水世界假說|超越費米悖論

費米悖論，是恩里科·費米提出的一個基本假設，它是基於宇宙的漫長年齡和龐大的星體數量，經過一系列的計算後發現——地外文明存在性的過高估計，與缺少地外文明存在的相關證據相矛盾。於是在1950年夏天的某個午餐的閒談中，費米提出了"外星人它們都在哪裡?"的著名問題。

簡單來說，費米悖論指的是外星智慧生命(extraterrestrial intelligence, ETI)存在的高機率估計和缺乏明顯的證據。

那麼今天，我們來研究費米悖論的又雙叒叕一種可能性——許多行星的水都太多了！

這叫做"水世界假說"，這個理論認為，許多系外行星是"水世界"，在那裡，水是如此豐富，以至於生命不太可能出現和發展。

"水世界"一詞用來描述表面有大量的水的陸地(岩石)行星，這些行星的水構成了它們的主要的質量和組成部分。水世界假說的核心，是關於我們的宇宙中生命存在條件的關鍵假設。

Kepler-22b的概念圖——一個可能的"水世界"。來源：NASA/Ames/JPL-Caltech

以我們地球，以及所有在地球上進化的物種為參考，科學家們不得不假設，水是生命存在的關鍵成分。在所有已知的溶劑中，水是生命能生存的唯一溶劑，地球上幾乎所有已知的生物都依賴水而生存。

這提出了一個關於搜尋地外生命的基本觀點：在尋找外星生命的過程中，水被視為一種"生物特徵"。當然，理論上說，水過多地存在也會干擾生命發展的一些至關重要的過程。要了解具體內容，首先，讓我們快速瞭解一下相關術語。

生物特徵

術語"生物特徵"指的是那些可以證明過去或現在有生命存在的證據。它們可以是某些化合物、同位素或一個反應過程。更具體地說，它們表明了存在消耗自由能和產生有機廢物的複雜過程。包括氫氣、氧氣、二氧化碳、甲烷、水以及一些硫磺和磷化合物。

水當然是最受歡迎的生物特徵之一，因為它是唯一已知的生命存在的溶劑，對地球上幾乎所有已知的生命形式都至關重要。但是，儘管水覆蓋了地球表面的71%，它卻只佔地球總質量的0.02%。如果這一質量佔比更高，將意味著一顆行星完全被深度巨大的海洋所覆蓋，這便可能會對宜居性產生影響。

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這和"暫時宜居的行星"類似，在那些岩石行星上，可以觀察到似乎有著豐富的氧氣，而這些氧氣在起源上不是生物活動的結果。相反，氧氣被認為是化學解離的結果，即紫外線輻射導致大氣中的水蒸氣分解，進而產生氫氣和氧氣。

當更輕的氫氣散失到太空時，氧氣會被行星的引力留住。但是由於氧氣對許多基本的生命形式都是有毒的——比如像藍藻細菌這樣的光合生物，因此這些氧氣的存在實際上可能會阻止生命的出現。

也許同樣的道理也適用於過量的水。

起源

雖然水世界假說主要是最近發現的系外行星的產物，但它的基礎可以追溯到幾十年前。例如，大衛·布林在他1983年的開創性研究中總結了這一假說背後的思想：

"水覆蓋了地球表面的70%以上。然而，也許地球正處於宜居世界中最乾燥的階段。如果陸地面積更小，或者根本沒有陸地，那麼就很難有機會進化出能夠使用工具的物種。開個玩笑地說，宇宙中最聰明的物種可能只是擁有鯨魚的外貌，但它們可從來沒有想到過用無線電，也沒有想過到其它星球上去旅行。"

三個系外行星的排列，基於化學成分和傳入通量，來探索大氣為什麼看起來如此地不同。

作者：Jack H. Madden（經許可使用）

來自哈佛史密森天體物理中心(CfA)和哈佛大學理論與計算研究所(ITC)的兩位研究人員馬納斯維•林加姆(Manasvi Lingam)和亞伯拉罕•勒布(Abraham Loeb)也提出了類似的觀點。在2018年的一項研究中，這兩位研究人員考察了海洋和大陸在生命出現過程中所扮演的角色。

最後，他們得出了兩種可能的答案。一方面，他們的計算表明，海洋和陸地之間的謹慎平衡對複雜生物圈的出現至關重要。另一方面，他們認為像地球這樣陸地面積與海洋麵積比例為3：7的行星，在我們的宇宙中可能相當罕見。

近年來，天文學家也觀察到有跡象表明，水在行星的質量和組成中所佔的比例可能比以前認為的還要大。一方面，調查發現，許多在恆星的宜居帶(HZ)內執行的系外行星似乎完全被水覆蓋。

同時，在過去的十年裡，還有大量屬於m型(紅矮星)恆星系統的岩石行星。包括比鄰星b——離太陽系最近的系外行星(4.24光年)，它的軌道以其恆星的宜居帶為單位。在2016年的一項研究中，Bastien Brugger和Pale Red Dot團隊建立了一系列內部結構模型，這些模型顯示了這些行星主要是由水組成的。

一個水世界，它面向太陽的一面存在液態水的海洋。來源：eburacum45/ DeviantArt

假設比鄰星b是一顆岩石行星，沒有大質量的大氣層，布魯格和他的同事們得出結論，這顆行星的最大半徑可能是地球的1.4倍，質量是地球的1.46倍。然而，這些引數還包括高達50%的水的質量佔比，這意味著它很可能是一個"海洋行星"，並且有一個冰凍的冰殼。

隨後，伯爾尼大學的研究人員進行了一項類似的研究，該研究檢查了小質量恆星(又稱紅矮星)周圍行星的形成。他們的結果顯示，這些行星的半徑為地球半徑的0.5-1.5倍(平均半徑為1倍地球半徑)，在90%的情況下，水佔行星質量的10%以上。

2017年，天文學家證實，在TRAPPIST-1周圍存在7顆岩石行星，其中3顆在該恆星的宜居帶範圍內。從那時起，多項研究表明，該系統可能擁有豐富的水資源。然而，2018年由亞利桑那州立大學地球和空間探索學院(SESE)領導的一項研究計算了TRAPPIST-1行星的含水量，並得到了類似的結果。

基於他們的"質量-半徑-組成"模型，他們發現最內側行星(b和c)是"乾燥的"——只有15%的質量水，而最外層行星(f和g)有超過50%的質量水。2018年，由哈佛大學研究人員李增(Li Zeng，音譯)領導的一個國際科學家小組檢查了來自開普勒太空望遠鏡和蓋亞(Gaia)任務的資料，以確定"水世界"到底有多普遍。

比鄰星b圍繞著距離太陽系最近的紅矮星——比鄰星執行。來源：ESO/M. Kornmesser

由此，李增和她的同事能夠建立一個模型來顯示質量和半徑之間的關係。他們發現，半徑是地球的2.5倍(質量是地球的10倍左右)的行星可能是水世界——水大約佔其質量的50%。簡而言之，他們發現在所有已知的比地球大的系外行星中，大約35%的行星應該富含水。

影響

對於尋找生命來說，不太可能有很多系外行星是水世界。例如，水的質量高達50%的行星，其海洋深度可能達到幾公里。也就是說，這些行星將由位於岩石核周圍的高壓冰層之上的液態海洋組成。

岩石核心和海洋表面之間的冰會阻止透過地熱活動進行的能量交換。在地球上，地核-地幔邊界的地熱噴口被認為是生命出現的關鍵。在像木衛二和其他冰質衛星這樣的海洋星球上，這種活動被認為是海洋中任何生命存在的必要條件。

考慮到它們的共性，有沒有可能因為水世界的稀少而導致宇宙中生命的稀少呢? 也就是說，我們所知的生命之所以罕見，不是因為關鍵的生物特徵太少了，而是因為它的數量太多了。這和許多天文學家所期望發現的完全相反，但它確實為費米悖論提供了一個可能的解決方案。

批判

雖然這個假設對於費米悖論來說很有吸引力，但它確實排除了水世界上存在生命的可能性。例如，在2018年地球物理學家埃德溫·凱特(Edwin Kite)和天體物理學家埃裡克·福特(Eric Ford)的一項名為"系外行星水世界的可居住性"的研究中，兩人認為水世界可以在沒有地質活動或陸地塊的情況可以下保持碳迴圈，因此也適宜居住。

在地球上，由於大氣中相對穩定的二氧化碳水平，溫度一直保持穩定。這是由於碳迴圈中，溫室氣體透過地幔的對流被礦物質吸收，然後透過火山活動週期性地釋放回大氣中。在這種情況下，地質活動對維持可居住性至關重要。

這樣的過程在水世界是不可能的，因為星球的整個表面由水和地熱活動組成，無法將物質或能量轉移到大氣中。但根據凱特和福特所做的模擬，水世界將能夠在大氣和海洋之間迴圈足夠的碳，以維持幾十億年的穩定氣候。

此外，賓夕法尼亞州立大學(Pennsylvania State University)的地球物理學家布拉德福德·弗利(Bradford Foley)和安德魯·斯邁(Andrew Smye)在2018年的一項研究顯示，板塊構造對於維持行星上的宜居條件並不是必要的。在這裡，研究小組也表明，碳迴圈可以在沒有火山活動的地殼對流的情況下維持(前提是地幔中有足夠數量的放射性元素)。

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哥白尼原理和人擇原理

另一個需要考慮的重要問題是，這一假設提出了關於地球和陸地生命性質的問題。特別是，它再次引發了關於地球是一個典型的宜居行星還是一個罕見的(甚至是獨特的)案例的爭論。前一種可能性是哥白尼原理(也叫平庸原則)的一個例子，即地球和人類在觀察宇宙方面並沒有特權地位。

與此相反，人擇原理認為科學觀察是可能的，因為宇宙的法則與有知覺的生命的發展是相容的。在宇宙學方面，人擇宇宙學原理認為，人類和地球確實處於特權地位，而不是常態的一個例子。

從這方面來說，水世界假說可能表明，像地球這樣的行星在宇宙中實際上是相當罕見的。考慮到它們是否適宜居住，這可能意味著像人類這樣的物種(陸地的，使用工具的，等等)是極少數的，或者僅僅是獨一無二的。不管怎樣，這可能解釋了為什麼我們沒有任何人的訊息！

雖然科學家們不能完全確定水世界是否真的無法維持生命，以及水世界在太陽系以外的行星中所佔的比例是否足夠多，但這個假設確實反映了近年來我們對系外行星的認識有了顯著增長。這也提醒我們，哥白尼原理與人擇原理之間的爭論遠未結束。

幾顆圍繞超冷紅矮星TRAPPIST-1執行的行星。來源：ESO

不過，它還是相當耐人尋味的。也許大衛·布林(David Brin)說得最好：

"事實證明，我們的地球滑過了太陽持續存在的宜居帶的最內側。地球可能是非常獨特的。這可能是因為我們離太陽太近了，所以我們有一個富含氧氣的大氣層，而且，作為‘水世界’，我們的海洋也異常的少。"

"在這種情況下，像我們這樣解放雙手、可以使用火的生物的進化，可能在銀河系中非常罕見。此時，當我們建造星際飛船並前往那裡時，也許我們會發現很多很多的生命世界，但它們都像波利尼西亞。我們會在太空中發現許許多多的智慧生命，但它們都是像海豚、鯨魚、烏賊之類的生物，它們永遠也造不出自己的星際飛船。"

來源：中科院高能所

編輯：謙、yrLewis