第十二章　尋找E.T.
前言

回大綱 

　地球之外是否其他生命存在？地球與人類在浩瀚的宇宙 是否是唯一的？這類的問題，數千年來一直困惑著哲學家與科學家，但直到最近，人類才有足夠的科技能力，試著去回答這些問題。
何謂生命？

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  1. 生命的定義 無可避免的，當我們試圖尋找外太空生命時，第一個需要面對的問題是，何謂「生命」？

    到目前為止，地球上的億萬的生命是我們唯一的範本，地球上的生命體，可以簡單歸類為「碳基」(carbon-based) 生命。我們不能排除其他生命形式﹙例如「矽基」…﹚存在的可能性，但在現階段，只能很主觀地以地球生命為藍圖。

    傳統的生物教科書對生命的定義如下，具有以下特徵的生命體，謂之為生命。

    • 組織化﹕有機體維持高度的複雜性與有序。
    • 細胞﹕有機體是由單一或多細胞所組成。
    • 能量：有機體須要取得與使用能量。
    • 生殖﹕有機體能產生與自已相似的下一代。
    • 遺傳性﹕有機體具有決定其特性的基因藍圖。
    • 成長與發展﹕有機體能成長，並改變其外貌與能力。
    • 適應力：有機體能回應外界的誘因。
    • 新陳代謝﹕有機體執行一些控制性的化學反應。
    • 體內平衡﹕雖然外界環境條件的變化，有機體仍能維持相當穩定內部環境。

    這種定義很正式但並不實用。有生物學家認為生命最簡單的判斷標準 --「它是否能繁殖？」，當然，這種過於簡化的判斷方式之下，自然會產生一些爭議，例如：電腦病毒是否是生命？因為它的確能繁殖，而且有人認為電腦病毒是一種「準生命」。

    在這章裡，我們並不探討在一個行星上生命如何開始萌芽和演化。我們假設生命如果能起源，在數量這麼龐大的眾多恆星之中，我們應在那種恆星周圍去尋找他們？初期的努力很明顯地是尋找和我們太陽相類的恆星，因為本太陽的地球，上面就有數不清的生命種類，甚至有已經能進行星際通訊的智慧生物 -- 人類。所以我們就以我們地球生命發展的歷程，作為初期尋找外星文明的重要參數。

    　

  2. 地球的生命與科技之旅

    太陽系約在46 億年前形成，最古老的生物化石顯示，35 億年前生命己在地球的大海中出現，陸地上的植物生物出現在四億年前，而人類在二百萬年前才離開非洲的樹林進入草原，而近數十年，才進入能用電磁波與外太空文明聯絡的「通訊文明」階段。

    簡而言之：

    • 新行星出現後，約需11億年才能孕育出生命。
    • 通訊文明又得再經35億年才發展出。

    在地球上的生命體中，人體內最主要的十二種化學元素﹙氧、碳，氫、氮、鈣、磷、鉀、硫、鈉、氯、鎂，鐵﹚，佔體內元素比例的99%以上，同樣的這十二種元素，也佔地球其他生命體內元素的99%以上。另脊椎動物在胚胎初期，其外形與結構皆神似，這是否可視為這些生命體同源的證據？

    我們假設外太空文明的生命，與科技發展的歷程與地球相似。但適合生命孕育及文明發展的環境為何？

生命區與適合E.T.居住的「太陽系」

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  1. 其他太陽系

    生命體只能在行星上生存與演化。我們是否有其他太陽系存在的証據？

    行星體積小，主要以反射「太陽」的光為主，另由地球觀測，行星被其「太陽」所發出的強光所湮沒，目前並無直接觀測證據。

    行星間接証據﹕

    • 恆星的視運動(center-of-mass motions)

      當恆星有伴隨之行星時，由地球看去，恆星會繞系統的質心運動﹙參見恆星視運動 之示意圖﹚，其情形與雙星系統類似，但視運動效應極小，估計大約只有0.001秒角的變化，偵測極為困難。

    • 偵測其杜卜勒效應(Doppler shift detections)

      由地球看出去，恆星繞它和行星的質心運動，其光譜會因恆星行近與遠離我們，而產生可被偵測的杜卜勒位移。經過許多研究群數年的觀測， Michel Mayor與Didier Queloz 在1995年首先宣佈 51 Pegasi ﹙發現的實驗數據 ﹚的周圍有行星存在 ，截至目前為止(2002/01/09) 陸續發現的外行星已經超過七十顆。

      觀測的數據顯示，部份外太陽系行星的表面或大氣狀態， 或許能容許水以液態的方式存在，而生命或許可以生存在高層大氣之中。這些外太陽系行星的質量通常大於木星，軌道也常是長扁的橢圓形，這和我們太陽系的情況有很大的差異，而這也為我們太陽系的形成理論帶來許多的質疑，未來塵埃落定後， 行星形成的理論也許會有新的風貌﹙請參見摘要圖：摘要圖﹚。 有關新行星的發現請參見加州大學尋找外太陽系行星網站。

    • 初形成恆星的吸積盤(accretion disks of young stars)

      例如：獵戶座大星雲 中心附近的數百顆新恆星，有近一半具有吸積盤，這些吸積盤或許會形成行星，這類觀測數據，是否也指出宇宙中大約有一半恆星周圍有行星。

  2. 生命區

    由星光光譜可知，宇宙各處的元素相同。採較主觀的觀點，適合地球生物生存的溫度區間為200 K與373 K之間，分別為極區與海底火山溫泉的溫度。

    我們預期行星的表面溫度，如在此範圍之內就有孕育生命的機會。如行星的能源全靠其太陽提供，在「太陽系」的「生命區」範圍內的行星稱為「適居行星 」。

    本太陽系的生命區 界於0.56 AU 與1.95 AU 之間，共有金星(0.72 AU)、地球(1 AU)與火星(1.52 AU) 處於生命區之內。

    

  3. 適合E.T.居住的「太陽系」

    地球形成後，經過了46 億年才有所謂通訊的文明的存在，故在主序星中O, B, A 與F型星的主序生命期(gif或表格 形式﹚過短，孕育通訊的文明的機率過小，故只須要考慮G, K, 與M型的恆星。

    M型星的生命區過小，恰巧有行星在這區間的的機率不高，另如此靠近恆星的行星，可能會受潮汐鎖定(tidal locking)的影響，而永遠以同一面面向恆星﹙月亮即是最佳的例子﹚，表面環境極端，不利於生命體之孕育與演化。

    一般以質量為0.5 偣太陽質量的的恆星為適居星之下限，所以對E.T.來說適居太陽系的主角為G型與K型星。

    本銀河系各類星的分佈比率為：

    • O與B型星少於1%
    • A與F型星大約佔1%
    • G型星大約佔4%
    • K型星大約佔10%
    • M型星大約佔70%
    • 白矮星大約佔10%

    由上述數據看來，太陽(G2 V) 事實上並不是我們常說的「典型」恆星。

    　

  4. 多少E.T.家園？

    宇宙中約有1024 個恆星，但其中有多少能孕育生命？有生命的「太陽系」中又有多少會有類似人類的智慧生物存在？而這些智慧生物需要多久才能具有使用電磁波向外通訊的能力﹙達到通訊文明的階段﹚？而這些通訊文明又能延績多久？這些都是尋找外太空文明(SETI = Search for Extra-terrestrial Intelligence) 時，所必須回答的問題

    在1961年，天文學家Frank Drake 提出一方程式來粗估在本銀河系，通訊文明的可能數目。

    Drake 方程式

    NC = Rs * fP * nLZ * fL * fI * fC * L

    表12.2　本銀河系通訊文明之可能數目
    參數 註解 悲觀估計 樂觀估計
    RS 銀河系中，適居恆星產生的速率 1.4 1.4
    fP 有行星的適居恆星之百分比 0.01 0.5
    nLZ 在生命區內的行星數﹙適居行星﹚ 0.01 1
    fL 孕有生命之適居行星的百分比 0.01 1
    fI 「生命行星」中，發展出智慧生物的百分比 0.01 1
    fC 智慧生物發展至通訊文明的百分比 10-8 1
    L 通訊文明的生命期﹙年﹚ 1000 1010
    NC 銀河系中，通訊文明的總數 1.4*10-13 7*109
    註：
    1. 本銀河系現約有1011恆星，己存在一百億年(1010年)，平均每年產生10顆恆星，這其中的適居恆星只佔14%。
    2. 如你的WEB軟體對讀表表格有困難，請按本銀河系到底有多少通訊文明？

由表12.2可以看出，上列問題的答案很分歧，由「零」到「到處多是」都可能，端視你採取悲觀或樂觀的態度而定。不過可以確定的是，以人類的習性，只要是答案未定，尋找外太空生命的努力就會持續。

我們應期待「第三類接觸」嗎？

也許應相當戒慎，以人類過去的歷史為範本，不同文化或種族初次接觸，其結果往往是悲劇性，期望地球與其他外太空文明的接觸，能有不同的結果。
尋找E.T.(SETI)

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人類己多次在探測器上，裝設宣告人類存在的物件，希望外太空文明在太空探險的旅程，能發現我們發射的探測器與物件，也曾以電磁波向外宣告我們存在的訊息，這些活動也應歸類為SETI研究之一部份。

過去的火星的探測顯示，火星上並無生命存在的跡象，而現在的SETI 活動，主要是聆聽與尋找，可能來自外太空文明的無線電訊號。

SETI = Search for ExtraTerrestrial Intelligence

  1. 來自地球的流浪者
    • 先峰者十號與十一號(Pioneer 10 & 11)

      脫離太陽系的首件人造物體﹙先峰者十號﹚。各載一片宣告地球人類存在的金屬版。八萬年後，先峰者約距地球三光年，尚未到達最鄰近的毗鄰星。這可稍窺現階段遠程太空探險的不可行性。

    • 航行家一號與二號(Voyager 1 & 2)

      各載一片宣告地球人類存在的金屬蓋，與一張錄有六十種不同語言問候詞、一百多幅人類活動照片、各種自然界聲音與其他訊息的金屬片。

    　

  2. 來自地球的訊息

    1974年，Arecibo無線電望遠鏡啟用時，曾以此望遠鏡向M13﹙球狀星團﹚發射了1679 bytes訊號，宣告人類的存在，屆時三分鐘。M13距地球二萬五千光年，在M13的外太空文明，如於收訊後立即覆電，五萬年後，我們才能收到回電。

    　

  3. 太陽系內的其他生命
    • 金星與火星生命

      太陽系的生命區內，另有金星與火星兩顆行星。

      金星的表面溫度高達攝氏472度，足以熔鉛，科學家並不期待有金星生命存在。

      火星 的稀薄大氣含有微量的氧，表面也留有水痕，顯示火星過去的環境，遠較現在適宜生命成長，科學家對火星生命的存在，一直存有厚望，但1976年經海盜1 號與2 號的探測並無所得。根據現在的証據，科學家已經排除火星上住有足以侵略地球的火星人。不過它們仍然不排除，在火星表層之下，可能有低等的微生物存活著，不過直接的証實，只有待未來更進一步的火星探險才有定論。

      探索火星生命的研究在1996 年八月，出現了相當戲劇性的新發現。美國太空總署(NASA) 的一個研究群，由一萬三千年前掉落到地星的火星隕石 ，找到了早期火星，可能有微生物存在的間接証據。如果這個新發現，能夠通過更進一步的檢驗與証實，對地球外生命存在的可能性，實在是一劑無與倫比的強心針。

      如果綜合了過去的一些証據：(1) 由過去在隕石中，不斷的發現有機分子，而在實驗室中，用早期地球原始大氣或其他星體的大氣(參見下一頁)作為成份，也可以輕易的製造出有機分子。(2) 1995 年十一月以來，宣佈發現了數顆外太陽系行星 。(3) 上述的火星生命的間接証據。似乎都在暗示我們，外太空生物存在的事實，應該是己經不容懷疑。而且外太空高等智慧生物存在的可能性，也是我們今後應當正視的課題。

    • 其他本太陽系生命

      行星的衛星仍有生命存在的可能性，例如土星的衛星泰坦(Titan)， 泰坦的太氣中含有大量的甲烷與氮，這兩種氣體 在類似Miller-Urey氏的實驗中， 己被證實能產生多種可組成胺基酸的有機物質，但航行家飛越時， 並未發現有生命存在的跡象。

      伽利略任務發現木衛一的冰層之下，有能有廣的海洋。

    • 聆聽太空的大耳朵

SETI研究中最主要的部份，在於偵測、辦認來自外太空的「人造」電磁波訊號。

1960年Frank Drake的Project OZMA為這類SETI研究的第一個， Project Phoenix為人類尋找外星文明較近期的努力， Project Phoenix 於1995年對南天200顆恆星作定星搜尋，移回美國的Green Bank後，1996-1998年針對 80顆星定星搜尋，現在Project Phoenix移師到Arecibo並將於1998年底重新啟動。 前後人類己執行了近百個SETI計劃，但皆未能得到確切的結論， 詳見Jill Tarter博士所編的SETI總集。

在廣泛電磁波波段中，我們應選擇何種波長？

如果你看過Star_Trek影集，或許對下列這句話並不漠生：

"Hailing frequency open, Captain!"

很不幸的是，SETI研究者並沒有所謂的〝問候頻率〞可以使用，他們只能假設，其他的通訊文明也對天文研究有興趣，而且在探尋的過程同樣也發現，無線電波段最能穿透星際物質、星塵。所以對SETI研究者，通訊和觀測最自然的選擇是無線電波。如果再考慮本銀河系無線雜訊干擾等問題，3公分–30公分之間的區域最為寧靜。SETI研究最常使用的波長在氫的21公分線與OH分子的18公分線之間，這個區域常稱為水洞 (Water-hole) ，名稱是起因自無線電雜訊曲線，在這個範圍附近有個凹陷，而H與OH分子合起來與水的分子式H2O相同。或許在下意識中，SETI研究者希望宇宙中的通訊文明，能會聚在這個波段進行通訊，就如同非洲大草原的各種動物，外觀及習性都有很大的差異，不過它們大多會到水洞去飲水。

搜尋方式：

聆聽

  • 全天空掃描 (all sky survey)
  • 定星搜尋 (target search)
　

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