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。然而從事科學研究，不能只憑想象和感覺，更要看重事實證據。尋找地外生命存在證據的工具是天文望遠鏡。包括中國在內的國際天文學界將聯手在美國夏威夷建造“三十米望遠鏡”（TMT）。它將讓人類對宇宙的觀測水平提升一個數量級，促進天文學領域的巨大進步。應用這一望遠鏡，人類有望在20年內知道，銀河系內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。據科學家估測，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家德拉克（Frank Donald Drake）提出了一個用以估算銀河系內智慧文明數量的公式，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量；N*代表銀河系內恒星的數量，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；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，人類發(fā)出的電波亦未得到回應，即使在科技高度發(fā)展的今天，公式中的后三項參數也只能根據地球這個唯一樣本進行猜測。天文學家另辟蹊徑，對前四項參數加以系統(tǒng)化的科學研究，探尋地外生命存在的可能。

如何尋找外星生命

對第一個參數即銀河系的恒星數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，一般認為，只有類似于太陽這樣可穩(wěn)定燃燒數十億年的主序恒星周圍才可能產生生命。恒星演化的早期和晚期，環(huán)境遠比科幻小說《三體》中描述的世界更加狂暴，生命即使產生也注定難以存續(xù)。

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

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)一的標準，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，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，對行星的質量和動力學提出了更多的要求，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記物，比如氧氣——氧氣是很多反應發(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，其光譜就表現出在近紅外波段的突然上升，稱為“紅邊（red edge）”現象?？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。

當然，以上這些都是基于我們現有的知識來推斷的，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。

銀河系內恒星之間的距離以光年計，最近的也在數光年之外。以我們現在的技術手段，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鏡。

TMT，或許將有劃時代的發(fā)現

按照工作波段不同，天文望遠鏡可以分為伽馬射線望遠鏡、X射線望遠鏡、紫外望遠鏡、光學望遠鏡、紅外望遠鏡、射電望遠鏡等幾種。在全波段天文時代，光學/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行直接觀測，尋找生命存在的標記物。

當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，不能確認行星質量，故其結果被稱為“候選體”。系外行星的搜尋和質量確認最常見的方法是視向速度法，即觀測行星繞恒星運轉所造成的恒星光譜視向速度周期性改變。對小質量的宜居帶類地行星的探測當前只能做到太陽附近的寥寥幾個樣本，而較遠的開普勒候選體所需的高精度高靈敏的視向速度監(jiān)測當前望遠鏡還無法做到。

而對系外行星的直接觀測向望遠鏡提出了更極端的挑戰(zhàn)。首先，行星距離其中心恒星很近，這就要求望遠鏡有很高的空間分辨率，才能將兩個目標分開。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。這就要求望遠鏡能分辨對比度高達107—109的目標。

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-紅外望遠鏡TMT（Thirty Meter Telescope），在以上兩方面都將做出極大的建樹（當然，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倍于現行最大地面光學望遠鏡的集光面積／靈敏度。TMT集成了當今世界上最先進的望遠鏡技術，它采用多顆激光導星組成星座自適應光學系統(tǒng)，其空間分辨率／圖像清晰度比哈勃太空望遠鏡高10倍。

發(fā)現新行星，尤其是宜居帶類地行星的競賽，歸根結底是望遠鏡集光能力、分辨率和測量精度之爭。在這些能力上，TMT比當前最好的望遠鏡也有高達一個量級的提升。30米的口徑，意味著TMT的探測深度比當前最好的10米Keck望遠鏡遠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)現的4000多顆類地行星候選體唯一和最好的后續(xù)觀測確認者。

TMT計劃中的科學儀器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)內區(qū)直接成像，來發(fā)現行星、直接觀測行星輻射并研究行星形成過程。

當前對系外行星大氣的研究僅局限于幾個公轉周期小于10天的熱木星和屈指可數的熱超級地球。結合TMT的光學和紅外波段、高分辨率和大口徑，長周期低質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”現象等等生命存在的證據或者至少是生命可能產生的環(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，預計2022年建成。在這一巨型國際合作科學工程中，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光學系統(tǒng)、激光導星系統(tǒng)、科學儀器等TMT建設任務的“實物貢獻”模式，用于國內相關研究院所的高技術研發(fā)。每一代天文望遠鏡的出現都是當時世界最高精尖技術的凝結。在建成分享對應份額的觀測時間之前，我們將首先在技術上獲得收益。

隨著TMT的建成和觀測的積累，20年之內，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)現生命存在的標記物。至于這些生命是何種面貌、是否具有智慧，還要進一步深入研究。

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

（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，此文根據他在“科學與人文”論壇上演講的部分內容整理。）