120光年外的“生命信号”：科学家为何对K2-18b云云期待?

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自古以来，人类便仰望星空，不断追问宇宙中是否存在其他生命。近年来，随着数千颗系外行星（即太阳系外的行星）连续被发现，这个问题逐渐从哲学猜想变化为严谨的科学研究。近日，在众多的系外行星中，一颗名为K2-18b的行星成为了天文学界关注的焦点。



K2-18b想象图。来源/NASA

英国剑桥大学的天体物理团队近日在《天体物理学报通讯》（The Astrophysical Journal Letters，ApJL）发表了一项重要研究，文章标题为《New Constraints on DMS and DMDS in the Atmosphere of K2-18 b from JWST MIRI（利用JWST中红外仪器对K2-18b大气中二甲基硫(DMS)和二甲基二硫（DMDS）的新观测限制）》。他们利用韦布太空望远镜（JWST）对行星K2-18b的大气再次进行了深入探测，首次确认了甲烷和二氧化碳的存在。此外，他们还探测到了二甲基硫和二甲基二硫等特殊化合物。在地球情况中，这些物质通常是海洋中的浮游植物等微生物在生命运动中产生的，因而被科学家普遍视为大概的生命运动标记。



《利用JWST中红外仪器对K2-18b大气中二甲基硫(DMS)和二甲基二硫（DMDS）的新观测限制》原文。来源/ApJL





/K2-18b
是一颗怎样的行星？


行星K2-18b于2015年由NASA的开普勒太空望远镜（Kepler Space Telescope）在其第二个阶段的观测任务K2任务期间首次发现，而且是属于第18个恒星系统里的第一颗确认的系外行星，所以被命名为K2-18b。这个行星是一颗围绕红矮星K2-18运行的系外行星，距离地球约120光年，位于狮子座方向。其行星的质量约为地球的8倍，半径约为地球的2.6倍 。这样的尺寸使其归类为“超等地球”行星，也就是大小介于地球和海王星之间，但我们的太阳系中其实并没有这种类型的行星 。K2-18b的公转周期约33天，轨道处于其恒星的宜居带内 。“宜居带”意味着行星接收到的恒星光照强度适中，理论上外貌温度既不至于让水完全蒸发也不至于彻底冰冻，有大概存在液态水 。


与地球相比，K2-18b有显著的差异。首先，它围绕一颗红矮星运行。红矮星的质量和光度都比太阳小很多，恒星K2-18的半径只有太阳的约45%，外貌温度约3457开尔文，比太阳更冷、更暗 。由于恒星较暗，行星K2-18b必要离恒星更近才能获得与地球相当的热量，因此它的一年（轨道周期）仅约地球的一个月长。云云近的轨道也意味着K2-18b大概被潮汐锁定——一面始终朝向恒星，另一面永夜，这将造成地球上不曾有的极端昼夜情况差异。这一点和距离我们太阳系最近的比邻星系统非常相似。




K2-18b轨道示意图。来源/NASA


其次，行星K2-18b的构成和情况与地球大不雷同。地球是岩质行星，半径和质量较小，拥有稀薄的大气（以氮气和氧气为主），海洋占到地球外貌的71%。而K2-18b更大更重，引力更强，据估计其内部大概有厚厚的高压冰岩石层，就像缩小版的海王星内部那样 。它的大气层预计富含氢和氦等轻质气体，属于氢丰富大气。科学家推测在这种行星外貌下方，大概存在一个全球性的深厚海洋，被厚厚的大气覆盖——这类行星被称为“Hycean星球”，该名称由“Hydrogen”（氢）和“Ocean”（海洋）两个英文单词组合而成，即拥有氢气大气和广袤海洋的行星。如果K2-18b拥有海洋，其外貌的均匀温度大概与地球接近 ；但也有研究指出，由于其大气中大概产生强烈的温室效应，加上恒星照射不匀称，海洋大概处于“地狱般炽热”的状态，并不适宜已知形式的生命生存 。因此，尽管K2-18b与地球在获取恒星能量方面相当，但它的具体情况条件大概更加极端复杂，和我们熟知的雷同于地球的宜居行星差异很大。


值得注意的是，超等地球类行星在银河系中相当常见，是目前发现最多的系外行星类型之一。K2-18b作为一颗位于宜居带内的超等地球，非常独特且重要，因为它为科学家提供了研究这类陌生行星的大气和潜在宜居性的绝佳机会。






/关于外星生命的证据


K2-18b之所以引发关注，不仅仅是因为它在宜居带中，更是因为科学家在其大气中发现了大概与生命运动有关的化学迹象。我们来简单简单看一下行星K2-18b大气的研究进程。


早在2019年，来自英国伦敦大学学院（University College London，UCL）的研究团队利用哈勃太空望远镜（Hubble Space Telescope，HST）对系外行星K2-18b进行了观测，首次在其大气中探测到水蒸气的光谱特性。这项研究成果发表在《自然天文学》（Nature Astronomy）期刊上，论文题为《Water vapour in the atmosphere of the habitable-zone eight-Earth-mass planet K2-18 b（宜居带内八倍地球质量行星K2-18b大气中的水蒸气）》。这是首次在位于恒星宜居带内的系外行星大气中检测到水蒸气，为K2-18b成为“潜在宜居”候选体提供了重要依据。


真正令人瞩目的进展则来自于英国剑桥大学的研究团队。在2023年JWST对K2-18b的观测中，他们在行星K2-18b的大气中首次明确探测到甲烷（CH）和二氧化碳（CO）这两种含碳分子。这种甲烷和二氧化碳含量高而氨含量偏低的组合，暗示该行星大概是一个被氢气大气覆盖的“Hycean”型海洋天下，即拥有氢丰富大气和潜在全球性水体的行星（此次观测的文章标题为《Carbon-bearing Molecules in a Possible Hycean Atmosphere大概在“Hycean”型大气中的含碳分子》）。此外，研究中还提到了大概存在的二甲基硫迹象，这是一种在地球上主要由海洋微生物产生的化合物，大概是生命运动的标记。然而，二甲基硫的信号仍需进一步观测和分析以确认其存在，这就有了这次的观测。不过这些发现为我们明白系外行星的大气构成和潜在宜居性提供了重要线索。




K2-18b大气成分示意图。来源/NASA


而这一次的观测结果则是更激动人心，JWST还检测到了薄弱但关键的信号：二甲基硫醚。在地球上，二甲基硫醚险些完全由海洋浮游植物等生物运动产生。此外，研究团队还报告大概存在另一种与生命运动相关的气体：二甲基二硫。若这些分子得以确认，将成为迄今为止地外生命的最强线索。


不过这些迹象仍非确凿证据。目前JWST观测到的二甲基硫醚信号尚未达到科学界公认的5σ置信度，必要进一步观测排除误差大概。若后续研究确认高浓度二甲基硫醚的存在，则非生命过程很难解释，意味着K2-18b或存在持续的生物运动。






/K2-18b会是首个确认
存在生命的行星吗？


科学家形容：这是“迄今最强烈的系外生命迹象”，未来一两年进一步的观测尤为重要。如果K2-18b上检测到的二甲基硫醚平分子最终被证实来源于生命运动，那么其意义将是革命性的。这将意味着人类在茫茫宇宙中第一次找到了地球以外生命存在的有力证据，K2-18b也将成为首个生命存在的系外天下。


科学界对这一远景既兴奋又谨慎。兴奋的是，我们或许不久就能解答“我们是否孤独”这一难题——正如研究职员所说，这大概是一个“临界点”，让我们有本领答复宇宙中是否存在其他生命 。谨慎的是，即便确认了这些生物标记气体，我们仍需排除所有大概的非生命过程，并进一步了解K2-18b的情况，以确保不存在其他解释误导了我们。例如，有些科学家指出K2-18b大概情况极端，海洋温度过高甚至大概没有海洋，从而不利于生命 ；也有人提醒此前在K2-18b上有关水的发现一度存在争议，告诫我们在宣布“发现生命”前必须保持严谨 。因此，K2-18b能否成为“首例”，取决于未来几年持续的观测和研究结果。如果JWST再花上几十个小时的观测时间将二甲基硫醚的证据提升到5σ的显著水平 ，并且没有发现其他非生物合成二甲基硫醚的途径，那科学界或将认定：在距今120光年的那片氢海洋里，确实有某种外星微生物在繁衍生息。






/科学家如何
寻找和确认地外生命？


K2-18b这次观测结果很是激动人心，而它的研究反映了当今寻找地外生命的方法。总结一下，现在科学家们主要使用以下几种途径：


1.大气光谱分析：
当行星经过恒星前方时，恒星光穿过其大气层，科学家通过太空望远镜（如JWST）或大型地面望远镜分析这些光谱，辨识气体成分。如果氧气、甲烷、臭氧、一氧化二氮等气体同时大量存在，且无法简单解释，就大概是生命迹象。K2-18b探测到甲烷、二氧化碳以及潜在的二甲基硫醚，就是利用了该方法。中国科学院国家天文台和国内一些单位拟共同推动的HABITATS (HABItable Terrestrial planetary ATmospheric Surveyor) 空间项目，旨在通过长时间、多波段观测，获得各类行星尤其是岩石类行星的光谱，研究大气温度结构和构成，搜寻生命信号，寻找宇宙中新的绿洲和栖息地。




JWST示意图。来源/NASA


2.直接成像与光谱：
科学家偶然能直接拍摄遥远行星的薄弱光点，并进行光谱分析。目前此法适用于较亮的大型年轻行星。未来新型太空望远镜（如美国规划中的LUVOIR）将有望直接观测类地行星，寻找生命迹象。


3.射电信号搜寻：
科学家使用射电望远镜搜寻大概由智慧文明发出的无线电信号，如闻名的“SETI计划”。前一段时间，美国加州大学伯克利分校SETI研究中心的Dan Werthimer教授在国家天文台做了SETI计划的进展报告。当然还有突破聆听计划（Breakthrough Initiatives）也是做雷同的项目。不过总的结论是目前尚无确定发现任何外星生命的痕迹。如果探测到非自然规律的电磁信号，将成为外星智慧生命存在的重要证据。


4.天体取样与探测：
在太阳系内，直接着陆取样是确认生命最可靠的方法。如火星探测车分析岩石中的微生物痕迹，未来任务计划钻探木星和土星卫星的冰层以寻找生命迹象。但对系外行星，我们只能依靠遥测手段，因此光谱分析目前仍是探索K2-18b等遥远星球生命迹象的唯一可行方法。






/非碳基生命的猜想


当前地外生命探索大多集中在雷同地球的碳基生命，即以碳为骨架、依靠液态水为溶剂的生命体系。但科学界也提出了其他形式的生命大概：


1.硅基生命：硅与碳同族，能形成四键，也大概构造复杂分子结构。一些科学家猜测硅或能在高温情况下取代碳，构成生命的基础，利用硅烷代替碳氢化合物，并大概排出二氧化硅（沙子）为废物。但硅基化学在水中并不稳定，且硅-硅键形成的化合物多样性远逊于碳。目前尚无证据表明硅基生命存在，但这一假设拓宽了生命定义的边界。各人知道，在过去几年，以硅为主的人工智能技术快速发展以来，引发了不少人对人类未来的担忧甚至恐惧。有些观点以为，随着人工智能渐渐变得比人类更高效、更精准，它大概逐渐取代人类在社会中的角色，甚至最终逾越人类，成为地球上的新主导力量。


2.氨基生命：在低温星球上液态水难以长期存在，而液氨（NH）可在-78°C保持液态，或能替代水成为生命介质。一些学者以为，在土星卫星泰坦等寒冷星体上，生命或可利用液态氨或甲烷/乙烷混合液进行代谢运动。这类生命的新陈代谢机制大概与地球生物大相径庭，释放出氮化物或其他难以识别的特性气体。


3.其他大概性：此外，科学家还推测了更多奇特的生命形式，如以甲烷为溶剂的超低温生命、生活在浓硫酸云中的生命（如金星大气层假说）。不过这些假想目前大多仍为理论构想，尚无法通过人类现有技术验证。






/猜测与结语


对K2-18b的研究无疑大大推进了我们探索地外生命的步伐。过去，科学家主要将眼光集中在类地岩石行星上，希望找到下一个“地球2.0”。而K2-18b的发现表明，即使是大小和情况迥异于地球的星球（如富含氢的大洋天下），也大概孕育出生命的曙光。这促使我们在未来的探索中拓宽视野，不局限于一类行星。正如研究团队所言，我们正迈入一个新阶段：利用新一代望远镜的高灵敏度，我们终于有本领窥伺遥远行星的大气构成，寻找那象征生命的化学线索 。


如果K2-18b的后续观测最终确认了生命存在的证据，那将是人类科学史上最巨大的发现之一；即使没有发现，它依然不会让人灰心，反而为科学提供了名贵的经验和教训。可以预见，在未来的日子里，更多的系外行星（无论是类地行星还是Hycean海洋行星）将被仔细审视，我们对宇宙中生命的认识将不断被刷新。K2-18b只是一个开始。怀抱着好奇与谦卑，我们将在星辰大海中继续寻找答案：宇宙中另一个生命之所。期待地球之外生命的早日发现。


作者简介/

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苟利军，中国科学院国家天文台研究员，中国科学院大学天文学教授。《中国国家天文》杂志执行总编，北京天文学会副理事长。主要研究爱好为高能天体物理。曾获得中国国家优秀科普图书奖、国家图书馆文津奖以及天下优秀科普微视频一等奖等奖项。


来源：https://view.inews.qq.com/k/20250425A04M4900
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