K2-18b發現生命跡象？詹姆斯·韋伯望遠鏡發現了什麼？

在浩瀚的宇宙中,每個恆星系統都像一張彩票。 每當一顆新恆星形成時,都有可能形成行星, 包括可能存在的岩石行星,甚至與地球大小相似的行星。 這些行星上也有可能出現合適的條件, 包括合適的化學元素組合,能量來源以及穩定且適合生命存在的環境, 從而產生能夠代謝資源並自我複製的分子。 這些分子也可能隨着時間的推移而生存繁衍, 最終形成能夠進化並改變行星自身環境的生命。 雖然我們可以確定地球是這場宇宙彩票的幸運之一, 但很可能還有許多其他行星也中獎了, 包括那些與地球截然不同的星球。 就在不久前,天文學家剛剛宣佈了一條令人震撼的消息, 他們可能在太陽系之外的一顆行星上發現了生命存在的跡象。 這顆遙遠的世界名叫K2-18b, 它距離我們大約124光年,位於獅子座方向。 那麼問題來了,我們說的生命到底指的是什麼? 是科幻電影裏那種綠色小人, 還是長着觸手類似章魚的外星生物? 很遺憾,也很現實,並不是那樣的生命形式。 儘管目前還沒有人找到第二個確切存在生命的行星, 但最近一項令人振奮的發現聲稱我們已經非常接近了, 在系外行星K2-18b的大氣層中發現了 根據這項研究的作者,這些分子存在於一顆海洋行星上, 這顆行星擁有一個北清和氦氣體包圍的全球性海洋, 有機分子被帶到高層大氣中, 這些有機分子不僅包括甲烷,還包括DMS或DMDS, 他們聲稱這些分子在地球上只能通過生物過程產生, 並且在近紅外和中紅外波段都能觀測到, 其顯著性約爲3,sigma, 這意味着這僅僅是偶然的概率只有約0.3%, 因此,這或許是迄今爲止發現的太陽系外生命存在的最有力, 最令人興奮的證據。 這是一個大膽的論斷, 由劍橋大學的一個研究小組提出, 不幸的是,這項論斷的幾乎所有方面都幾乎肯定是錯誤的, 你已經聽到了這些炒作, 現在讓我們來了解一下其中的科學真相。 K2-18B的故事可以追溯到2015年, 當時這顆系外行星首次被發現, 對K2數據進行系統搜索, 尋找靈日行星, 結果發現了36顆行星候選體, 它們靈日於31顆恆星之前, 其中包括圍繞紅矮星K2-18運行的行星K2-18B。 K2-18的質量約爲太陽質量的一半, 但其固有亮度僅爲太陽的2.3%, 而行星K2-18B的參數如下, 質量約爲地球質量的8.6倍, 或約爲海王星質量的一半, 半徑約爲地球半徑的2.6倍, 或約爲海王星半徑的三分之二, 繞其母星運行一週約需33天, 導致其平均溫度略低於水的冰點, 零下8攝氏度。 在開普勒和K2數據中發現的這類行星, 質量和半徑介於地球和海王星之間, 比其他任何尺寸或質量的行星都要多。 雖然它們最初都被稱爲超級地球, 但後續研究表明, 這些行星大多更像迷你海王星, 沒有岩石表面和稀薄的大氣層, 而是擁有厚厚的氫海包層。 只有當行星的質量低於約兩個地球質量, 半徑小於約1.4個地球半徑時, 它們才更像地球而不是海王星。 K2-18B的密度很低, 僅爲2.7克每立方米米, 不到地球這種岩石行星密度的一半。 考慮到其巨大的質量和半徑, 以及較低的溫度, K2-18B幾乎可以肯定是一個寒冷的海王星世界, 而不是一個內地行星。 然而,2019年出現了一個令人震驚的說法, 利用哈勃太空望遠鏡的數據, 科學家們似乎在K2-18B行星的大氣層中 發現了與水蒸氣一致的特徵信號。 這是一個難以辨別的信號, 因爲K2-18B並非地球大小, 而是密度更低, 所以它必須有比地球物質稀薄得多的物質組成。 很快出現了兩種主要的可能性, 一個巨大,深邃的全球性海洋, 其物質輕且密度低, 或者一個巨大,深厚的大氣層。 主要由輕和氦組成, 這是所有氣體中最輕、最稀薄的。 在這顆系外行星的大氣層中確實發現了雲層, 但哈勃望遠鏡的觀測 集中在K2-18B紅外光譜的一個非常狹窄的波段。 這時我們能夠進行透射光譜分析, 幾畝恆星的光穿過系外行星的大氣層, 從而揭示其組成成分。 確實存在吸收特徵, 這些特徵似乎與水蒸汽一致。 然而,在非常狹窄的波長範圍內, 許多分子的特徵信號 有時被認爲是化學指紋, 看起來非常相似, 特別是在1.1至1.7微米波段, 水和甲烷的大氣特徵信號看起來極其相似。 隨後,2023年, JWST也利用其NIR SPEC和NIRIS儀器 對這顆行星進行了透射光譜觀測, 觀測波長範圍更廣, 從0.8微米一直延伸到5.0微米。 他們得出了確鑿的結論, 吸收光譜的分子不是水蒸汽, 而是甲烷。 這表明,關於這顆行星擁有全球液態水海洋的水世界 假說完全得不到數據的知識。 按照任何合理的標準, 這都應該算是塵埃落定了。 這顆行星不是水世界, 而是一個寒冷的內海王星世界, 就像海王星一樣。 海王星之所以呈藍色, 很大程度上是因爲其大氣層中富含甲烷。 此外,在大氣層中還發現了二氧化碳的痕跡, 但沒有水蒸氣、二氧化碳或氨的痕跡。 這促使研究人員探索了 K2-18B這顆行星的幾種概念結構。 一個擁有岩石表面的稀薄大氣層世界, 一個擁有全球水海洋的稀薄大氣層世界, 一個沒有表面, 只有超臨界氣體層的厚大氣層世界, 一個擁有液態硅酸鹽岩漿表面的厚大氣層世界, 以及一個擁有超臨界水海洋的深厚的 大氣層世界。 這似乎又重新提出了水世界假說。 雖然岩石世界的情景已被排除, 但其他幾種情景至少在一定程度上 與數據保持一致。 隨後,這股炒作熱潮席捲而來。 劍橋大學的尼庫·馬杜蘇丹領導的 一個研究團隊聲稱, 在詹姆斯·韋伯太空望遠近光譜的 長波部分,探測到了一種似乎是 二甲基硫磷的信號。 他們聲稱這種分子在地球上只能通過 生物過程產生。 確實,地球上的大多數二甲基硫磷石 由浮游植物和細菌產生的。 DMS是地球海洋中主要的有機硫形式。 但這種說法存在兩個問題。 雖然大多數人從未聽說過二甲基硫磷, 但它在我們地球上隨處可見。 那麼,這種化合物究竟是什麼? 它真的能證明地球之外存在生命嗎? 什麼是二甲基硫磷? 從化學角度來看, 二甲基硫磷由一個硫原子與兩個甲基 集團結合而成。 每個甲基集團包含一個碳原子和三個氫原子。 這種小分子具有極強的刺激性氣味。 所有這些含硫物質都非常難聞, 就像大蒜或臭雞蛋的味道。 地球上的二甲基硫磷是由海洋中的 微小浮游生物不斷產生的。 它從海洋上升到大氣層, 在大氣層中,每十一個分子中 大約有一個是二甲基硫磷。 一旦進入大氣層, 每個二甲基硫磷分子只能存在幾個小時, 最多大約一天, 之後就會在陽光和各種大氣化合物的作用下 發生反應而被分解。 布朗說,這個過程在地球表面 具有重要的科學意義, 因爲這些反應最終會產生被稱爲 氣溶膠的微小顆粒, 這些顆粒會形成雲, 因此二甲基硫磷是氣候模型和其他大氣科學研究中 需要理解的重要化合物。 由於地球大氣層中所有可檢測到的 二甲基硫磷都是由微生物產生的, 而且它分解得非常快, 因此科學家們長期以來一直認爲這種化合物 可能是一種所謂的生物特徵, 一種可以從遠處探測到的生命跡象, 存在於我們太陽系以外的其他行星上。 在地球上,它被認爲是一種 真正清晰、明確的生物特徵。 在近紅外,光譜部分探測到的DMS信號 非常非常微弱, 只有1,sigma的顯著性, 這意味着探測結果是偶然發生的概率大於30%。 在物理學和天文學的所有子領域, 1,sigma探測都被認爲是 未探測到任何信號, 這裏沒有觀察到任何有意義的信號。 雖然地球上的DMS可能主要來自 生物生成機制, 但它遍佈整個宇宙, 在這些環境中, 它完全是通過非生物途徑產生的。 人們在星際介質中發現了DMS, 包括銀河系中心的大分子云技嘉0.693-0.027。 早在1995年, 人們就在地球上的實驗室裏通過簡單的過程 發現了一種非生物合成DMS, 並且它可以在宇宙的其他地方通過 光化學反應產生。 人們還在彗星上發現了DMS, 包括著名的67P-Tuyamu-Gerasimenko彗星, 它是歐洲航天局羅塞塔任務的目標。 這一點很重要, 你不能簡單地說, 我們發現了這種氣體, 因此這個星球上存在產生這種氣體的生物活動。 早在2021年, 天體生物學界就舉辦了一次 關於生物特徵證據標準的研討會, 併發布了一份社區報告, 討論了負責任的證據標準, 並量化地宣佈發現生物特徵的7個不同自信度級別。 最低自信度級別是用於無法區分 不同情景的探測結果, 中等自信度級別是用於無法排除 非生物途徑的確定性探測結果。 要宣佈我們發現了生物特徵, 需要多個獨立、明確的分子特徵, 而這些分子特徵根本無法通過 非生物途徑產生。 正如幾天前發表在 美國國家科學院院刊上的一篇新論文 正確地提醒我們的那樣, 實用詹姆斯、韋伯太空望遠鏡 對岩石行星霍亞、海王星大小的系外行星 進行特徵描述是一項複雜的工作。 這時我們不再抱有找到確定的 靈丹妙藥式生物特徵氣體的想法。 事實上,JWST的結果 要求我們允許並行解釋, 而這些解釋可能要等到下一代天文臺 才能得到解決。 畢竟,現在有三個顯而易見的原因 讓我們對在像K2-18B這樣的 系外行星上發現, 生物特徵的說法持懷疑態度。 首先,被認爲是生物特徵的分子 並非僅由有機過程產生, 也由非生物過程產生。 化學反應在宇宙中無處不在, 包括在與地球環境截然不同的條件下, 而小分子尤其容易通過 非生物途徑產生, 尤其是在特殊條件下。 其次,這顆系外行星的內部結構 存在許多可能的模型, 每種模型都有不同的化學條件, 並對應着一組獨特的潛在大氣特徵。 你不能簡單地假設某個模型是正確的, 並據此解釋你的數據, 你必須區分不同的情景, 並獲取足夠的數據來區分它們。 最後,即使我們以非常高的自信度 發現了像DMS這樣的分子, 我們對它的光譜特徵也瞭解得不夠透徹, 無法確定我們沒有把它與其他物質混淆。 我們需要更顯著的證據 和更全面的模型, 才能確定二甲基流迷是否存在, 以及水世界假說是否是 與現有數據最吻合的解釋。 重要的是,我們之前已經發現了一些 與K2-18B具有相似特徵和性質的系外行星, 其中包括系外行星托爾-270D, 它也是一顆處於 接近地球溫度的迷你海王星。 它的大氣層中含有甲烷和二氧化碳, 但與K2-18B不同的是, 它的大氣層中也顯示出水蒸氣的跡象, 並且在統計學意義上 還檢測到了一些含硫化合物。 正如您在上面看到的, 關於其行星內部結構仍然存在 幾種可能的解釋, 這凸顯了從低質性度的探測結果中 得出關於行星整體性質, 甚至特定氣體化學指紋的確定性結論的難度。 所以,顯然, 我們從這件事中吸取了教訓, 天文學界沒有人會再做出 如此不負責任的聲明,對嗎? 這簡直是癡心妄想。 相反,最初聲稱在K2-18B大氣層中 發現二甲基硫磷的同一研究團隊, 又獲取了詹姆斯、 韋伯太空望遠鏡Miri光譜數據, 這本身是件好事。 然而,他們隨後發佈了一份 極其不負責任的新聞稿, 不僅重申了之前關於DMS的說法, 還誇大了其存在, 現在又加入了二甲基二硫磷的說法, 聲稱在K2-18B的光譜中發現了這些物質。 雖然有一篇相當嚴謹的科學論文 討論了這些說法, 但新聞稿以及馬杜蘇丹本人 在幾次採訪中的言論, 卻做出了一系列科學上站不住腳的聲明, 而這些聲明根本得不到數據的支持。 他們成功地獲得了這顆距離地球 124光年的靈日海王星狀 系外行星的Miri光譜, 這是一項了不起的成就, 也令人振奮地證明了詹姆斯、 即使在如此遙遠的距離上 也能對這類行星進行觀測。 這些數據足以排除該系外行星光譜平臺的可能性, 表明其大氣層中存在光譜特徵和氣體成分。 他們還探索了系外行星K2-18B 內部結構的一種尚未被排除的可能性, 即海洋行星模型, 並得出結論, 在這種模型下, 包含二氧化碳、甲烷 以及二甲基硫磷或二甲基二硫磷的大氣層, 模型比僅包含二氧化碳和甲烷的大氣層模型 更符合觀測數據, 但它們也存在一些不足之處, 它們沒有探索系外行星K2-18B 內部結構的其他仍然可能的模型, 包括具有厚厚大氣層且完全沒有表面, 或者在氣態大氣層下 方存在液態岩漿海洋的模型, 它們也沒有檢測如果存在岩漿海洋 與富含氫和氦的大氣層, 接觸時可能出現的特徵, 這些特徵包括硅、鎂和鋁等元素, 這些元素在富含岩漿的系外行星上 普遍存在,並且已被證明與僅包含碳, 但氧和氫等氫元素的化合物 具有截然不同的化學特徵, 相反,它們只檢測了包含這些元素 以及硫的化合物, 而沒有檢測其他元素, 正如您從上圖中可以看到的, 最大的問題在於它們研究了哪些物質, 又忽略了哪些物質, 誠然它們在論文中確定, 在三、SIGMA顯著性水平下, 數據支持存在DMS或DMDS, 而不是不存在DMS或DMDS的情況, 但這實際上是由於它們設計的測試方法 所導致的必然結果, 它們假設了一個水世界模型, 其中它們考慮的允許存在的化學物質 不包括任何在其他內部結構情景下 纔會出現的化學物質, 然後,它們僅使用它們選擇的模型中 允許存在的化學物質對數據進行自然分析, 接下來,它們創建了一個 它們稱之爲更簡單的模型, 其中它們移除了所有在腸中紅外波腸處 具有強吸收特徵的其他分子, 最後,它們比較了這些更簡單 模型類別中的可能存在DMS或DMDS的光譜 與可能不存在DMS或DMDS的光譜, 發現數據在三、SIGMA水平上 支持存在DMS或DMDS的光譜, 在科學界,或者實際上在任何地方, 這都叫做操縱測試。 它們基本上構建了一個模型, 其中唯一允許用來解釋一半光譜的 候選分子是DMS或DMDS, 然後得出結論說因此, 這顆系外行星的光譜中 一定存在DMS或DMDS。 正如Ryan McDonald博士所指出的, 如果您進行正確的統計分析, 該光譜中不存在DMS或DMDS的概率 約爲28%, 這相當於1SIGMA的探測自信度。 總之,我們仍在尋找地球以外 其他星球上生物特徵的第一個高質量證據, 但我們尚未找到。 如果我們誠實地看待K2-18b, 它是一顆寒冷得類似海王星的系外行星, 其大氣層中已確定存在甲烷和二氧化碳, 並且其內部結構仍然存在 幾種可能的解釋。 我們還可以說,利用詹姆斯·韋伯太空望遠鏡, 我們已經獲得了這顆系外行星 臨日時期大氣層的光譜數據, 並獲得了波長範圍 從0.8微米到約12微米的高質量數據, 這無疑是一個令人印象深刻的波長範圍。 但我們不能說的是, 我們發現了大氣層中存在 二甲基硫磷或二甲基二硫磷的顯著證據, 因爲我們並沒有發現。 我們確定它可能是一個水世界, 因爲其他情況至少同樣合理。 如果大氣層中存在DMS或DMDS, 這支持其分子物種的生物起源而非非生物起源。 雖然我們無疑會繼續使用 JWST及未來的望遠鏡獲取 臨日系外行星的光譜, 但重要的是要記住不要誇大我們對數據的解釋, 同時也要記住, 我們可以通過訪問我們太陽系中的寒冷海王星世界 來對其進行研究。 自20世紀80年代末旅行者 2號飛掠天王星和海王星以來, 我們還沒有向這兩顆行星發射過探測器, 而我們向這兩顆行星發射探測器的 最佳時機將在2034年到來。 如果我們想發現外星生命是否存在, 重要的是要儘可能全面嚴謹地進行探索, 而不是聽信那些 在數據尚未知識如此強有力的, 結論時就大聲疾呼, 過早做出肯定性斷言的人, 從而自欺欺人。