水世界适合居住吗?

看起来星系中充满了浸泡在水中的世界,但科学家们对于那里的生命是会成功还是失败存在分歧

黄石国家公园的温泉。

大约39光年之外,朝向宝瓶座的方向,有一颗行星拥有一个全球海洋,其深度足以淹没陆地。在那颗水世界的任何地方航行,你都永远不会在地平线上看到山脉、丘陵甚至海滩,只有深蓝色的潮汐。而且这颗行星并非孤例。一项针对围绕TRAPPIST-1运行的系外行星新分析——2017年的一项研究估计这些行星的大小、质量和成分都与地球大致相同——表明七个世界中的四个实际上都浸泡在水中。其中两个的质量超过50%是水,另外两个的质量不到15%(这仍然比地球湿得多,地球的水含量不到0.1%)。更重要的是:多条证据表明,水世界可能在宇宙中普遍存在。

这听起来可能是个好消息。毕竟,无论我们在地球上的哪里发现水——无论是黄石公园的酸性水池还是冰冻冰川中的裂缝——我们都能找到生命。这种相关性非常强,以至于美国宇航局在寻找我们淡蓝色星球之外的生命时,采用了“追随水”的口号。但是,这些潮湿的世界引发了一场关于多少水才算过多的激烈辩论。

以TRAPPIST-1系统内的第五颗行星为例。坦佩市亚利桑那州立大学的行星地质学家凯门·翁特伯恩和他的同事认为,这里的液态水向下延伸约200公里——大约是地球马里亚纳海沟深度的20倍。如此多的水会在海洋底部形成一个巨大的冰层,这将把海洋与陆地隔绝开来,并有效地关闭一个对地球适居性起关键作用的地球化学循环。


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在我们的星球上,二氧化碳可以在大气和地幔之间移动,以保持温和的气候,即使大气条件发生变化。例如,太阳光度的缓慢增加被大气中二氧化碳分子数量的减少所抵消,因为越来越多的二氧化碳被储存在地球深处。这种“碳硅循环”是一种平衡行为,许多科学家认为这对长期适居性至关重要。但是在水世界中,这个循环可能是不可能的。

然而,一些科学家仍然对这些行星上的生命持乐观态度——只要他们抛弃以地球为中心的视角。“水世界不仅仅是一个我们倒了水的地球,它是一个不同的行星,没有理由认为它的地质会与我们的地球相同,”日本宇宙航空研究开发机构(JAXA)位于东京的天文学家伊丽莎白·塔斯克说。这样的世界可能有自己调节温度的方式。

例如,最近的两项研究表明,二氧化碳仍然可以在这些世界上移动——尽管方式大相径庭,并且无法深入行星的地幔。例如,东京工业大学的拉姆斯·拉米雷斯和哈佛-史密森天体物理学中心的阿米特·列维认为,温室气体可以在深海冰层和大气层之间来回转移。芝加哥大学的埃德温·凯特和宾夕法尼亚州立大学的埃里克·福特提出的另一个想法是,二氧化碳可以简单地在海洋和大气层之间来回转移。在这里,海洋的巨大体积实际上是有益的,因为它提供了一个巨大的储库来容纳过量的二氧化碳。事实上,他们的模型表明,10%到25%的水世界可以拥有持续超过十亿年的宜居地表温度——这足以让简单的生物出现并有可能进化成复杂的生命。

但是,充满如此多水的世界给生命带来了其他障碍。例如,冰层使得生物体更难从岩石中刮取磷(DNA的骨干)等营养物质,这可能会从一开始就阻止生命的出现。“你有一个温带行星,如果我们降落在上面,也许我们不会沸腾或冻结,而且我们会有大量的水——但就是没有足够的营养物质来真正启动生命,”塔斯克说。翁特伯恩也同意天文学家应该将目光投向更干燥的世界。然而,其他科学家认为生命会找到出路。例如,凯特认为,营养物质可能来自令人惊讶的来源,例如小行星撞击。列维则认为,生命甚至可能在这些水世界的冰盖上积聚的水中形成。

“我从这个项目中得到的启示是,从地球类比出发工作是不够充分的,”凯特说,他承认这个结论具有讽刺意味,因为他受过地质学方面的训练。“我热爱岩石和地球历史,但你真的需要从基础物理学和化学入手,而不是依赖地球的类比来解决系外行星问题。”当宇航员必须决定用詹姆斯·韦伯太空望远镜等大型望远镜进一步评估哪些单独的世界,或者当他们必须在未来探测数百个世界的任务和详细研究少数几个地球克隆体的任务之间做出选择时,这种考虑将非常重要。但是目前还没有达成共识。“我认为仅仅用地球思维来思考一切可能是危险的,”拉米雷斯说。“你可能会错过其他可能性。”

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