冰层下可能存在生命吗？宇宙射线来揭晓答案

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编译：王茸

校对：蔡贺菁 王婧彧

审阅：李宜骅

美编：张荣娜

后台：胡永葳

https://www.universetoday.com/articles/cosmic-rays-could-support-life-just-under-the-ice

土卫二（Enceladus/恩克拉多斯），土星的一颗卫星。

图像来源：NASA/JPL

如果你曾经梦想过探索太空，那你一定知道这会有一些严重的危险。其中之一就是宇宙射线。这些高速粒子能够穿透任何物质，包括我们的身体，破坏DNA并撕裂分子。尽管对没有防护的宇航员来说，它们听起来非常危险，但实际上它们可能有助于微观生命在木卫二或土卫二这类天体的冰层下方生存。

由纽约大学阿布扎比校区迪米特拉·阿特里（Dimitra Atri）领导的研究团队，对宇宙射线撞击水或冰时发生的辐射裂解过程进行了研究。高速粒子撞击水分子时会将其分解，释放出电子，而地球上的一些细菌会利用这些电子作为能量来源。外太阳系的冰冻世界中是否也可能存在类似的生命形式？

这正是阿特里团队想要了解的。高能辐射，如宇宙射线（和伽马射线），可以到达具有稀薄大气层的类地行星表面（例如火星）。这种辐射还具有足够的能量来电离这些行星上的原子和分子，从而为能够耐受高辐射水平的微生物生命形式提供了能量来源。其中一些微生物甚至能在这种环境中茁壮成长。因此，宇宙射线作为地外生命的潜在能量来源，这一假说具有合理性。

高速粒子的力量

宇宙射线释放出强大的辐射能量，其中大部分由氢原子核组成，但也有少量是氦或其他元素，它们来自宇宙中的多个辐射源。太阳会释放宇宙射线，超新星爆炸、密集的恒星群以及黑洞周围的活跃区域也会释放出宇宙射线。它们以接近光速的速度运动，科学家仍在研究它们获得能量的所有方式。当宇宙射线与地球大气层发生碰撞时，通常会被大气层阻挡。偶尔会有部分宇宙射线穿透大气层，并与大气粒子发生碰撞，从而产生次级粒子雨，这些粒子最终就会到达地表。

蟹状星云是数千年前一颗巨大恒星爆炸后留下的残骸，是宇宙射线的来源之一。

图像来源：NASA/ESA/亚利桑那州立大学

高速粒子，例如宇宙射线，在宇宙中扮演着重要角色，涵盖从星际空间中元素的生成到可能促使地球上生命诞生的活动。在地球上，我们常常将计算机故障和其他意外归咎于“宇宙射线”。大多数情况下，它们直接穿过我们，但通常不会造成损害。然而，如果我们进入太空或到达极高海拔区域（例如乘坐喷气式飞机），就会面临更多的这类粒子。探索近地空间、月球及更远的区域会使我们暴露在极具危险性的宇宙辐射中。在太空中，宇航员必须采取防护措施以避免辐射伤害。这种情况不仅存在于太空或月球上。探索火星时，因为火星大气层过于稀薄无法提供有效的屏蔽作用，人类将长期暴露在持续不断的宇宙射线中。

宇宙射线与冰冻世界

阿布扎比研究团队利用计算机模拟了宇宙射线对冰冻天体的撞击。其目的是探讨宇宙射线撞击火星及木星、土星的冰卫星等天体时，辐射裂解会产生多少能量。结果显示，土卫二是宇宙射线撞击冰层产生的能量足以支持其冰层下潜在生命形式的理想候选天体。火星也可能受益于宇宙射线流成为潜在的生命栖息地，木卫二同样具备这一潜力。

这些模拟实验启发了关于这类行星上存在“辐射可居住区”的构想。这种可居住区是指行星系统中的某个特殊区域，地下水（以液态或固态形式存在）可被宇宙射线激发，从而产生维持生命所需的能量。阿特里指出，如果这种得益于宇宙射线的可居住区确实存在，那么宇宙中就可能存在更多适合生命诞生的地方。

“这一发现改变了我们对生命可能存在于何处的看法，”阿特里说，“我们不再仅仅寻找温暖且有阳光照射的行星，现在可以考虑那些寒冷而黑暗的地方，只要它们地表下有水，并且暴露在宇宙射线中。生命可能在比我们想象中更多的环境中生存。”

更多地方的生命形式

想想看如果这些粒子的宇宙辐射能够促进生命形成（或演化），那么它将拓宽天体生物学家寻找生命的范围。许多冰冻世界存在，甚至在我们自己的太阳系中就可以找到。天体生物学研究现在主要集中在可能存在生命的表面，主要关注所谓“宜居带”，即行星表面存在液态水的区域。

由于宇宙射线能够穿透行星表面到达数米深处，这就为生命开辟了广阔的新栖息地。以木卫二为例，这颗位于木星高辐射环境中的卫星，也可能借助宇宙射线具备孕育和维持生命的能力。土卫二亦是如此。

在火星上，由于紫外线辐射增强、气候极度干燥以及温度极低，地表环境对生命而言极为恶劣。然而，宇宙射线撞击冰层下的地表层可能刺激其他循环过程，从而为某些生命形式（如嗜盐菌，一种喜盐微生物）提供一个相对适宜的生存环境，使它们能够在这样的环境中生存。

该团队的研究为在遥远星球上寻找生命提供了新的途径，包括一些此前科学家可能未曾想到过的地方， 例如冰冻星球的地表以下区域。而这些地方就是太阳系乃至更远区域中最黑暗、最寒冷的地方之一。

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部