【探索18-5】發現生命起源?探勘外太陽系的地下海洋

卡西尼號。圖片來源:維基百科

講師|中央大學天文所專案教授 葉永烜
彙整撰文|游伊甄

地球之外,什麼地方還存在生命,哪裡還有第二個地球?這個問題總是能夠引發人們的好奇。中央大學天文研究所教授葉永烜曾經執行ESA(歐盟太空總署)跟NASA(美國太空總署)合作的卡西尼土星任務,他要帶領大家一起探索地球以及外太陽系。

「我們在太陽系之中,還找不到別的星球有飛鳥、有高等生物。到底生命如何起源呢?」葉永烜教授指出,尋找外星生命的第一步是瞭解地球的各種生態系,才有準確和足夠的資料能夠去推測什麼樣的環境和條件,有可能孕育生命。

●黑煙囪:不需要陽光的生態系

1970年代,科學界對於如何解釋地球的板塊運動,仍然眾說紛紜。因此,海洋地質學亦成為顯學。美國的海洋學家開著海軍移轉給學術使用的深海潛水器阿爾文號(DSV Alvin),透過攝影機探索在中大西洋山脊。當時對海底生態圈一無所知的科學家們,預期在完全沒有陽光的深海中一定沒有生物的存在。

1977年,科學家在海底發現「黑煙囪」(Black Smokers),釋放出大量的氫氣、甲烷、硫磺跟礦物,類似於地面上的溫泉。在噴氣口附近的細菌利用水岩作用的化學能量,不需要太陽光的光合作用就能夠攝取能量而生存。

「黑煙囪」(Black Smokers),高溫達幾百度的岩漿,衝到很冷的深海,溫度梯度的落差,產生很有趣的物理化學過程,在生命起源扮演重要的角色。吃硫磺的微生物、管蟲、蝦子、魚、螃蟹,在黑煙囪周邊地區之內形成食物鏈。這大大地擴張了人類對於生命起源的認知,知道地球除了利用光合作用攝取能量的「日光族」生物圈外,還存在一個龐大的「化能」生物圈。這也衍生出太空任務相當重要的題目。

●就在太陽系中,發現比地球更大的海洋

發現黑煙囪的同一年,航行者一號、二號成功發射,這兩個太空船的任務也改變人類對太陽系的認知。航行者號實地觀測木星、土星、天王星、海王星等外行星發現,除了地球之外,其他星體擁有更大的海洋。

以星球大小跟海洋水分的體積比例來說,地球海洋平均深度為2到3公里,比例只佔一點點(2%)。太陽系最大的海洋不在地球,而在外太陽系的冰質衛星,像是木星的衛星木衛二(Europa)和土衛二(Enceladus)等等都擁有地下海洋。

●新近探測目標:木衛二

木星的衛星木衛二(Europa),從隕石坑密度推估,是冰殼表面只有1到2億年齡,表示在那時候它的表面還可能佈滿液態水,汪洋一片。伽利略號繞木星運行所傳送回來的資料,發現木衛二表面有很多兩邊高、中間深的裂溝構造(三重帶)條狀物,其中部份呈週期性的半圓軌道痕跡。

科學家認為,這是受到木星潮汐作用,日復一日地被拉扯又縫合,裂縫底下由地下海洋帶上來的物質日益堆疊,久而久之就形成長帶裂溝。那麼木衛二的冰層有多厚呢?地質學家多認為冰殼厚度超過100公里。

但在2014年和2016年,從太空望遠鏡觀測到木衛二可能有噴氣現象,因此部份冰殼的厚度可能不到幾公里,NASA認為是重要發現。近期更批准歐羅巴快艇任務,基本上不降落、不繞行, 只在表面近距離飛越觀測,主要目的是勘察木衛二的冰殼表面、地下海洋和內部構造,測量大氣,並且分析噴氣現象的化學組成成份,希望從中可以印證地下海洋中有無生物圈的存在。

●擁有上百噴泉的土衛二

由於卡西尼計畫長達14年的科學觀察,人類對於土星的瞭解比木星更多。葉教授指出,對土衛二的南極地區的噴氣活動是卡西任務最重要的發現,這個冰質衛星(Enceladus)不大,不到木衛二的1/5。它半邊都是隕石坑,半邊則非常平滑,反射率很高,存在許多冰層。一般認為,土衛二擁有全球性的地下海洋,星體的核心是岩石,冰殼的平均厚度為40到60公里。

科學家並且發現,在土衛二南極附近的老虎紋位置有奇怪的現象。這裡溫度偏高,有大量氣體和冰粒子噴出。測量氣體密度跟成份,發現水的氣體含有微量的一氧化碳、二氧化碳、甲烷以及一些高質量的分子。沿著老虎紋位置,總共有上百個小型噴泉。這些從土衛二南極噴泉湧出的大量塵粒,在土衛二的軌道形成E環。

卡西尼號從不同方向飛越老虎紋,以測量數據用於瞭解噴流現象泉。科羅拉多大學大氣的空間物理實驗室的科學家許翔聞是帶電塵埃動力學專家,他分析卡西尼號塵埃粒子實驗的測量數據,發現矽石粉塵。卡西尼號任務的後期,太空船作一次極近距離觀測土衛二,從100公里遠,拉近到25公里觀測,發現有大量的氫氣噴出。推論是土衛二地下海洋也存在,跟地球海洋中黑煙囪的水岩作用以及水熱反應一樣的現象。

NASA和歐空局(ESA)合作,耗資39億美金的卡西尼號功成身退,最後指令是飛進土星大氣層燃燒殆盡。

演講聽眾對於如何發現生命都相當地好奇,有人提問:目前有計畫從土星系統拿樣品回來地球嗎?葉教授回應,規劃是登陸土衛二,在當地做採樣分析,不一定要帶樣品回來。

至於,如何計算冰殼厚度?葉教授則幽默地說到:「科學家有時會有點偏見。地質學家和天體動力學家都從各自的專業建立假說。」未來,不同領域的科學家們也將繼續用爭論加合作的方式,不斷地修正我們對於宇宙的理解,「我們將持續發現太陽系外的黑社會。」

 

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本文整理自:106/11/25 由葉永烜 老師在臺大思亮館國際會議廳所主講之「揭發外太陽系的黑社會」演講內容。

 

 

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