它始於許多發現的開端——某人腦海中一絲好奇的念頭。那個人就是天文學家和科普作家卡爾·薩根。引起好奇的是美國宇航局的伽利略號宇宙飛船的軌道，它於1989年10月發射，是第一個繞木星執行的探測器。結果是30年前本週發表在《自然》雜誌上的一篇論文，該論文改變了科學家們對尋找其他行星生命的想法。
這個機會源於一場悲慘的事故。在伽利略號發射近四年前的1986年1月，太空梭挑戰者號在升空後不久爆炸，奪走了七條生命。美國國家航空航天局取消了使用另一艘太空梭上的液燃料火箭將伽利略號快速送往木星的計劃。取而代之的是，探測器從軌道太空梭上更溫和地釋放出來，任務工程師讓它繞金星和地球進行 SlingShot 運動，以便它可以獲得引力助推，從而將其彈射到木星。
1990年12月8日，伽利略號計劃掠過地球，距離地表僅960公里。這絲好奇變成了薩根不得不撓的癢處。他說服美國國家航空航天局將宇宙飛船的儀器對準我們的星球。由此產生的論文題為《從伽利略號宇宙飛船上搜尋地球上的生命》。
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外面的視角
我們處於獨特的地位，知道地球上存在生命。在我們對生命可能繁榮發展的環境知之甚少的時候，用我們自己的家園來測試我們是否可以遠端辨別這一點，在當時是一個非凡的建議。“這幾乎就像一篇論文中包裹著的科幻小說，”美國國家航空航天局華盛頓特區總部天體生物學戰略高階科學家大衛·格林斯蓬說。“讓我們想象一下，我們是第一次看到地球。”
與此同時，在太陽系其他地方尋找生命的探索也處於低潮。20世紀60年代和70年代美國和蘇聯的機器人任務表明，金星——曾經被認為是奇異生物的天堂——在其濃密的二氧化碳雲層下熱得像地獄一樣。火星，佈滿了天文學家想象中的“灌溉渠”，似乎是一片貧瘠的荒地。1990年，沒有人知道木星的衛星木衛二上存在埋藏的海洋——伽利略號後來做出的發現——或者土星的衛星土衛二上存在埋藏的海洋，這兩顆衛星現在都被視為潛在的地外生命搖籃。
至關重要的是，薩根和他的合作者對生命的探測採取了刻意不可知論的態度，康奈爾大學卡爾·薩根研究所所長、天體生物學家麗莎·卡爾特內格說。“他當然想找到生命，每個科學家都想，”她說。“但他說，讓我們接受這個願望，甚至更加謹慎——因為我們想要找到它。”用論文中的話說，生命的存在是對伽利略觀測到的現象進行解釋的“最後手段的假設”。
但即使透過這種懷疑主義的面紗，宇宙飛船還是有所收穫。伽利略號飛越澳大利亞和南極洲上空時獲得的高解析度影像並未顯示出文明的跡象。儘管如此，伽利略號還是測量了地球大氣層中的氧氣和甲烷，後者的比例表明生物體帶來了不平衡。它發現從地球反射的陽光的紅外光譜中存在陡峭的懸崖，這是一種獨特的“紅邊”，表明植被的存在。它還接收到來自地表的無線電傳輸，這些傳輸被調節得好像是人為設計的一樣。“可以有力地證明，這些訊號是由地球上的一種智慧生命形式產生的，”薩根的團隊厚顏無恥地寫道。
強大的對照
卡爾·齊梅利斯，現任《自然》雜誌首席物理科學編輯，以一名新手編輯的身份處理了這篇論文。他說這仍然是他最喜歡的論文之一——也是最難發表的論文之一。編輯部對這篇論文的批准遠非一致，因為它顯然沒有描述任何新事物。但是，根據齊梅利斯的說法，這在很大程度上不是重點。“對於當時沒有多少人關注的事情來說，這是一個非常強大的對照實驗，”他說。
“雖然答案是已知的，但它深刻地改變了我們思考答案的方式，”卡爾特內格說。只有退後一步，將地球視為像其他行星一樣的行星——也許孕育著生命，也許沒有——研究人員才能開始真正瞭解我們在宇宙中的位置以及其他地方存在生命的可能性，她說。
鑑於伽利略號飛掠地球以來的發展，這一點具有了新的重要性。1990年，除了太陽之外，沒有已知行星繞其他恆星執行。又過了兩年，天文學家才最終報告了第一顆圍繞被稱為脈衝星的旋轉死亡恆星執行的“系外行星”，又過了三年，他們才發現了第一顆圍繞類太陽恆星飛馬座51執行的系外行星。今天，科學家們已經知道超過5500顆系外行星，其中很少有看起來像太陽系中的任何東西。它們的範圍從具有奇異地質的“超級地球”和具有氣體大氣層的“迷你海王星”到“熱木星”，即圍繞其熾熱恆星高速旋轉的巨大行星。
當薩根和他的同事將伽利略號對準地球時，他們發明了一個科學框架，用於尋找這些其他世界上的生命跡象——這個框架滲透到了此後每一次尋找生物特徵的過程中。卡爾特內格仍然將薩根的論文交給她的學生，向他們展示這是如何完成的。她告訴他們，生命是最後的，而不是第一個要得出的推論，當在另一顆行星上看到不尋常的東西時。非凡的主張需要非凡的證據。
生命的正確組合
隨著科學家們正站在詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）可能具有革命性，甚至可能是令人困惑的重大發現的邊緣，這一教訓在今天可能再重要不過了。該望遠鏡剛剛開始對數十顆系外行星的大氣層進行遠端探測，尋找與伽利略號在地球大氣層中發現的同類化學不平衡現象。它已經開始發現可能誤導科學家和公眾的生物特徵的早期跡象。
例如，JWST 已經在至少一顆行星的大氣層中嗅探到了甲烷。這種氣體是地球上生命的有力標誌，但它也可能來自火山，不需要生命。氧氣引起了科學家的注意，因為地球上大部分氧氣是由生命產生的，但它也可以透過光分解水或二氧化碳分子形成。找到甲烷和氧氣的正確組合可能表明另一顆行星上存在生命——但那個世界需要位於溫帶區域，既不太熱也不太冷。卡爾特內格說，在適宜生命的環境中獲得維持生命的成分的正確組合具有挑戰性。
其他有趣的混合大氣氣體也是如此。就在上個月，天文學家在篩選 JWST 資料時報告說，在被稱為 K2-18 b 的大型系外行星的大氣層中發現了甲烷和二氧化碳。他們認為這顆行星可能擁有覆蓋其表面的海洋，並暗示探測到了二甲基硫醚的誘人跡象，這種化合物在地球上來自浮游植物和其他生物。
頭條新聞滿天飛，新聞報道稱 K2-18 b 上可能存在生命跡象。先別管二甲基硫醚的存在報告的可信度不高，需要進一步驗證。也別管實際上沒有在該行星上探測到水。而且，即使存在水，它也可能存在於如此深的海洋中，以至於扼殺了所有可能維持溫帶大氣層的地質活動。
建立證據
諸如此類的挑戰促使美國國家航空航天局前首席科學家吉姆·格林在 2021 年提出了一個框架，用於報告地球以外生命存在的證據。例如，從一到七的漸進尺度可以幫助傳達特定發現中生命證據的級別，他認為。也許您收到了一個可能由生物活動產生的訊號——那在尺度上只是一。您需要完成更多步驟，例如排除汙染並獲得該訊號強度的獨立證據，然後才能達到 7 級並證明真正發現了地球以外的生命。
這可能需要很長時間。望遠鏡可能會嗅探到有趣的分子，科學家們會對此進行爭論。可能會建造另一臺望遠鏡來研究觀測的背景。每一塊證據磚都必須放在另一塊之上，每一層砂漿都必須透過許多科學家的論證、懷疑和不可知論混合在一起。這是假設另一個世界上的生命類似於地球上的生命——這是從伽利略觀測結果中得出的結論的基礎。“不確定性可能會持續數年或數十年，”格林斯蓬說。1996 年去世的薩根會喜歡它的。
在伽利略號觀測地球的同一年，薩根說服美國國家航空航天局將另一艘宇宙飛船指向該機構原本沒有計劃的方向。當旅行者1號飛掠海王星駛出太陽系時，它將相機轉回地球，拍攝了一個微小的光點，在陽光下閃閃發光。這就是標誌性的“暗淡藍點”影像，它啟發薩根在他1994年的著作《暗淡藍點》中沉思：“那就在這裡。那是家園。那是我們。”
那個脆弱的閃光畫素重塑了人類對自己在宇宙中位置的視覺化。卡爾特內格說，使用伽利略號尋找地球上的生命也是如此：“這就是我們如何利用我們的暗淡藍點為尋找其他行星上的生命提供模板。”
本文經許可轉載，並於 首次發表 於 2023 年 10 月 16 日。