天文太空

甲烷謎霧:火星和泰坦上有生命嗎?

甲烷可能暗示了生命的存在,也可能是異常地質活動的象徵;但無論如何,在火星與泰坦的大氣中偵測到甲烷,是太陽系最引人入勝的謎團。

撰文/阿提耶(Sushil K. Atreya)
翻譯/邱淑慧

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甲烷謎霧:火星和泰坦上有生命嗎?

甲烷可能暗示了生命的存在,也可能是異常地質活動的象徵;但無論如何,在火星與泰坦的大氣中偵測到甲烷,是太陽系最引人入勝的謎團。

撰文/阿提耶(Sushil K. Atreya)
翻譯/邱淑慧

除少許縹緲的雲(白色部份)之外,火星可見之處看來幾乎是靜止的,但是甲烷的出現,暗示著地底下可能有著生物或地質化學方面的活躍活動。

太陽系裡的所有行星,除了地球之外,火星可說是公認最有孕育生命潛力的了,可能現在有生命存在,也可能是曾經有生命。火星有許多與地球相似的特性,例如:形成過程、早期氣候史、有水儲存,以及火山和其他地質活動等,這些可能正是微生物所需要的。而另一個經常被列入討論,認為可能有外星生物存在的,則是土星的最大衛星——泰坦(Titan,或稱「土衛六」)。剛生成的泰坦,曾經有利於生命前驅分子形成的環境,有些科學家相信泰坦上曾經有生命,甚至可能現在就正有生命存在著。

使這些可能性更引人關注的是,天文學家研究這兩個天體時,都偵測到一種經常伴隨生命出現、與生命息息相關的氣體——甲烷。火星上的甲烷量雖不多,但很顯著;而泰坦則幾乎為甲烷所覆蓋。甲烷來自生物的可能性,不亞於來自地質活動的可能性,就算在泰坦上不是,至少在火星上是如此。這兩種可能性以不同的方式解釋甲烷的出現,而且都相當合理,這顯示我們在宇宙中或許沒有那麼孤單,不然就是在火星與泰坦的地底下,都有大量的液態水,並且伴隨著出乎意料的地球化學活動。如果能夠了解這些天體上甲烷的來源與命運,將可以得到至關重要的線索,使我們得以更了解太陽系內甚至太陽系外那些類似地球的天體,包含其形塑過程、演化和生命存在的可能性。

在木星、土星、天王星與海王星這些巨行星上,甲烷的含量很高,這是原始太陽星雲經化學作用後的產物。不過在地球的大氣中,甲烷卻屬於特殊氣體,含量只有1750ppbv(1ppbv表示體積比率為10億分之一),其中有90~95%是來自生物。草食性的有蹄動物如牛、羊和犛牛等,排出的甲烷佔全球甲烷年排放量的1/5;這些氣體是來自牠們腸子裡細菌作用後的新陳代謝產物。其他重要的來源,包含了白蟻、稻田、沼澤以及天然氣(天然氣也是古代生命所形成),還有赤道雨林植物也會釋出甲烷(請參見2007年3月號〈植物、甲烷與全球暖化〉)。在地球上,火山作用所產生的甲烷佔總量不到0.2%,而且經由火山作用所排出的,甚至可能是古代有機體所產生的甲烷。相較之下,來自非生命作用的甲烷,例如工業過程所產生的,就不是那麼重要了。因此,一旦在其他類似地球的天體上偵測到甲烷,自然也就提高了該天體有生命存在的可能性。

大氣層中的角色

就在2003與2004年,有三個獨立的研究團隊宣佈在火星大氣中發現甲烷。美國航太總署(NASA)哥達德太空飛行中心的孟瑪(Michael Mumma)帶領研究團隊,利用位在夏威夷的紅外線望遠鏡與位在智利的雙子星天文台南座望遠鏡,以高解析度光譜儀偵測到火星上甲烷的濃度超過250ppbv,濃度隨著地點而不同,可能也會隨著時間而變。任職於羅馬物理與行星際科學研究所的佛米沙諾(Vittorio Formisano)與同事(包含我)分析了數千個蒐集自火星快遞軌道衛星的紅外線光譜,我們發現的甲烷含量低得多,約0~35ppbv。一般行星的平均值約接近10ppbv。後來,美國天主教大學的斯若波斯基(Vladimir Krasnopolsky)和同事利用加法夏望遠鏡(CFHT)測量到的行星平均值約為10ppbv,不過因為訊號與空間解析力不夠,他們無法測量到在行星上的變化情形。

孟瑪的研究團隊正在重新分析他們的資料,想找出為什麼數值會有這麼大的差距。以目前來說,我會把10ppbv的值當做是最有可能的,這樣的甲烷濃度(單位體積的分子數)相當於地球大氣中甲烷濃度的十萬分之四。不過,即使是這麼低的含量,也仍需要解釋。

雖然天文學家早在1944年就已經偵測到泰坦上的甲烷,不過這只是當時發現氮的附加發現,過了36年,氮的發現廣泛引起各界對這個寒冷且遙遠衛星的興趣。氮是胺基酸與核酸等生物分子的關鍵成份,所以大氣中含有氮和甲烷,加上地面氣壓是地球大氣壓力的1.5倍,可能正提供了生命前驅分子所需的要素,有些人推測,這裡甚至可能有生命形成。

要維持泰坦厚重且充滿氮的大氣,甲烷扮演著具控制性的中心角色。甲烷是碳氫化合物霾的來源,它吸收了太陽的紅外線輻射,並且使平流層增溫將近100℃,在對流層內,則是氫分子的碰撞使對流層升溫20℃。如果甲烷用盡,溫度會下降,氮氣就會凝結形成液態的雨,大氣也因而瓦解,泰坦的特性將會永久改變,它的煙霧和雲會消散。看似一直在雕刻著地表的甲烷雨會停止,湖泊、水坑與河流將會乾涸。而且,因為掀去了覆蓋的面紗,泰坦荒涼的地表將得以赤裸裸地呈現,在地球上可以用望遠鏡直接看清楚,那麼,泰坦將不再具有神秘感,並且成為有著薄薄大氣的一顆普通衛星。

火星和泰坦上的甲烷,是像地球一樣來自生命?抑或是有其他的解釋,例如火山、彗星與隕石的撞擊?我們把地球物理、化學與生物作用的相關知識應用在火星上,有助於縮小可能的來源範圍,而許多相同的論點應用在泰坦上也相當吻合。