研究综述

[天体生物学概貌]

(本文为AstroLeaks正式稿件第一篇,由于Wordpress服务在注册用户上有一些限制,我们不能随意添加用户,所以暂时由Astroleaks管理帐号代发;特别感谢为创作本文付出了辛勤努力的许偲艺同学)

标题: 天体生物学概貌
作者: 许偲艺 (UCLA)

背景介绍:


fig1

Fig.1: 我们的家–暗淡蓝点

相信大家对上图都不会很陌生, 这是Voyager 1(旅行者一号,目前已经进入星际空间)在1990年, 离我们6,100,000,000千米之外, 对地球深情地凝望瞬间所拍下的照片. Carl Sagan说地球不过是个Pale Blue Dot (暗淡蓝点,参考Carl Sagan的同名畅销科普书), 在宇宙中平凡无奇. 可正是这一个小小的点, 就是我们的家, 就是我们的一切, 所有的存在. 到底在茫茫宇宙中人类是否有还有知音? 是不是真的有上帝之手创造了人类? 地球看起来是如此的渺小, 但是在宇宙中是独一无二的吗? 这些都是天体生物学所试图回答的问题.

1998年, NASA正式建立了Astrobiology Institute(NAI, 1996年公布在ALH84001陨石中找到可能的地外生命化石痕迹的就是这个机构), 之后陆陆续续地在一些大学和研究所成立了分机构来扩大研究范围. 到底什么样的学科算是天体生物学的? 我觉得可以简单理解为是”找外星人”的一门学科. 正是因为这样的一个定义, 也引来了不少争议, 有些人觉得这门学科只是扯淡, 说着很多形而上学的东西, 而没有对astrobiologist (天体生物学家)给予足够的尊重. 本文就只是以我的理解, 简单说一下我眼中的天体生物学, 各个分支的主要研究方向以及交叉点. 至于这些研究到底扯淡与否, 就留读者斟酌了.

1. 天体生物学中的天文学:

地外行星系统 (Extrasolar Planetary System)

让我们从最熟悉的天文说起. 天文学家很早就预言了地外行星的存在, 一方面是根据恒星形成的理论,一个恒星系统中总会有一些剩下来的材料来形成行星. 另外行星占有一个系统中大部分的角动量, 拿太阳系来说, 太阳占总质量的99.9%, 可是太阳的角动量只占整个太阳系的不到2%, 木星却占了一大部分. 但直到1992年, 第一颗地外行星才被发现, 并且它是绕着一颗脉冲星转的, 行星居然能在如此恶劣地情况下生存着很让人惊奇. 之后地外行星的数量就以指数的形式增加, 现在已经有531颗确认的地外行星了.

之所以花了这么久的时间才找到地外行星, 最主要的原因是: (1) 我们需要高动态范围( high dynamical range, HDR), 行星的亮度比恒星低很多, 如何在一堆噪音中间找出行星是个大问题; (2) 我们需要很高的角分辨率( High angular resolution), 特别是如果我们想找和地球类似的行星, 行星离恒星的距离相对会很近, 我们就需要很高的角分辨率. 因此我们最先想到的是一些间接的办法, 如视向速度方法(Radio Velocity:RV), 掩星方法(Transits). 天文学家用这些方法找到了很多的”热木星(hot Jupiter)”, 就是木星大小的天体在离恒星很近的地方转悠, 由于方法的限制不可避免地产生了很多选择效应(selection effect). 这些系统与我们所熟知的太阳系有很大的不同, 也对行星形成理论提出了挑战. 现在认为这些热木星是在远离恒星的地方形成, 然后通过某种迁移过程( type II migration)慢慢迁移进去的. 此外, 近几年通过微引力透镜( micronlensing) 和直接成像技术(direct imaging)也发现几颗地外行星, 下面这幅图是不同方法的比较.


fig2

Fig.2: 部分已经发现的系外行星系统的参数分布,图中字母表示出太阳系各行星的位置,V:金星, E:地球, J:木星, S:土星, U:天王星, N: 海王星。本图出自:astroph:1002.0332

图中蓝色的三角是通过掩星发现的系外行星系统, 红色的是是RV, 绿色的是微引力透镜, 紫色的是直接成像.(本图来自astroph1002.0332) 右图把横坐标改成了温度, 我们可以看到RV, 掩星对雪线(Snow Line: 水冰可以形成的最小半径)之内的行星比较敏感, 而微引力透镜, 直接成像则更有利于观测雪线之外的行星, 因而更有希望找到在宜居带(Habitable Zone)里的行星. 目前我们对宜居带的定义是行星表面能有液态水存在.

尽管直接照相的方法有很多困难, 仍然有几颗行星被直接成像了, 这要借助于一些巧妙的办法,例如加一个星冕仪(Coronagraph)把恒星的光挡住 (像第一颗直接成像的地外行星绘架座的Fomalhaut, 就是用的HST/ACS), 另外的有Extreme Adaptive Optics(为寻找系外行星量身定制的自适应光学), Angular Differential Imaging (ADI)等. 因为恒星的量度远远大于行星的亮度, 相对来说在红外波段行星会更亮一点, 例如HR8799的行星系统就是这么发现的.

现在随着地外行星的数量越来越多, 人们已经不满足于仅仅找到地外行星, 大家还想更多的信息. 最容易得到的就是mass-radius关系, 由此可以得到行星的平均密度, 再根据状态方程可以得到一些行星内部的组成.

太阳系(Solar System)

这一部分可以算是行星科学(Planetary Science)的研究范围, 因为太阳系本身就是一个行星系统, 可以提供给我们很多信息. 但是, 我们并不清楚太阳系到底有多”特别”或者”多不特别”呢? 以下仅列3个小问题:

  • (1) 太阳系中各大行星的轨道都和圆形很接近, 偏心率很小, 最大的是水星, 0.2 (唉,可怜的冥王星), 但就目前所发现的地外行星而言, 偏心率大小不一, 这说明太阳系很特别吗?
  • (2) 大部分的行星科学家都认同太阳系中有一段浑沌时期, 称为Late Heavy Bombardment(LHB), 大约是在38到41亿年前, 在这段时间有很多小行星, 彗星进入了内太系部, 月球上大部分的陨石坑也是在这一时间形成的. 著名的尼斯模型(Nice Model,Nice是法国地名,不是英语单词) 很好地解释了这一过程, 由于角动量的交换, 气态巨行星向外迁移的同时, 小行星则向内迁移,并且造就了太阳系现在这幅构型, 在其它行星系统中是不是也有LHB存在呢?
  • (3) 太阳系中有3个尘埃带: 小行星带(asteroid belt), 柯伊伯带天体 (Kuiper belt), 和奥尔特云(Oort Cloud) (很可惜, 尼斯模型没有能解释Oort云的形成, 不过每种理论都有它的局限性吧). 在地外行星中是否也存在这些尘埃带呢? 标准的Oort云形成理论说, 每形成一个被太阳系引力束缚的彗星,会有另外50个彗星被“踢出”太阳系外, 可是实际上我们并没有看到星际空间里应该游荡着很多彗星呢? 这么说我们太阳系是不是有过多数量的彗星存在?

天文学在天体生物学里面的分支还远不止以上所说的这些, 例如说行星形成理论, 行星的磁场, 大气, 恒星风对行星的影响, 在这里不一一列举了.

2. 天体生物学中的生物学:

什么是生命(Life)?

下面说这个故事的第二个方面, 生物部分. 最基本的问题是, 到底什么是生命(Life)呢? 我们总说我们在找地外生命(Extraterrestrial Life), 在找的到底是什么呢? 我想没有人能真的给生命下一下严格的定义吧, 但是生命应该都有以下这些特质:

  • (1) 能够自我复制 (capable of reproducing itself)
  • (2) 能够进行化学反应和合成过程 (can carry out chemical reactions and synthesis)
  • (3) 能够利用周围环境中的能量驱动化学过程 (can harness energy from the environment to drive these chemical processes)
  • (4) 可以通过变异自然选择进化 (capable of Darwinian evolution by mutation and natural selection)

大家最关心的就是在太阳系内的其它行星及地外行上寻找生命迹象(Biosignature), 到底怎样的迹象才算是生命迹象呢? 简单的说,可以通过下面这三个“维度”来考虑:

  • (1) 能源 (Energy). 热力学第二定律告诉我们世界的无序度总是增加的, 我们需要利用外在的能量来保持自身与周围环境处在不平衡状态. 所以基本的能来源是至关重要的. 就地球上而言, 万物生长靠太阳.
  • (2) 营养 (Nutrition). 就像人类需要食物, 植物需要二氧化碳来进行光合作用一样, 生命需要一定的营养来维持自身的发展.
  • (3) 溶剂 (Solution). 人体内很多化学反应都是在溶液中发生的, 溶剂本身对许多化学反应有调节的作用. 分子间主要有3种作用力: 静电力, 范德瓦尔斯力, 和溶剂与分子间的作用力. 对生物系统来说, 范德瓦尔斯力在量级上远小于其它2种力. 水是一种很好的溶剂, 之所以水对生命如此重要, 是因为水分子有一些很特别的性质. 最重要的一点是水能在很多情况下保持稳定的状态, 另外水是极性分子, 所以对NaCl以及其它极性分子有很好的溶解性. 此外, 氧元素是地球上最丰富的元素, 氢元素又是宇宙中最丰富的元素, 所以水分子作为溶剂广范存在是很水道渠成的事情. 但是在其它行星系统中也会这样吗? 水是否是必须的溶剂呢? 至少目前看来, 水是最优的. 像液氨等其它极性分子, 只在一些特定的情况下才能保持稳定的化学性质, 之后随温度的变化反应速度是指数递减的.

嗜极菌(Extremophile)

如果说我们在上面已经定义了生命的维度, 现在各种各样的新的生物的发现却一次又一次挑战着生命的极限. 例如说在伸手不见五指,冰冷又高压的海底, 有很多热水流火山口(Hydrothermal Vent), 周围就聚集了各种各样的生物. 曾经一度认为”太阳是提供能源的唯一方式”, 现在在海底发现的各种系统提出了”地热”也是另外一种最基本的供能方式. 从地球内部冒出来的高温的水遇到周围冷的海水, 慢慢沉淀, 形成了一个烟囱的形状, 根据不同的组成被称为黑烟或者白烟(black smoke/white smoke). 不要小看这么一个小小的系统, 一条完整的食物链了可以在这周围形成. 最奇特的是一些化学自养的细菌(Chemo-autotrophic Bacteria), 它们能利用一些巨毒的含硫元素的化合物来生成一些有机元素, 供其它生物食用. 这个过程叫做化学合成(Chemosynthesis), 和地球上的植物在光合作用(Photosynthesis)相对应. 现在在大西洋, 太平洋上都发现了热水流火山口的存在, 天体生物学家正在对这些地方进行深入的研究, 因为他们中很多人认为地球上最早的生命就应该是在这样的环境下产生的.

演化生物学(Evolutionary Biology)

另外, 在我看来, 生物中一个很有意思的分支是研究进化论的. 生命的第4个特质是“能够发生达尔文式的进化”, 什么样的是达尔文式的进化呢? 在这个过程中间, 我学到的很重要的一点是”人类真的不比猿猴更高级”, 40亿年来, 我们所传承的DNA的分子结构都是一样的. 在教科书里面我们经常看见人类的变迁史, 如果注意一下, 这个终点总是一个”白人男性”, 相信大家都知道这是谁画的了. 这个所谓进化就是向更高级更复杂的方向发展其实是前达尔文时期的(pre-Darwinian)观点, 是亚里士多德最早提出的. Darwin所谓的”进化”不过就是一些基因的改变, 而且它背后的驱动是一种中性的改变(Neutral Change). 所有我们今天能见到的生物在这个层面上都是平等的, 没有所谓的高等低等之说.

3. 天体生物学中的地质学:

虽然天体生物学中间没有地质学这个词, 但是它对整个天体生物学的贡献却不可忽视. 因为地球本身就是很多理论最佳的试验场所, 此外, 大家所热衷关注的, 都是想找类地行星, 这难免有点太自我为中心, 但确实, 地球是目前我们唯一知道有生命存在的天体.

地球的基本结构

我们都知道地球分成地壳, 地幔, 地核, 地球上最丰富的元素是O, Fe, Si, Mg, 并且它们并不是在地球中均匀分布的, 地球表面主要是硅酸盐, 地幔中是融化了的岩石, 里面富含 Si, Mg, 而高温高压的地核中主要是Fe和Ni. 说得宏观一点我们人类也不过是宇宙中的一粒尘埃, 宇宙中有的元素我们人类身上都有, 这本身就是一件很奇妙的事情吧. 可是, 再更进一步的说, 我们周围的环境地球的主要成份都是一些难挥发物质(Refractory), 碳元素之类的挥发性物质(Volatile)在整个地球中的含量微不足道. 尽管我们周围都是以碳为基础的生物, 我们每天都要摄入很多的碳水化合物, 但实际上地球是一个“碳沙漠”。也许在另外一个星球上, 会有以Si为基础的单位, 然后一切条件都会改变了吧 (变形金刚?).

可是从另外一个方面讲, 地球上或者根本就不应该有挥发性物质存在. 因为标准的行星形成理论是说, 地球是当时的温度在1200K到1300K之间, O, Si, Fe, Mg 在这个温度范围内凝结, 所以就是地球最主要的组成部分. 在这么高的温度下, 所以的挥发性物质应该早就成气体跑掉了, 所以地球本身不应该有任何挥发性物质存在, 它们都是在地球形成之后, 通过一些其它的方式得到的, 称为后增薄层(Late Veneer). 由此就有人说是彗星, 小行星等带来了地球上大部分的水和其它挥发性元素.

此外, 我们在太阳系中也没有找到其它与地球组成相类似的天体, 下图是地表岩石的组成和太阳系中陨石, 火星上的陨石的主要成份的比较 (图片来自Drake & Righter 2002), 我们可以看到它们各自占据着不同的位置, 没有陨石和地球上的石头组成类似. 有一种解释是说地球在形成的时候聚集了1AU距离内所有的元素, 所以没有多余的元素进入其它的天体了.


fig3

Fig.3: 地球上岩石与太阳系中陨石的化学元素丰度比。本图出自:astroph1002.0332 Drake & Righter 2002

此外, 图中 E, H+L, CI, CM, CO, CV是不同的陨石类型. 我们可以看到没有所谓的”平均太阳系组成”, 这些陨石应该是行星形成之后所剩下的多余的”星际尘埃”, 它们应该代表了太阳系最原始的组成, 可是即便这样它们的主要元素比差别也很大.

大海啊大海

说到地球就不得不说海洋, 正是因为海洋的存在地球才成为了暗淡蓝点, 生命也可能起源于海洋中. 很可惜的是我们并不知道地球中到底有多少水存在, 不同的估计给出的数值说Bulk Silicate Earth(BSE) (就是地壳加地幔)中可能有1.6-3.2个海洋质量的水存在( 对学天文的我来说, 数量级上差不多了, 但是那些海洋学家们仍对此孜孜不倦地工作). 此外还有人说地核中可能有也会含有很多氢元素, 但目前我们还无从拷证. 如果换算成质量比, 和太阳系中其它陨石比较, BSE中的氢元素含量其实很低, 所以其实地球是相对很”干”的.

此外, 之前也已经提过, 地球本身应该是不含有任何挥发性物质的, 也不应该有水存在, 那这么多的水是从哪里来的呢? 是从彗星上得到的? 小行星带上得到的? 还是地球上本身的一些化学反应形成的? 一个重要的探测方法是测量不同地方水的D/H(氘/氢)比例, 如果和地球上的值相符合, 就可以认为这是地球上水的重要来源. 因此我们需要找到地球上最原始的水(Primordial Water), 可以通过海洋钻探计划(Ocean Drilling Program: DOP), 或者一些primordial outgassing来得到最原始的组成. 当然, 很有可能这些不同的过程都给地球提供了水.

另外, 地球上还有各种板块运动(Plate Tectonics), 形成了高山低谷, 形态万千的地貌, 有些都有利于生物的多样性发展. 地壳运动是否发生主要取决于行星的质量, 地球差不多是个临界点. 所以类似地球的行星上应该也会有板块运动.

结束语:

以上仅仅为天体生物学这一处于高速发展中的交叉学科的一个概貌,虽然还远远未到成熟,但天体生物学已经渐渐的作为一门严肃的科学进入天文学前沿的行列,在刚刚结束的美国天文学会2010年的十年巡礼中,天体生物学中一个主要的方向:系外行星探测研究已经被列为了未来天体物理学前沿的三大支柱之一。希望在不远的将来,天体生物学家可以在茫茫的宇宙中,帮助我们人类逐渐寻找到关于我们自身起源的答案,甚至是我们在宇宙中的新伙伴。

延伸阅读:

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讨论

12 thoughts on “[天体生物学概貌]

  1. 这篇文章概括的十分精炼啊!尽管稍微有点科普,但是很值得一读!~

    Posted by Leonardo | 五月 3, 2011, 7:45 下午
  2. astroph1002.0332里面好像没有Fig3这个图?

    Posted by astrolemei | 五月 3, 2011, 6:11 下午
  3. 天文学的原动力之一终于走上正轨。。。。

    Posted by rainman1988 | 五月 3, 2011, 10:07 上午
  4. 赞!想起以前学校王老师当时介绍用空间干涉望远镜拍摄太阳系外行星大气反射光谱,估计它们表面是否有绿洲之类的设想了。感觉有机会介绍一下诸如此类的设想和以后改领域可能的突破/发展方向(如技术层面的),会更有趣一些~ 挺好!

    Posted by astroski | 五月 3, 2011, 12:28 上午
  5. “没有在星际空间中看到很多彗星”, 这是否可能因为探测彗星大部分是靠太阳光的反射, 而现阶段仪器灵敏度不够, 不足以观测到较远的(甚至太阳系外, 星际空间中的)彗星?

    溶剂的重要性, 是否在于在液态状态下(相比气态和固态), 分子化学反应最为频繁剧烈?

    地球大气, 是否和海洋类似, 是生命的产生/发展/进化的必要条件?

    Posted by ZhiyuZhang | 五月 2, 2011, 9:09 下午
    • 许同学最近很忙,估计没时间来回答问题了,关于彗星的那个,我编辑的时候也有问题,想了很久也没想出来什么特别好的方法确定“星际空间”中的彗星,WISE这样的红外项目似乎有潜力,但我也不确定

      Posted by Song Huang | 五月 3, 2011, 9:29 上午
  6. 很感兴趣,但是看不懂

    Posted by bxcrng7 | 五月 2, 2011, 8:16 下午
  7. 终于等到了介绍天体生物学的文章,以前一直觉得很有趣,但一直没有机会仔细了解,lz写得真的很详细啊,大赞啊!
    感觉天体生物学的交叉性还是不是很明显啊,属于天文学的部分应该都属于行星科学了啊,跟其余生物,地质部分联系不是很大啊。
    很好奇是不是有中国学生在做这个方向的,不知道lz是否认识在做这个方向的学长学姐呢?

    Posted by 水星泡泡龙 | 五月 2, 2011, 6:09 下午
    • 感谢你的回复,不过作者本人估计没时间来答疑了,我还真不了解国内这个领域的发展情况,但是我们确实有很多学生在出国深造后选择系外行星为自己的研究方向,这个方向的研究的整体趋势是非常看好的

      Posted by Song Huang | 五月 3, 2011, 9:32 上午

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