地球之外的茫茫宇宙中是否還存在著其他有智慧或無智慧的生命？許多人相信答案是肯定的。然而從事科學(xué)研究，不能只憑想象和感覺，更要看重事實證據(jù)。尋找地外生命存在證據(jù)的工具是天文望遠(yuǎn)鏡。包括中國在內(nèi)的國際天文學(xué)界將聯(lián)手在美國夏威夷建造“三十米望遠(yuǎn)鏡”（TMT）。它將讓人類對宇宙的觀測水平提升一個數(shù)量級，促進(jìn)天文學(xué)領(lǐng)域的巨大進(jìn)步。應(yīng)用這一望遠(yuǎn)鏡，人類有望在20年內(nèi)知道，銀河系內(nèi)是否還有其他生命存在。

展示人類無知的完美方程式

如果可以俯瞰銀河系，你將看到一個有著致密銀心和多條旋臂的巨大螺旋盤面。據(jù)科學(xué)家估測，銀河系是一個直徑約10萬光年，中心厚度約為1.2萬光年的棒旋星系，擁有1000億到4000億顆恒星和大量的星團、星云，還有各種類型的星際氣體和星際塵埃。

我們賴以生存的太陽只是銀河系千億恒星中的一顆，在這樣廣袤的銀河系中，人類是孤獨存在的嗎？是否還有和我們一樣的智慧生命？1961年，美國國家射電天文臺的天文學(xué)家德拉克（Frank Donald Drake）提出了一個用以估算銀河系內(nèi)智慧文明數(shù)量的公式，即著名的德拉克公式。這個公式的一種等效寫法是：N=N*×fp×ne×fl×fi×fc×ft。

在這個公式中，N表示銀河系中可能與我們通信的文明的數(shù)量；N*代表銀河系內(nèi)恒星的數(shù)量，因為有恒星才能提供光照；fp代表恒星有行星的可能性，智慧生命不太可能生存在恒星的高溫之中，存在于行星上的可能性更大；ne代表這個恒星系統(tǒng)中，適合生命生長的宜居帶中行星的平均數(shù)；fl代表以上行星發(fā)展出生命的可能性；fi則代表著生命演化出智慧文明的可能性；fc代表著這種智慧文明具有和我們通信的能力的可能性；ft則代表著智慧文明整體存在時間在其恒星壽命中所占的比例，這是一個重要而難以捉摸的因子，文明能在多大程度上保持理性而不自毀？最樂觀與最悲觀的估計也許相差千萬倍。

德拉克公式并不是一個真正好的量化地外文明搜尋可能性的公式，但它給出了科學(xué)家在研究這一問題的過程中所必須考慮的主要概念。我們對這些因子的了解是如此之少，以至于這個公式被天文學(xué)家們稱為“展示人類無知的完美方程式”。旨在搜尋地外文明的SETI計劃尚未得到有意義的發(fā)現(xiàn)，人類發(fā)出的電波亦未得到回應(yīng)，即使在科技高度發(fā)展的今天，公式中的后三項參數(shù)也只能根據(jù)地球這個唯一樣本進(jìn)行猜測。天文學(xué)家另辟蹊徑，對前四項參數(shù)加以系統(tǒng)化的科學(xué)研究，探尋地外生命存在的可能。

如何尋找外星生命

對第一個參數(shù)即銀河系的恒星數(shù)目的估計已可精確到千億量級。生物的從無到有需要漫長的時間，一般認(rèn)為，只有類似于太陽這樣可穩(wěn)定燃燒數(shù)十億年的主序恒星周圍才可能產(chǎn)生生命。恒星演化的早期和晚期，環(huán)境遠(yuǎn)比科幻小說《三體》中描述的世界更加狂暴，生命即使產(chǎn)生也注定難以存續(xù)。

自1995年以來，天文學(xué)家已探測到1800顆圍繞類太陽恒星運轉(zhuǎn)的系外行星。隨著樣本的增大，系外行星系統(tǒng)形成理論不斷發(fā)展，對第二個參數(shù)即恒星擁有行星系統(tǒng)的概率的估計將越來越準(zhǔn)確。

那么，哪些行星存在生命的可能性更大呢？這就涉及宜居帶的概念。所謂宜居帶是指行星距離恒星遠(yuǎn)近合適的區(qū)域，在這一區(qū)域中，行星恰到好處地接受恒星的輻射，既不會太冷，也不會太熱。宜居帶的計算沒有完全統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，比如在太陽系中，對動植物而言，只有地球位于宜居帶上；而極端條件下的生物研究表明，對微生物而言，其宜居帶或許可以囊括整個太陽系。比較廣泛接受的宜居帶被定義在可以存在液態(tài)水的區(qū)間。由于液態(tài)水被認(rèn)為是生命生存所不可缺少的元素，因此如果一顆行星恰好落在這一范圍內(nèi)，那么它就有更大的機會擁有生命。此外，固體表面、能束縛住一定厚度的大氣層等要求，對行星的質(zhì)量和動力學(xué)提出了更多的要求，簡單來說：類似地球。

接下來，就是在這些位于宜居帶的類地行星上尋找生命存在的標(biāo)記物，比如氧氣——氧氣是很多反應(yīng)發(fā)生的必要條件和催化劑，特別是對于生命過程而言；比如葉綠素，假如行星表面存在大量綠色植物，則可見光將被大量吸收，其光譜就表現(xiàn)出在近紅外波段的突然上升，稱為“紅邊（red edge）”現(xiàn)象?？梢詾樯w防護紫外線的臭氧、有機分子甲烷等等的存在亦可作為旁證。

當(dāng)然，以上這些都是基于我們現(xiàn)有的知識來推斷的，也有可能最后證明是錯誤的。但無奈的是，我們只能沿著這條路往下走。

銀河系內(nèi)恒星之間的距離以光年計，最近的也在數(shù)光年之外。以我們現(xiàn)在的技術(shù)手段，還無法到其他恒星系統(tǒng)去“實地考察”。因此，尋找外星生命最有力的工具就是天文望遠(yuǎn)鏡。

TMT，或許將有劃時代的發(fā)現(xiàn)

按照工作波段不同，天文望遠(yuǎn)鏡可以分為伽馬射線望遠(yuǎn)鏡、X射線望遠(yuǎn)鏡、紫外望遠(yuǎn)鏡、光學(xué)望遠(yuǎn)鏡、紅外望遠(yuǎn)鏡、射電望遠(yuǎn)鏡等幾種。在全波段天文時代，光學(xué)/紅外波段因其信息最豐富，仍然是觀測中最基本、最核心的波段。

對地外生命的探測可分為兩步：第一步，是宜居類地行星的搜尋；第二步，是對搜尋到的樣本進(jìn)行直接觀測，尋找生命存在的標(biāo)記物。

當(dāng)今最有效的類地行星搜尋者是NASA發(fā)射的開普勒衛(wèi)星，但開普勒衛(wèi)星只能探測大小，不能確認(rèn)行星質(zhì)量，故其結(jié)果被稱為“候選體”。系外行星的搜尋和質(zhì)量確認(rèn)最常見的方法是視向速度法，即觀測行星繞恒星運轉(zhuǎn)所造成的恒星光譜視向速度周期性改變。對小質(zhì)量的宜居帶類地行星的探測當(dāng)前只能做到太陽附近的寥寥幾個樣本，而較遠(yuǎn)的開普勒候選體所需的高精度高靈敏的視向速度監(jiān)測當(dāng)前望遠(yuǎn)鏡還無法做到。

而對系外行星的直接觀測向望遠(yuǎn)鏡提出了更極端的挑戰(zhàn)。首先，行星距離其中心恒星很近，這就要求望遠(yuǎn)鏡有很高的空間分辨率，才能將兩個目標(biāo)分開。其次，在一個行星系統(tǒng)里，恒星很亮，而它的行星則要暗很多，我們從地球望過去，就好像在太陽旁邊找蠟燭。這就要求望遠(yuǎn)鏡能分辨對比度高達(dá)107—109的目標(biāo)。

由美國、加拿大、日本、中國、印度多國參與建造的下一代地基大型光學(xué)-紅外望遠(yuǎn)鏡TMT（Thirty Meter Telescope），在以上兩方面都將做出極大的建樹（當(dāng)然，它的能力將包括但絕不局限于系外行星探測）。TMT主鏡直徑為30米，由492塊六邊形鏡面拼接組成，巨大的主鏡意味著10倍于現(xiàn)行最大地面光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的集光面積／靈敏度。TMT集成了當(dāng)今世界上最先進(jìn)的望遠(yuǎn)鏡技術(shù)，它采用多顆激光導(dǎo)星組成星座自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)，其空間分辨率／圖像清晰度比哈勃太空望遠(yuǎn)鏡高10倍。

發(fā)現(xiàn)新行星，尤其是宜居帶類地行星的競賽，歸根結(jié)底是望遠(yuǎn)鏡集光能力、分辨率和測量精度之爭。在這些能力上，TMT比當(dāng)前最好的望遠(yuǎn)鏡也有高達(dá)一個量級的提升。30米的口徑，意味著TMT的探測深度比當(dāng)前最好的10米Keck望遠(yuǎn)鏡遠(yuǎn)3倍，也就是近30倍于Keck的空間探測范圍，必將極大地增加宜居帶類地行星的探測概率。在三大下一代地基望遠(yuǎn)鏡（TMT、GMT、E-ELT）中，TMT是唯一建在北半球的一個，是多普勒衛(wèi)星所發(fā)現(xiàn)的4000多顆類地行星候選體唯一和最好的后續(xù)觀測確認(rèn)者。

TMT計劃中的科學(xué)儀器PFI（Planet Formation Instrument）能夠同時滿足高分辨率和高對比度兩大條件，可以對行星系統(tǒng)內(nèi)區(qū)直接成像，來發(fā)現(xiàn)行星、直接觀測行星輻射并研究行星形成過程。

當(dāng)前對系外行星大氣的研究僅局限于幾個公轉(zhuǎn)周期小于10天的熱木星和屈指可數(shù)的熱超級地球。結(jié)合TMT的光學(xué)和紅外波段、高分辨率和大口徑，長周期低質(zhì)量的宜居類地行星的大氣觀測將成為可能。我們將能夠在行星光譜中尋找氧氣、水、臭氧、碳、二氧化物、甲烷、葉綠素“紅邊”現(xiàn)象等等生命存在的證據(jù)或者至少是生命可能產(chǎn)生的環(huán)境。

TMT將于今年在世界最好的觀測臺址之一——夏威夷莫納克亞山開工建設(shè)，預(yù)計2022年建成。在這一巨型國際合作科學(xué)工程中，中國將占有10%的份額，即約10億元人民幣。這些投入將主要以承擔(dān)光學(xué)系統(tǒng)、激光導(dǎo)星系統(tǒng)、科學(xué)儀器等TMT建設(shè)任務(wù)的“實物貢獻(xiàn)”模式，用于國內(nèi)相關(guān)研究院所的高技術(shù)研發(fā)。每一代天文望遠(yuǎn)鏡的出現(xiàn)都是當(dāng)時世界最高精尖技術(shù)的凝結(jié)。在建成分享對應(yīng)份額的觀測時間之前，我們將首先在技術(shù)上獲得收益。

隨著TMT的建成和觀測的積累，20年之內(nèi)，人類將很有可能回答銀河系中是否還存在其他生命的問題。但請注意：這僅僅是第一步，發(fā)現(xiàn)生命存在的標(biāo)記物。至于這些生命是何種面貌、是否具有智慧，還要進(jìn)一步深入研究。

當(dāng)然，如果沒有發(fā)現(xiàn)，也并不意味著失敗——對科學(xué)而言排除某些可能性也是一種進(jìn)步。我們將調(diào)整思路、重新審視原有的理論是否正確，再根據(jù)新的理論去尋找其他可能性存在的證據(jù)。

（來源：光明日報 毛淑德為中科院國家天文臺“千人計劃”研究員，此文根據(jù)他在“科學(xué)與人文”論壇上演講的部分內(nèi)容整理。）