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重返泰坦_参考网

重返泰坦

2019-03-29 06:12:24 大自然探索2019年3期

刘声远

蜻蜓无人机探测泰坦(想象图)。

它的天空是灰蒙蒙的橘红色,它的远方是一颗有环的巨行星。站在它的海岸上,你会看见哪怕一丝涟漪都没有的墨黑色海洋。

这里是克拉肯海。它位于泰坦(土卫六)的北极地区,面积达40万平方千米。作为土星最大的一颗卫星(土卫),泰坦距离太阳如此遥远,表面温度如此之低,以至于它的表面不可能存在液态水,当然也不存在支持地球生命那样的化学机制。然而,随着科学家对泰坦的奇异化学特性了解得越多,這个冰封世界反而越发成为在太阳系中寻找外星生命的最佳去处。美国行星学家萨拉指出,虽然有不少地方可能存在以水为根基的生命,但迄今已知可寻找别样生命(即不同于地球生命)的地方只有泰坦,而要想知道泰坦是否真的存在生命,就必须去那里看看。

虽然只是去“看看”,但实际上需要执行一次意气风发的大胆任务。这项眼下正在酝酿中的任务,就是发射一架装载感应器的无人机近距离探测泰坦,甚至时不时着陆泰坦,寻找生命迹象。

荷兰天文学家惠更斯在1655年首先发现泰坦,但科学家对泰坦的大部分了解都来自美国宇航局不久前的卡西尼任务。2005年,执行该任务的惠更斯探测器穿透泰坦云层,在泰坦表面登陆。登陆后它只工作了几小时,在失去与地球的联系之前,它向地球发回了350张模糊不清的图像和为数不多的数据。接下来10年里,卡西尼号飞船游弋在土星系统中,每次经过泰坦都发回非凡的图像。

尽管泰坦远离地球大约14亿千米,它看上去却与地球颇为相似。泰坦也有稠密大气层,只不过其中的含氧量很低。泰坦也有山脉,一些山峰高耸入云3300米。泰坦也有云层,季节性暴雨流进湖泊、海洋。像克拉肯海这样的泰坦大洋,就算从轨道中也看得见。事实上,泰坦是太阳系中除了地球外唯一已知在表面存在液体的地方。

由于泰坦表面温度从未高于-180℃,所以任何液态水都被冻结。泰坦上流动的是暗黑、油状的液态甲烷和乙烷,而这些物质在地球上通常是气体。含氮量很高的泰坦天空,产生多种含碳的有机化合物。在许多方面,泰坦都是地球在宇宙中的另一个版本。两者的相同特征不少,但化学过程迥异。

液态水对地球生命来说非常重要,因为水作为一种溶剂为化学反应提供了理想的介质,让分子在细胞内部和细胞之间的移动变得很容易。泰坦没有液态水,至少在其表面没有。可能存在的泰坦地下海洋,或许会通过偶尔的冰火山爆发喷出一些水。不时发生的小行星撞击,可能会让泰坦的一部分冰冻地表融化。即便这样,任何液态水在冻结前都不可能长时间与有机分子相互作用。

第二种生命

然而,生命可能以其他液体为根基。人体大部分都是水,但人体最有趣的部分——硬质部分是由有机化学过程决定的。虽然卡西尼号飞船在2017年故意撞向土星以避免污染土卫,但最新发现表明泰坦有很多被污染的风险,只不过不是被地球发射的飞行器污染。

2017年7月,由美国宇航局科学家帕尔默领导的一个团队报告了对智利阿尔玛望远镜群采集的数据进行深入分析的结果。这些望远镜最终将望向太阳系以外和遥远星系,但为了校准而首先对准泰坦。在此过程中,在此过程中,他们捕捉到了一种叫乙烯基氰的化合物的清晰标记。

在地球上,我们人工合成了一种乙烯基氰化合物叫丙烯腈,这种东西被用来制造纤维、橡胶和塑料,被广泛应用于从服装、汽车到包装的各种用途。但在泰坦冰冷的碳氢化合物湖泊里,乙烯基氰化合物可形成等同于地球生物细胞膜的结构。2015年进行的一项电脑模拟结果表明,在类似泰坦液体那样的极低温溶剂里,乙烯基氰化合物可能形成结实的可拉伸结构,其方式与地球上的脂质膜在室温水中的情况一样。还没有人通过在实验室中用乙烯基氰化合物制造膜来证实这一猜想。但考虑到泰坦表面乙烯基氰化合物的可能数量,科学家认为这一猜想成真的可能性很大。帕尔默团队估计,足够多的乙烯基氰化合物可能随降雨进入泰坦最大的海洋之一——丽姬亚海,从而在每立方厘米液体中形成多达300万只细胞膜。

欧空局计划2020年发射的泰坦水体探测气球(想象图)。

这让帕尔默团队对泰坦生命的憧憬多了一分坚定,但最大问题是,这些分子究竟能不能形成细胞膜。他们也不清楚:在泰坦环境中,DNA或蛋白质的对等物是什么?回答这个问题很重要,因为虽然细咆膜为生命提供保护,但在那些神秘时刻,尤其是生命首次出现的时刻,只有细胞膜的话是不够的。在地球上,活细胞还需要DNA之类的核酸来把遗传信息传递给下一代,还需要蛋白质进行自我复制,而这两种组分本身都需要由复杂大分子来构建。

对天体生物学家来说的一个好消息是,就在帕尔默团队宣布自己的发现之前两天,由英国科学家德赛领导的团队报告说,他们发现了泰坦大气层所含成分能形成所有大分子的首个证据。这一发现来自于卡西尼号在自己最后几次飞越泰坦大气上层期间采集的数据。卡西尼号辨识了之前很少被看到的一些物质——碳链阴离子。恒星形成于星际空间中的尘埃云。基于对这种尘埃云的观测,德赛团队知道碳链阴离子为更大、更复杂分子的形成充当催化剂。德赛认为,从这个意义上讲,碳链阴离子的存在或许表明泰坦上可能会怎样产生复杂有机物。

从大气顶层中的化学反应怎样变为泰坦表面油状海洋中可能存在的生命?这一问题的答案仍不明了。在最好的情况下,碳链阴离子有助于创制有机化合物大分子。这些分子飘落到泰坦表面,可能与前驱DNA和前驱蛋白质(或者它们在泰坦上的对等物)组合。

究竟是否這样不得而知。科学家甚至不了解在地球上化学反应如何创造生命,更不用说在碳氢化合物海洋中生命会怎样产生。而要回答这个问题,唯一方法是重返泰坦。美国女科学家图托说,可以说泰坦一直在进行着前驱生物化学实验,实验结果就摆在泰坦表面,等待我们去分析。

如果图托团队的方案得到认可,重返泰坦就指日可待。多年来,美国宇航局否决了多个重返泰坦的任务或提议,但在2017年12月,该局为图托领导的蜻蜓任务拨款400万美元。图托团队的构想是,发射一架先进的无人机探测泰坦表面,在重要地点登陆,目的是寻找生物前驱化学过程的迹象。

蜻蜓无人机坠落到泰坦表面(想象图)。

图托团队将使用这些资金来优化蜻蜓四旋翼无人机的设计,还将优化总体方案以图说服宇航局拨款8.5亿美元,用于“新地平线”计划(太阳系探测计划)的下一次任务。另一项竞争任务,是把欧空局罗塞塔探测器几年前造访过的67P彗星的样本带回地球。

无人机在空中飞行,其探测速度远远快于无人探测车(例如火星车),能采集更多、更好的数据。据估计,蜻蜓无人机在两年任务期中的探测距离可超过1000千米。为此,无人机将利用泰坦独特的大气条件。泰坦表面气压比地球高大约1.5倍,引力只有地球的大约14%,比月球引力还低。此外,泰坦表面几乎没有风。卡西尼号的观测表明,就算丽姬亚海有波浪,波峰也不到1毫米。由此看,泰坦很可能是太阳系中最适合飞行的地方。

没错,你自己都可能轻而易举在泰坦上飞起来。如果你够强壮,扇动双臂的频率也够,那么你无须系上翅膀就可能飞行。但由于泰坦表面温度很低,还很缺氧,所以你还需要穿上很保暖的宇航服,以及戴上吸氧器。

就算对于无人机来说,漫游一个遥远的含冰世界也依然面临诸多挑战。泰坦与太阳的距离是地球与太阳之间距离的几乎11倍,泰坦的浓密大气层阻挡了很多阳光,因此无人机不可能像火星车那样依靠太阳能运作。与任何远离太阳的飞行器一样,蜻蜓无人机必须携带自己的电源:一台放射性热电发生器,它利用钚238原子的衰变放热来发电。这一过程的发热量超过无人机为电池充电所需的热量,因此多出来的热量可用于保持机载电器和科学仪器不会冻结。

图托团队已经研发出蜻蜓无人机的雏形。它比最终版本小一些,而最终版本将与机遇号火星车大小相仿,差不多为1米高、几米宽。图托说,制造蜻蜓无人机的技术都是现成的,目前需要解决的只是工程问题。

但就算蜻蜓任务获准在2025年执行(发射),按计划5年后无人机抵达泰坦,也还有一个大问题摆在那儿:无人机去泰坦要寻找的究竟是什么?是的,它要寻找泰坦生命潜在构筑单元的不同架构。然而,尽管最近对于泰坦有一系列激动人心的发现,科学家却依然远远不清楚泰坦生命的类别。

放射性热电发生器。

新标准

去泰坦,是否就是为了寻找与地球微生物相似、只是化学组成不同的微生物?很可能不会这么简单。科学家几乎能肯定:当蜻蜓无人机降落在泰坦表面时,不会有小动物被吓跑。但他们也担忧:我们费那么大劲去泰坦寻找生命,会不会到时候却与泰坦生命擦肩而过?

图托等科学家认为,难点在于寻找模式。非生物过程倾向于产生丰度相对不同的许多种复杂分子,而生命倾向于选择性消耗和产生种类不算很多的分子。例如,地球上大多数动物都只吸入氧,呼出二氧化碳。因此,为了寻找泰坦生命,重点可放在寻找化合物丰度模式上。虽然模式并不能证明生命,但模式的确是一个值得考虑的因素。寻找泰坦生命,就需要考虑尽可能多的因素。

科学家仍然不清楚自己要寻找的模式是哪些,但只要无人机在泰坦发现生命迹象,科学家就会把它们与地球生命指征进行比对。如果两者相似,就可能表明生命在两个不同地方以同样方式起源。那么,生命就可能起源于某处,然后传播到太阳系其他地方,例如地球和泰坦。

但是,如果泰坦模式与地球模式不同,那就会证明生命在两个不同世界上各自有独立起源。如果仅在太阳系中生命就发生过至少两次,那就意味着生命随时随地都可能出现。换句话说,外星生命甚至外星人并不稀罕。

想到这一点,就很容易理解为什么泰坦会成为如此诱人的目的地。要想知道化学反应怎样在地球上导致生命,以及在什么条件下生命火花会溅到太阳系其他地方,泰坦都是最好的实验室。另一方面,要想回答这些深奥问题,我们可能去到的地方为数不多,而泰坦是其中之一。

如果蜻蜓无人机的旅程最终揭示水和其他地球组分并非是生物学必需的成分,那么科学家就必须以全新视角来看待太阳系之外无比恢宏的世界。那些被雾霭笼罩、曾被以为是不毛之地的系外(太阳系之外的)行星,可能将散发奇异、绝妙的生命光辉。

(责任编辑 程辉)

地球与泰坦

泰坦是太阳系中除地球外唯一在表面存在液体的地方。但地球和泰坦之间的差异也很大,这意味着如果泰坦存在生命,其性质也与地球生命迥异。

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