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系外行星K2-18b生命之謎再探

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這幅藝術概念圖展示的是系外行星K2-18b。它所顯示的生命跡象令科學界為之一振。但這些證據究竟有多強?圖像來源:NASA

每當科學家發布關于系外行星潛在生物跡象的新研究,后續報道便會如同漣漪般迅速擴散。主流媒體也往往迅速跟進,足見這一話題對公眾的吸引力。關于其他世界是否存在生命,這始終是一個引人入勝的問題。K2-18b正是最近引發熱議的例子。


科學的進展依賴一個堅守智識誠實的共同體,通過匯集、評估和討論證據來不斷推動認知。研究人員在同行評審期刊上發表論文,相互檢驗觀點、提出新問題、提供新證據。那句廣為引用的科學格言正適用于此:“非凡的主張,需要非凡的證據。”

自從有研究宣布在K2-18b的大氣中發現化學類生物跡象以來,一些后續研究對這一觀點提出了質疑。在劍橋大學Nikku Madhusudhan教授主導的研究中,報告稱在該行星的大氣中可能探測到了二甲基硫(DMS)和二甲基二硫(DMDS)。這兩種化合物在地球上主要由生命活動產生,因此被認為可能是生物存在的跡象。


“這是我們迄今為止掌握的最有力證據,外星生命或許真的存在。從現實角度來說,在接下來的一到兩年內,我們有可能確認這一跡象。”Madhusudhan在接受BBC采訪時表示。不過他也強調,研究團隊還需要進一步分析詹姆斯·韋布空間望遠鏡(JWST)在K2-18b大氣中探測到的信號。

這并不是Madhusudhan首次在K2-18b上發現可能的生命跡象。此前他與研究團隊發表的另一篇論文中,也報告在這顆行星的大氣中探測到了二氧化碳和甲烷的存在。


上圖展示的是通過JWST中紅外儀(MIRI)獲取的、位于宜居帶的系外行星 K2-18 b 的透射光譜。圖像背景是一幅藝術想象圖,描繪了一顆氫氣海洋行星環繞紅矮星運行的景象。光譜中隱約呈現出與二甲硫醚(DMS)和二甲二硫(DMDS)相關的特征線,令人頗感興奮,但其背后的成因仍然復雜……

圖片來源:A. Smith、N. Madhusudhan(劍橋大學)

關于K2-18b的最新回應來自一篇題為《K2-18 b大氣中DMS和DMDS證據不足——基于詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)近紅外成像儀和無縫光譜儀(NIRISS)、近紅外光譜儀(NIRSpec)和中紅外儀器(MIRI)觀測的聯合分析》的新論文。該論文的第一作者是芝加哥大學天文與天體物理系的Rafael Luque。文章已提交至《天文學與天體物理學》(Astronomy and Astrophysics)期刊,可在arxiv.org上獲取。

這篇論文也對Madhusudhan的最初結論提出了質疑。


“我們發現,現有數據的噪聲過大,無法為得出該結論提供充分證據,”Luque表示。“無論支持還是否定,目前證據都不夠確鑿。”

透過這一科學爭議的表層,也能看到科學研究的本質、JWST的能力邊界,以及當前系外行星研究中一些鮮少被主流媒體提及的限制。關鍵在于,像DMS這樣的分子信號,并非能輕易從數據中直接識別出來。

這顆行星離我們有124光年遠,問題就出在這里。盡管我們在天文學上經常聽到數萬光年甚至更遠,124光年也是相當遠的距離。JWST雖然功能異常強大,但也不是無所不能的。

JWST 只是不帶預設立場的收集數據,科學家使用這些模型來從這些數據中找到規律。這里有超多的模型,每一個都有它不同的優缺點。之前JWST 獲取的K2-18b的照片就很好的說明了這點。它以黃色點點顯示出的數據而模型中翻譯成了綠色,所以說不可能完全匹配。


正如研究的合著者Michael Zhang在一新聞中解釋道,在這種情況下,檢測DMS實際上意味著檢測碳和氫的跡象。“任何一個碳原子與三個氫原子結合的化合物,都會發出特定波長的信號,”他說,“二甲硫醚符合這個結構。但問題在于,有太多化合物也有這樣的組成,它們在韋布望遠鏡的數據里也會呈現相似的特征。所以,即使我們有了更高質量的數據,也很難斷定觀測到的就是二甲硫醚。”

諸如甲烷、乙烷、丙烷等有機化合物都含有碳和三個氫原子。甲胺、二甲醚以及許多其他化合物亦是如此。

乙烷之所以引起研究者關注,是因為它曾在海王星大氣中被檢測到,而海王星的環境可以明確排除生命存在。根據奧卡姆剃刀原理(即“如無必要,勿增實體”),我們應選擇最簡單的解釋。就此案例而言,乙烷或許就是對K2-18b大氣中DMS跡象的最簡明解釋。


二甲硫醚(左)和乙烷(右)都包含一個碳原子和三個氫原子,光看數據,很難分得清誰是誰。

“乙烷的化學結構跟DMS很像。”作者們寫道。他們解釋稱,乙烷是甲烷光解的常見產物,而且在其他研究中,它也是K2-18b的非生物光化學反應模擬中預測含量最高的碳氫化合物。

“在解釋大氣成分時,只有在排除了我們預期會存在于大氣中的分子之后,我們才應引入那些非常規分子,”該研究的合著者Caroline Piaulet-Ghorayeb表示。


針對K2-18b上二甲硫醚(DMS)探測的另一爭議焦點在于觀測數據的不足。Madhusudhan的論文僅基于一組觀測數據,而Luque團隊的新論文則納入了更多觀測數據,進行了更全面的分析。

“我們結合不同的數據處理方法與建模策略,同時對近紅外成像與無縫光譜儀(NIRISS)和近紅外光譜儀(NIRSpec)的觀測數據與中紅外儀器(MIRI)光譜進行聯合建模,以檢驗所提出的DMS/DMDS探測結果是否穩健,”作者寫道。

此外,他們指出,將JWST的歷史數據與最新數據結合分析后,DMS存在的可能性進一步被削弱。

“我們發現,其他常見的碳氫化合物也可以解釋前研究團隊誤判的DMS/DMDS光譜特征,本研究以乙烷(C?H?)為例進行了驗證,”結論中寫道。

為確證DMS的存在,JWST需對K2-18b開展持續數年的觀測。圖片來源:NASA。

研究團隊表示,為了獲得有統計意義的DMS光譜信號,JWST需要觀測26次K2-18b的凌日。然而,完成所需觀測或需逾6年時間。“受限于恒星在天空中的位置以及K2-18b較長的軌道周期,JWST每年僅能捕捉約4次凌日現象,”文中寫道。

K2-18b是一顆頗具研究價值的系外行星,但需要指出的是,其具體類型仍未確定。按質量來看,它屬于次海王星(sub-Neptune),但它也可能是一顆氫氣海洋行星(Hycean world),或是一顆不具備宜居表面的迷你海王星(mini-Neptune)。


我們都渴望明確的答案,但科學往往需要時間。如果未來真的能在太陽系之外發現生命,那將是人類歷史上具有決定性意義的時刻。圍繞K2-18b 的科學討論表明我們離這一目標還有距離,但也為我們指明了前進的方向。

“尋找系外生命是我們領域的核心命題。這正是我們研究這些行星的原因,”Luque 說。“我們在這方面已經取得了重大進展,不希望這些成果被過早的結論所掩蓋。”

BY:Evan Gough

FY:Astronomical volunteer team

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