西伯利亞 [Siberia] 永凍原 [permafrost] 的地下, 也發現微生物有各種各樣的活動, 有些已經蟄伏了超過三百萬年.

  現在已經可以清楚地推論, 隕石, 彗星或是小行星撞擊行星地表時, 會帶來足夠的能量將物質拋射到行星之間. 這表示地球並不是封閉的生態環境! 如果物質可以在行星之間交換, 那麼當然有機物質 (或許包括原始可自我繁殖的生命) 也可以. (任何高等生物都似乎不太可能在劇烈的拋射及之後的行星旅程中存活) 此外, 如果原始的生命可以蟄伏數百萬年, 直到環境適合時才復甦, 那麼某一行星上的生命就很可能可以到另一個行星上播種.

  這讓我們想到法蘭西斯˙柯立克 [Francis Crick] 提出的播種 [panspermic] 理論, 並非全然地荒誕不經. 科幻小說及電影中也提過類似的概念, 外星智慧生物在 "播種" 之後一段時間, 又回來探望他們的後代子孫進展如何. Star Trek 的編劇們十分有創意地利用這個概念, 解釋為何企業號遇到的外星人大部分都是類人生物 [humanoid]. 畢凱繼承了考古學家理查˙加倫 [Richard Galen] 的工作, 發現許多不同行星的原始生命沼澤都被一個很久以前就絕種的文明種入其 DNA.

  無論如何, 發現可能是火星生命的化石證據, 以及行星間藉著激烈行星撞擊而達成的運輸, 都顯示在我們太陽系中可能根本無法發現外星生命. 誰能說這種生命跟我們完全無關呢? 我們發現的可能是我們的遠房表兄弟! 事實上, 非智慧生命確實能從被迫放棄原行星的過程中倖存. 西伯利亞永凍原上冰凍的細菌, 就顯示了原始的生命確實能撐過致命的氣候改變. 不知這種微生物的生命是否夠長到可以被拋射出去見識另一個新世界?


  地球生命可能並非源於這個行星的見解, 從觀測海爾波普彗星中得到更進一步的支持. (不, 我指的不是觀察彗星後面帶著我們母文明的外星太空船!) 分光鏡 [spectroscopic] 的資料指出彗星上有超過一百種不同的複雜有機分子存在, 包括了氨基乙酸 [glycine], 這是某種氨基酸 [amino acid]. 有人認為早期的彗星撞擊將足夠的有機物質 (當然還有水) 送到地表, 提供我們行星上所有有機生命的生長機會. 支持這項說法的證據包括, 地球持續每分鐘被 30 顆含水的彗星撞擊, 以及觀察撞擊木星的舒梅克-李維 [Shoemaker-Levy] 彗星, 發現有水份進入行星大氣. 或許 (跟傳統上我們在太陽系殖民的典型說法相反) 是太陽系在對我們殖民.

  這樣的殖民可以解釋早期地球生命的出現, 為何在行星冷卻可居住之後的一億年之內就迅速出現了. 這項證據也顯示生命在首次出現之後進化得十分快速. 或許生命足夠強壯以適應貧瘠環境 (例如充滿有機溶質及重金屬的沸水中) 的發現, 可以解釋生命為何能如此急速成長. 或許那些生命中有部分是從行星間快遞而來的.

  這個過程並不限於我們的太陽系. 畢竟, 海爾波普彗星的有機分子當初是怎麼來的呢? 可能之一是它們就源自於彗星本身. 海爾波普的大尾巴離太陽如此之遠, 還能在空中延伸將近 30 度, 顯示彗星內部可能有內能源. 或許冰凍外殼的內部物質是液態的. 在這樣的原始湯汁 [primordial soup] 中, 是否有可能在宇宙的層次上重現類似 1953 年的尤瑞-米勒 [Urey-Miller] 實驗 (在以甲烷, 氨 [ammonia], 氫及水模擬的原始大氣中放電以產生各種有機化合物, 包括兩種蛋白質的成分, 氨基乙酸跟丙氨酸 [alanine]) 呢?

  自由的有機分子可能是在我們太陽系的形成前, 或形成中產生的. 在行星間的太空中, 分光鏡早已偵測到有機分子的存在. 或許生命的有機種子在銀河中是到處都有的 - 實際上, 只是在等待適當的環境已定居而已.

  雖然火星可能曾經有生命居住, 但現在確定是沒有的. 然而, 大約在推論火星化石生命發表的同時, NASA 發布了伽利略太空船在掠過木衛歐羅巴時攝得的照片. 歐羅巴的表面是冰凍的, 但是上面的痕跡顯示有內部能源或是木星的潮汐壓力, 造成嚴重的擾動. 顯然是浮冰及間歇泉活動的證據顯示, 可能曾有液態水的存在, 而且可能現在仍存在於衛星的冰凍地殼之下. 就像海爾波普彗星一樣, 或許有許多有機分子也同時存在. 從發現地球上的生命能存在於不可能生存的地方看來, 歐羅巴隱藏的海洋中可能存在可自我繁殖的是十分可信的. 確實, 外行星眾多的小衛星或許比它們所屬的行星更能提供讓生命發展的潛力.


  當然, 跟在歐羅巴或土星 [Saturn] 的泰坦 [Titan] 衛星上尋找生命同樣令人興奮的是, 顯然太陽系中除了地球之外沒有智慧生命. 如果我們想要在宇宙中尋找血親, 我們就該尋找太陽之外的恆星. 雖然之前幾章都認為用太空船進行這種任務的可能性很低, 許多新發現顯示我們可以直接偵測到環繞其他恆星的 M 級行星 [Class M planets] (Star Trek 用來稱呼跟地球相似行星的術語).
  
  幾年前, 天文學家一直認為恆星中大部分都可能有行星系, 懷疑者卻反對, 認為即使銀河中有超過四千億的恆星, 但已知的行星仍然只有九個. 呃, 現在已經確定不是這樣了. 我們已經發現了許多環繞著跟太陽相似恆星的行星, 其中最近的離我們大約只有數十光年. 證據顯示行星的形成是十分平常的, 完全不像我們從前以為的那麼稀有. 1995 年米契˙梅爾 [Michel Mayer] 跟他的小組首次公佈在日內瓦天文台觀測發現繞類日恆星的行星. 然而, 大部分的新資料以及到目前為止最令人信服的結果, 是由喬夫˙馬西 [Geoff Marcy] 指導以舊金山大學為中心的一個小組, 在過去十年中細心累積而得,

  目前已改用下述概念進行搜尋太陽系外行星的工作: 即使習慣上我們認為哥白尼革命發現地球繞太陽運轉, 但這嚴格來說並不正確. 重力是條雙向道. 牛頓定律不但告訴我們頭頂的大飛碟可以把我們壓扁, 同時也告訴我們當行星環繞太陽時, 太陽也會相對地運動. 雖然我們將行星軌道理想化, 視其環繞著固定的太陽, 事實上是行星跟太陽同時環繞著兩者之間的某一點, 也就是所謂的系統質心. 因為行星比太陽輕得多, 因此這一點會比較靠近太陽中心, 所以實際上太陽是繞著本身表面外的某一點在運轉.

  所以 (正如同天主教會 400 年一直拒絕替伽利略平反, 而堅持至今的主張) 事實上是太陽在環繞著我們的太陽系! 只是不那麼明顯罷了. 事實上, 因為木星是已知最重的行星, 它對太陽的影響應該最明顯, 因此我們可以由此計算並預估太陽運轉的程度. 木星每 11.86 年繞太陽一周, 這表示太陽同樣每 11.86 年環繞日木系統質心 (位置正好在太陽表面之外, 離太陽中心大約 800,000 公里處) 一次. 如果你算出太陽運行軌道的速率, 你會發現它的速度大約是每秒 10 公尺, 大約是奧林匹克短跑選手的速度. 對人類來說, 這是非常快的; 但對一個天文物理學上的物體, 例如太陽來說, 這簡直是無法想像的慢.

  一個有理智的人 (比方像 Star Trek 的編劇) 可能會省略測量遠方恆星如此細微的運動; 然而, 現代實驗科學最精采 (至少對我來說) 的事情之一, 就是以前認為不可能的精確度現在都已經可以輕易達到了. 對行星研究者來說, 關鍵並不稀奇: 就是現代天文學的重點工作 - 都普勒 [Doppler] 效應. (如果你只在高中物理聽過, 那麼它對你來說可能沒什麼詩意, 但是詩意只在聽者的耳朵裡. 我辦公室有幅科學卡通畫家席德˙哈理斯 [Sid Harris] 的作品; 畫裡有兩個牛仔在日落的平原上, 看著遠方的火車. 其中一個牛仔說, "我最愛聽火車汽笛的波頻強度因都普勒效應而偏移的寂寞嗚咽聲" [I love to listen to the lonesome wail of a train whistle as the magnitude of the frequency of the wave shifts due to the Doppler effect.]) 眾所週知汽笛靠近的時候比遠離的時候聲音要高, 過去大半個世紀天文學家就一直利用這個現象來觀察宇宙. 汽笛聲音會變高是因為聲波靠近時波長較短, 所以頻率較高. 光也會有同樣的現象; 當向你靠近的物體發光時, 你接收到的波會受到壓縮, 使得光看起來比較藍. 如果它遠離你的話, 光就會偏紅. 美國的天文學家愛德溫˙哈伯 [Edwin Hubble] 在 1920 年因為提出下列證明而聲名大噪: 由遠方銀河發出的光頻可推測出這些銀河都在遠離我們, 而且速度與距離成正比. 就是因為這樣, 我們才發現了我們的宇宙正在膨脹.

  以同樣的方式, 天文學家藉著觀測銀河某一端光頻的偏移, 並與另一端的結果比對, 推論出銀河的旋轉率. 在 1970 年, 蓓拉˙魯賓 [Vera Rubin] 跟她的同事證明了此一旋轉是不規則的 - 亦即, 導致銀河運動的重力牽引, 來自於遠比銀河本身可見物質還要大的物質. 這就是所謂 "黑暗物質" [dark matter] 的發現. 顯然可見宇宙中 90% 以上的物質都是不會發光的, 而目前它們的特性還是現代天文學及宇宙學上的大謎團.

  無疑地, 都普勒效應雖然簡單卻妙用無窮, 在 1995 跟 1996 年, 梅爾, 馬西, 以及他們的同事, 終於成功利用它來測量鄰近恆星的晃動, 並因此發現了某種新的不可見物質: 如木星大小的行星. 在這項觀測中必須進行非常精準的測量, 不但要量恆星的晃動速度, 還要測它速度的變動週期, 以便決定行星的特性. 有了這兩項數據, 就可以分毫不差的算出行星的質量.  

  確實, 最值得注意的是有些新發現的巨行星 (質量將近木星的五倍) 所環繞的軌道比水星繞太陽的軌道還更靠近其恆星. 其中一個 (最先找到的那個) 的軌道週期, 或者說它的 "年", 只有大約四天! 在這些觀察發表的不久之前, 理論預測還認為, 受到潮汐力的影響, 巨行星不可能形成於太靠近它們太陽的軌道上. 新的觀察顯示, 行星的形成可能不但比過去想像的要簡單, 同時變化也更多. 或許我們的太陽系並非如此具代表性. 由於行星形成的可能性產生新的可能組合, 生命的起源也同樣展露出新的可能性.

  要強調的是, 到目前為止觀察到的行星系統都還無法提供像地球的高級生命形式生長. 極度的高熱和強烈的表面重力都不太可能容許這種生命的進化產生. 然而, 最近新發現的一顆行星, 因為離它的恆星夠遠, 所以地表或靠近地表處可能有液態水存在. 從我們最近在地球上的發現看來, 再加上一點熱度或許就足以滋養出原始的生命.

  我想強調這些類木行星的發現有多麼令人震驚. 為了推導這些物體的存在, 必須利用都普勒效應觀測出每秒數十公尺的星際運動. 這種運動造成的光頻偏移量不到百萬分之一. 不但要分辨出這麼小的頻率偏移, 同時還要持續觀察數天, 數週以至於好幾個月, 才能讓人信服其規律性代表的是行星的運轉而非星體表面的脈動. 由於這個獻身觀察的小組成員的努力不懈與技巧嫻熟, 才能讓我們向星空又踏出一大步.


  然而, 就像史卡利跟穆德探員可能會跟你說的, 從各種間接證據調查外星智慧生命是很有趣, 但是那頂多也只能讓人興奮而已. 反而等到真正跟外星人面對面, 或至少是用身體的某一部份對某一部份時, 才是真正的重頭戲. 不論X檔案的組員從被外星人綁架的受害者鼻子裡取出多少詭異的金屬物品, 要想說服他們的上司 (或至少某個尚未參與邪惡政府陰謀的人), 還是得先找到一具貨真價實的外星人屍體 (而且不能是那種動不動就突然消失的). 有時候只有親眼見到才算數, 即使是在X檔案中.

  同樣地, 跟發現太陽系外行星一樣令人興奮的是, 我們要強調人類仍未直接看過任何外星人. 此外, 一顆類地行星在跟地球差不多的軌道上對一顆類日的恆星造成的速度影響只有每秒 10 公分, 即使間接地偵測這種物體也不是小工程. 分辨這樣的速度所需要的頻率解析度跟穩定度超過十億分之一, 在可見的未來中似乎還無法達到. 就算可以, 還有這麼多的其他宇宙雜訊源可能會把真正的訊號給蓋掉.

  有項科技可能可以讓我們推測, 在跟地球類似的軌道上是否有較小行星的存在, 它要測量的不只是恆星受行星軌道影響的運動速度, 還有恆星在空中的位置改變. 這樣技術是一百多年前美國的第一位諾貝爾物理獎得主亞伯特˙米契森 [Albert A. Michelson] 發展出來的, 他任職於我出身的凱斯西儲大學 [Case Western Reserve University] (後來改制為凱斯理工學院 [Case Institute of Technology]). 這項技術叫做光學干涉 [optical interferometry]. 用兩架鄰近的望遠鏡同時觀測遠處的光源, 以比較光波的波峰與波谷. 由於可見光的波長很小, 恆星在空中的位置即使只有極小的變動, 也會造成波峰波谷在兩架望遠鏡上的量測改變. 這讓我們可以得到空中恆星運動的高解析度. 在帕洛瑪山 [Mt. Palomar] 上新建的雙眼望遠鏡, 理論上對天空的解析度可以達到萬分之一度. 若在從前我可能會把這樣的精準度歸於科幻 - 這就好比在地球上要辨認月球上的人伸出的是一根還是兩根手指!

  你可能會懷疑, 如果我們可以達到這樣的解析度, 為什麼不乾脆直接去 "看" 環繞鄰近恆星的行星就得了. 那樣的話, 我們只差一步就可以像麥考依醫官或是庫修 [Crusher] 醫官那樣拿出三度儀 [tricorder] 掃描生命訊號了. 呃, 還有一個問題要克服. 假設行星與恆星之間的距離跟地球與太陽間的距離差不多, 而且該星系在觀測範圍之內 (例如一百光年), 那麼理論上我們可以輕易地辨識出這段距離. 可是問題是, 恆星太亮了, 而它的行星只能反射它的亮光, 相較起來就黯淡許多. 此外還有一個更大的問題. 當宇宙中物體放出的光線進入我們的大氣層, 會受到空氣密度, 運動等等的變動而四下折射; 結果一個點光源就會散佈成一個圓盤區域. 在一般的地面觀測時, 這個 "可見盤" [seeing disk] 會很容易使得恆星的亮光掩蓋了包含行星的太空.

  主動戰略防禦 [Strategic Defense Initiative, SDI, 又稱星戰防禦] 的研究導致的某個實用例子是一項叫做適應光學 [adaptive optics] 的技術, 可以在理論上讓天文學家規避前述的問題. 還好現在 SDI 已經廢止了, 所以之前的機密研究都可以拿出來好好利用. 概念其實很簡單: 如果有個參考物, 其原始光影已知或是可近似, 那麼藉由透過大氣觀察該物體的光如何分散, 就可以抵銷任意時間的大氣效應. 如果空中有另一個物體靠近參考物, 就可以利用這個抵銷技巧得出該物體更準確的影像. 但萬一你要觀察的恆星附近沒有其他可參考的星星呢? 呃, 在勞倫斯˙利物摩 [Lawrence Livermore] 國家實驗室 (SDI 計劃的原始研究中心之一) 有一組人員已提出新奇的解決方案. 如果你在附近找不到恆星, 何不自己做一個?

  這聽起來甚至比喬迪˙拉福吉 [Geordi LaForge] 或百科曾向畢凱艦長提的任何建議 (或是領了太多國防部經費的研究小組樂昏頭而接下的計劃) 都更有野心. 但是從操作的觀點看來, 一顆星星不過就是空中的一個亮點而已 - 這要比真的造出一顆恆星容易多了. 勞倫斯˙利物摩的科學家們已經利用高能鈉原子雷射成功地做到這一點. 雷射光的強度足以造出穿透大氣層的一道光束. 大約在地表上空 30 公里處, 稀薄外層大氣中的鈉原子吸收這道雷射光並重新輻射出來. 瞧 - 空中有個亮點了! 看到加州利物摩夜空中的這些人造星光照片實在令人驚訝. 你可以看到狹窄而強力的雷射光升入空中; 然後光線隨著反射的大氣變稀而漸漸黯淡; 然後, 就在高空中鈉吸收並重新輻射出的亮光, 是顆黃紅色的 "星星".

  既然我們很清楚雷射光的初始條件, 以及它指向的位置, 我們就可以利用觀測所得的這些 "指南星" [guide stars] 的特性, 精準地抵銷大氣的效應. 因為雷射可以指向任何方向, 所以你想讓這些指南星離要觀察的星星多近就多近. 由此就能模擬真正恆星散射的光線, 探測黯淡物體的所在區域. 更重要的是, 你可以從背景干擾 (鄰近恆星散射的光芒) 中區別出任何行星的昏暗光線 (這些光線同樣也會受大氣干擾). 雖然聽起來很困難, 某些天文學家相信在 10 年之內 (如果全世界最大的, 夏威夷 [Hawaii] 的格克 [Keck] 10 公尺望遠鏡能裝配雷射指南星設備的話) 就可以直接觀測到類木行星的黯淡光芒. 我在凱斯西儲大學的一個同事, 葛倫˙史達克曼 [Glenn Starkman] 曾經替這個計劃附加一個技巧. 他提議先送上去一架能放出大汽球的衛星, 然後操縱汽球遮蔽周圍的星光, 將有助於進行行星研究.


  一旦直接觀測行星變為可能, 掃描生命訊號的構想也就變得不那麼遙不可及. 當然, 我們不會真的直接去尋找生命; 然而, 從觀測行星反射的光線, 我們可以獲知其大氣及地表的許多特性. NASA 已經將直接觀測太陽系外行星, 列為當局下世紀的主要目標之一. 建造下一代的太空望遠鏡有賴於哈伯太空望遠鏡 [Hubble Space Telescope] 的成功, 並得到優於地球上任何可能觀測的結果. 同時我也準備相信在下個世紀內, 我們可能會在宇宙中偵測到其他有機含水世界的存在.
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