在宇宙中人類在哪些地方可能發現外星生命？
很多最新探測發現都指向“適居帶”，認為在那裏可能會找到外星生命。1976年美國海盜1號(viking 1)飛船在火星上降落，它並沒發現可支持“火星上存在生命”的明顯的生物活性跡象，而且海盜1號發回地球的照片，展示了一個荒涼、寒冷的世界。
幾十年後觀念大變
那麼在33年後人們的觀點又發生了什麼變化呢？33年前人們認為火星是地球以外唯一一顆可能曾有生命“安家落户”的行星。現在由於科學家在外太空發現大量有可能存在生命的天體，人們對宇宙生命的觀念開始發生轉變，認為火星並非地球以外唯一一顆可能曾有生命存在的行星。
因此，他們現在不只在一些地方尋找生命，而是在“適居帶”裏查找生命的痕跡，給除了地球以外的大量生命可以在上面繁衍生息的天體繪圖。這種生命居所可能在我們星系裏、整個宇宙以及宇宙以外的其他行星和衞星上。
這方面研究的發展速度令人吃驚。就在今年4月月對土星的衞星——土衞二進行的最新研究獲得的成果，展示出在這顆衞星崎嶇不平的表面下隱藏着暖水海洋。在“卡西尼”號飛船看到有間歇泉噴發出來的水蒸氣從土衞二表面冒出以前，從沒有人認為這顆直徑大約是300英里的衞星有什麼與眾不同之處。現在土衞二跟木星的衞星——木衞二一樣，都加是太陽系裏似乎存在液態水和構成生命的物質的地方。
天文學家也在研究圍繞在其他恆星周圍的大量類地行星。從20世紀90年代開始，他們已經確定出大約340顆太陽系外行星。其中大部分都是龐大的氣態行星，但是最近他們開始搜索體積更小的世界。兩個月前，歐洲衞星Corot發現一顆直徑是地球的兩倍的系外行星，美國宇航局的新“開普勒(Kepler)”探測器也將在今年晚些時候，開始搜索真正跟地球類似的行星。
與此同時，最近的發現顯示，微生物的忍耐性比我們認為的更強，這意味着即使那些跟地球不是特別相像的行星，可能也適合生物生存。這些發現説明火星只是這項搜索邁出的第一步。宇宙中的適居帶似乎非常龐大，裏面可能充滿了生命。
太陽系適居帶
我們已知的尋找生命的導向原則是那裏必須要有水存在。直到現在為止，這條原則一直讓科學家認為，只有滿足以下條件的天體，才能成為生命的家園：適合的温度、巖質行星和表面擁有液態水。
如果這樣考慮，這樣的世界只能存在於我們的太陽系裏。加州大學聖克魯茲分校的格雷格·拉弗林説：“如果根據一系列非常有利的氣候條件定義適居帶，那麼你可在太陽周圍進行搜索的範圍非常有限。當氣候出現嚴重問題時，在距離太陽比地球稍近的範圍內和在距離太陽比地球遠大約30%的地方都有可能適合生命生存。”要是根據有沒有水的觀點來判斷，在我們的太陽系裏沒有其他地方適合生命生存。即使很多其他恆星也擁有太陽系，但是正好位於適合生命生存的軌道上的行星少之又少。
如果不是在地球上獲得一系列令每個人都意想不到的發現，尋找適居帶的努力最終將得到一個令人倍感沮喪的結局。天體生物學是一項研究生命是如何在宇宙中出現和演變的專門學科。這個領域的先驅克里斯·麥克卡伊説：“每個人都不希望看到這種結果。人們發現細菌變種並非從地球表面獲得食物、氧氣，也不依靠照射到地球表面的陽光。”
這些最新發現的生命形式——“極端微生物(extremophiles)” 生活的條件是如此惡劣，50年前的生物學家做夢也想不到能有生命可在這種環境下生存。巨型管蟲、螃蟹和小蝦喜歡生活在黑暗環境下、海面以下1英里深的地方和極熱的熱液噴口周圍。這些熱液噴口就是我們已知的“黑煙囱”，它不斷向海洋裏噴出像煙柱的黑色氫化硫。利用這種熱液噴口噴出的化學物生存下來的生物體不需進行光合作用。
然而對麥克卡伊來説，這些生物並不是最令人感到興奮的極端微生物類型。他説：“它們仍然依靠通過陽光間接生成的氧氣。”與之相比，更加引人注意的細菌是那些在很深的地下繁衍生息的類型。一種細菌生活在南非5英里深的金礦內部。麥克卡伊説：“這些生物從我們從沒想到的來源獲得能量。南非極端微生物細菌是從岩石裏不穩定的放射性原子獲得能量。陽光和地表水對它不起任何作用。這種情況非常令人吃驚。”
極端微生物從非太陽能源獲得能量的事實，説明外星生命也可能生活在類似環境下，在遠離地表水和陽光的地下很深的地方繁衍生息。麥克卡伊説：“可居行星並不一定非得像地球一樣。這些發現最大限度地擴展了我們對適居帶的理解。”
説來也巧，這項極端微生物發現跟以前的研究結果正好相符，以前的研究顯示，太陽系可能擁有很多人們以前根本沒有想到的温暖潮濕的地區。20世紀90年代發射升空的“伽利略”探測器收集了大量可信證據，證明木星的大衞星——木衞二寒冷的地表下擁有一個球形液體海洋。美國宇航局剛剛宣佈要在2027年重返那裏，進行更加細緻的研究。
最近在土衞二上發現的間歇泉，再一次驚醒了行星科學家，使他們想弄清楚是否在太陽系周圍有更多這種熱鬧地帶。這些地方缺少陽光，跟地表沒有聯繫，但是一些生命顯然非常喜歡這樣的環境。麥克卡伊説：“當你在木衞二和土衞二地表下發現液態水，並把它與我們對陸地極端微生物的理解結合在一起時，你就會明白為什麼‘適居帶’的定義必須發生改變了。”
銀河適居帶
天體生物學家開始留意我們周圍的星系後，尋找適居帶的範圍開始變得更廣。銀河包含大約2000億顆恆星。現在我們只知道一小部分恆星擁有行星，這一小部分可能就包含無數個世界。
紅矮星是迄今為止在我們的銀河系裏發現的最為普通的恆星，以前科學家曾認為在這些地方可能不會找到類地行星，但是最新研究結果正好與之相反。極端微生物告訴我們，生命或許能在不太跟我們的地球一樣的行星上生存下來。除了這些好消息以外，還有一些壞消息。因為像星系的太陽系擁有自己的適居帶，因此要找到這樣的行星並不容易。並非所有星系都適合生命生存。澳大利亞國立大學的天體生物學家查爾斯·林維弗(Charles Lineweaver)在2004年發表的一篇論文，把目光放到我們銀河系以外可能存在的危險外星生物上。在這種情況下，最重要的因素是不能有水，活動劇烈的龐大恆星與上述情況非常類似。
研究顯示，星系中最明亮、最熱、最重的恆星對行星和生物都是至關重要的。它們是宇宙的關鍵性重元素的唯一來源，例如硅(地殼裏超過四分之一的物質都是硅)、鉀(對細胞活性至關重要)和鐵(我們血液裏的這種元素負責攜帶氧氣)。這些元素為恆星鑄成了炙熱的核熔爐。龐大恆星以超新星爆炸的方式結束生命，這個過程會向太空噴發大量重元素，然後這些元素不斷結合，再次形成下一代恆星，併為行星形成播下種子。
考慮到銀河的適居帶，林維弗在最初的論文中提出了重元素。從銀河中心向外，恆星形成的速度變得越來越慢，重元素的數量也與這保持一致。林維弗認為，當太陽在40億年前形成時，外側三分之一的星系缺少重元素支持生命生存。自此以後，重元素變得分佈越來越廣，現在只有銀河系最外緣含有的重元素還不足以形成類地行星。我們所處的位置有三分之二位於銀河的恆星圈內。我們所在的位置正好位於銀河系中適於生命生存的區域中心。研究顯示，銀河內部也不適合生命生存。
龐大恆星促使適居帶形成的同時，也限制了銀河適居帶的內側範圍。超新星爆炸產生和釋放的重元素也釋放出大量高能放射物，例如伽馬射線、X射線和紫外線。這些恆星爆炸對距離恆星幾十光年的行星都能產生致命影響。銀河擁擠的中心地帶擁有大量龐大的恆星和超新星，因此這裏進化出複雜的生命形式並非不可能。不過目前要解決的首要問題是，超新星爆炸會產生多壞的影響。
林維弗和他的同事們認為，放射物毒害使銀河內側20%的地方無法支持生命生存，這個區域包含大約星系中的一半恆星。密歇根大學的弗瑞德·亞當斯説：“你一直在尋找一種美好地帶。這些地方距離恆星不遠不近，能確保重元素的含量不致過低。”但是銀河非常龐大，因此亞當斯指出要合理提出設想。他説：“最糟糕的情況就是，在一到多種因素的影響下，銀河中適合生命生存的地帶不斷減少。”
銀河中的適居帶數量主要根據生命對強劑量的放射物如何做出反應而定。我們或許已經獲得被封鎖在地球上的化石裏的信息。堪薩斯州立大學的艾德里安·米洛特説：“每隔6200萬年，地球上的生物多樣性就會出現問題。古生物學家已經建立大量數據庫，儲存所有動物化石記錄。通過這些數據，你能看到隨着時間推移，生命力會發生什麼變化。”
他的研究有力地支持了其他科研組的研究成果，顯示出生命力下降，有時是生物大量滅絕，似乎遵循着一定的週期。米洛特把生物多樣性的改變跟我們銀河中的太陽和行星運動聯繫在一起。他説：“太陽在圍繞銀河運行的同時，也會出現上下波動，讓星系平面舉起，然後再讓它落下。每一次太陽昇起，向銀河盤的北邊移動時，我們的生物多樣性就會下降。他注意到銀河的北側指向室女座星系，這是聚集在我們附近的一個龐大的星系。我們的銀河每秒向室女座靠近大約120英里。
據米洛特説，當銀河從星際物質間通過時，它前面會形成強大的衝擊波。衝擊波產生的高能粒子被稱作宇宙射線，這種射線能擾亂生物分子，破壞DNA，使它無法被修復。通常情況下銀河的磁場保護我們不被放射物傷害。但是每隔6200萬年，太陽就會向危險區域的邊緣靠近。他説：“當太陽奔向銀河平面的北側時，整個地球就會受到大量宇宙射線衝擊。所有恆星在星系裏移動時，都會遵循類似的跳躍運動，但是位於星系中心的恆星，跳躍的速度會更快。
這種情況可能支持了林維弗的觀點，他認為這些區域包含複雜生命的可能性更小。但是生命也需要一定數量的放射物。放射物促使生物發生變異，而且大量滅亡也為進化變異清掃了道路。該説法支持了亞當斯的觀點。米洛特總結説：“我們希望獲得足夠的放射物來促使新生命形式得到發展，但是我們不需要很多放射物，以至於消滅整個地球。”
臨時適居帶
米洛特有關大量消亡的假設闡述了適居帶如何可以用空間進行測量，同時也可以用時間進行測量。根據他的假設，有關生命存在的“何時”與“何處”這兩個問題同等重要。在此過程中，超新星也扮演了重要角色。在大炸彈孕育宇宙之時，新生的宇宙幾乎完全由氫和氦構成。此時是形成行星的絕好時機而不是生命。
碳、氧、鐵以及其它元素不得不等待恆星——尤其是大質量恆星——通過核聚變形成更重的元素。這些已處理的元素在恆星風或者超新星爆炸中逃離，隨後又被後代的恆星“捕獲”。以這種方式積累形成生命所需元素需要數十億年之久。整個宇宙已經有137億年曆史，可能在最初的幾十億年時間裏，宇宙完全是一個不適合生命居住的區域。
一旦宇宙中充斥着大量重元素，形勢便會逆向發展，恆星孕育生命的的能力也遭到限制。體積中等的恆星——太陽壽命為100億年，此時的它大約已經“星到中年”。在另一個50億年時間裏，太陽將膨脹成一顆紅巨星併吞噬我們的地球或者烘烤地球表面使其凝結。在最短10億年時間裏，太陽逐漸增加的發光度可能讓地球變成生命無法承受的所在。亮度更高、質量更大的恆星以更快的速度消耗它們的核燃料，它們可能更快速地燃燒殆盡，允許複雜生命進化。
慶幸的是，暗淡的紅矮星能夠潛在地支持類似地球的行星在很大程度上孕育臨時適居帶。在這些恆星中，亮度最低同時也最“節儉”的成員壽命可能達到10萬億年之久，是太陽的1000倍。當前的研究顯示，宇宙的擴張可能是永久性的。如果事實果真如此，我們熟知的宇宙——充滿恆星同時也可能充滿生命的——在永無止境的冰冷、黑暗的虛無狀態將只是一個瞬間。是否再一次感到可怕？別擔心，最新物理學理論指出，另一個適居帶將允許生命在最後一顆恆星死亡之後繼續存在下去。
多元宇宙適居帶
目前，最大的適居帶並不是我們認為中的宇宙，而是假設中的宇宙中的宇宙，也就是宇宙學家所説的多元宇宙。在我們的宇宙變得一片昏黑之後，另一個或者多個宇宙將負責將生命之火繼續傳遞下去。
通常所説的宇宙是指我們能夠觀察到的一切，其中包括控制它的物理學定律。數量驚人的宇宙可能正如科幻小説和影片所描述的那樣，而我們這個宇宙只是千千萬萬宇宙中的一個。現在，宇宙學家正利用一項名為“暴脹”的理論創建多元宇宙模型。
當前有關早期宇宙的最重要模型——暴脹宇宙論認為，整個可以觀測到的宇宙開始於一個小斑點。這個斑點位於一個由大爆炸產生的可能永不消逝的存在物。在大爆炸後10至30秒時間裏，這個斑點經歷了一個超高速擴張時期，因此才有“暴脹”之説，擴張之後的宇宙形成我們現在看到的一切。雖然聽起來非常怪異，但這個模型擁有一些合理的觀測上的支持。
相比之下，一些宇宙學家的步子邁得更大一些，在他們看來，暴脹也可以在其它時間在其它地方出現，當時發生了其它創世時刻並隨後經歷自身的暴脹，成為單個的小型宇宙。物理學家將這種增殖現象稱之為“永恆暴脹”。這種永恆性導致單個宇宙數量達到近乎無窮多的程度，每一個宇宙都擁有屬於自己的物理學定律。這種現象與弦理論相當怪異的預言相吻合。弦理論是一種基礎物理學模型，認為可能存在大約10500組不同的定律。
弗瑞德·亞當斯表示：“在這些宇宙中，部分宇宙的地心引力可能比我們所在的宇宙大或者小。其它宇宙控制原子和分子的電磁力可能存在差異。其它不同類型宇宙的生命形成過程可能呈現出戲劇化。”
適居帶存在擁有更大可能性
雖然尚未發現存在這些多元宇宙的證據，但這並不能阻止理論學家對此進行各種各樣的推測。在我們生存的宇宙，物理學定律似乎經過恰到好處的校準，以允許擁有穩定軌道的長壽恆星、行星以及允許複雜化學過程發生的分子存在。所有這些似乎都是形成生命的前提條件。亞當斯説：“人們經常問的一件事情是其它宇宙的恆星習性。如果是一些無法形成恆星的宇宙，它們可能就是一個個不毛之地。”
亞當斯嚴肅對待這個問題，並開始一項有關“另類”物理學以及影響恆星形成的研究。他説：“我決定進行一次實實在在的計算，看看能否將所有這些推測歸結為一個適當的問題。4個基本力(重力、電磁力以及強弱核力)的每一個均擁有一種類型的理論按鈕，這個按鈕可以調大和調小以改變強度。我決定對一系列理論上的恆星模型進行計算，以確定多大的力孕育了工作恆星。”
計算結果令很多人驚訝不已。亞當斯説：“很多人認為只有數量極少的氣泡宇宙擁有支持生命存在的條件。”亞當斯的計算結果發現，功能恆星在物理學變異方面較任何人認為的更具彈性。由於恆星是生命形成的前提條件，這些發現暗示生命適居帶的存在擁有更大可能性。
亞當斯的四分之一模型能夠孕育出長壽恆星，但同時也提出一個非常重要的告誡。亞當斯並未指出在一個隨機選中的小型宇宙中，任何給定強度的重力或者電磁力擁有多大形成恆星的可能性。他説：“你需要的是將我所做的工作與一個多元宇宙的可能性分佈結合在一起。”換句話説，我們需要了解有關小型宇宙物理學定律變異的統計學，在暴脹宇宙論中，並不存在指導科學家選擇有關小型宇宙物理學的原則。
黑洞孕育新宇宙
加拿大安大略省沃特盧的普里美特理論物理學研究所理論物理學家李·斯莫林(Lee Smolin)提出一個富有爭議的想法，即對其它宇宙進行可以測試的預測。在此過程中，斯莫林讓有關適居性的研究較亞當斯的推斷相比更為理想。
上世紀90年代初，斯莫林提出了一個多元宇宙模型，這個模型在很大程度上有別於暴脹宇宙論的小型宇宙。他的模型關注的是黑洞歪曲時間和空間的方式。自上世紀60年代以來，一些理論學家便開始傳播這一想法，當時一顆大質量恆星塌陷成一個黑洞，黑洞可能孕育出一個新的宇宙。斯莫林的研究一直建立在這一想法基礎之上。
黑洞產生的宇宙在很大程度上有別於與永恆暴脹有關的宇宙。在暴脹這種情況下，有關一個宇宙與另一個宇宙的物理學之間沒有任何聯繫。斯莫林指出，這個黑洞模型在很大程度上趨向於確定類型的物理學。他説：“任何產生更多黑洞的宇宙都將形成更為危險的宇宙。它的物理學將遺傳給自己的女兒。”作為結果，應該存在一個類似於自然選擇的過程，這一過程更青睞在物理學方面能夠形成更多黑洞的宇宙。類似這樣的宇宙成為多元宇宙的統治者。
斯莫林的模型擁有兩大重要優勢。首先，它解釋了我們的宇宙為何擁有當前的物理學定律，類似我們的宇宙形成可產生黑洞的大質量恆星，這些宇宙在很大程度上被選中。其次，它解釋了為什麼我們的物理學定律允許生命存在，原因在於：允許恆星存在的元素恰好與允許地球生命生物學存在的元素一致。
實際上，斯莫林的模型還擁有第三個優勢。斯莫林指出，他的黑洞多元宇宙假設能夠進行檢驗。能夠孕育最多數量黑洞的宇宙也擁有最多後代，我們的宇宙應該是形成黑洞的最理想選擇。斯莫林的假設——包括有關宇宙暴脹以及最重穩定中子星質量的想法——一直獲得相關支持。他説：“這一理論是可以驗證的。如果觀測結果與我的預測相矛盾，這一理論就是錯誤的。”如果斯莫林是正確的，便説明我們不僅僅生存於一個宇宙，而是一個完整的可能充滿生命的多元宇宙，即一個不受束縛的適居帶。