硫磺信号：遥远海洋世界引发关于生命定义的新争论
她首先闻到了气味。
一位海洋生物学家曾告诉我，二甲基硫醚——这种化合物是海藻和腐烂浮游生物刺鼻气味的原因——是海洋中生命的香水。“闻起来像地球的呼吸，”她说，“如果地球从湿地呼气的话。”现在想象一下，这种气味不是从地球海岸飘来，而是从120光年之外飘来。
当宇航员将詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）指向 K2-18 b时，就发生了这样的事情，K2-18 b是一颗亚海王星大小的系外行星，围绕着狮子座中一颗凉爽的M矮星运行。
二甲基硫醚（DMS）是一种天然存在于地球上的有机硫化合物。它主要来源于生物来源，特别是海洋微生物（如浮游植物）的代谢过程。
这一发现并不能证明存在外星生命。它几乎没有达到科学上的“暗示”标准——略高于统计学上的3西格玛，这意味着仍然存在非偶然性的可能性。
你知道吗？在科学研究中，“3西格玛”结果意味着该发现与平均值相差三个标准差，使其发生的可能性极小（仅有0.3%的随机发生概率），因此被认为是真实效应的有力证据。虽然令人印象深刻，但科学家们通常需要更严格的标准——如“5西格玛”——才能宣布一项真正的发现，尤其是在粒子物理学等领域！
但这是迄今为止在系外行星上探测到的最强烈的多仪器生物硫化学气味。更重要的是，它正在点燃科学界的导火索，科学界仍然不确定如何在宇宙中定义生命——以及在哪里寻找生命。
它也揭示了我们在资助、解释和回应来自我们世界之外最紧急信号的方式上存在的深刻裂痕。
从数据中的窃窃私语到全球科学的引爆点
由剑桥大学天体物理学家尼库·马杜苏丹领导的K2-18 b研究团队一直很谨慎。他们使用了两条独立的数据管道。他们消除了潜在的人为因素。他们在公开和私下都强调，这并非生物特征的探测，而仅仅是一个挑衅性的信号。然而，数据所窃窃私语的是强大的：含硫气体，其浓度比彗星输送或火山活动可能解释的浓度高几个数量级，存在于主要由氢气和甲烷组成的大气中——这种情况奇怪地让人想起地球上最早的生物圈。 K2-18 b的传输光谱，显示了二甲基硫醚（DMS）的潜在探测结果。
| 观测 | 分子 | 显著性 | 仪器/日期 |
|---|---|---|---|
| 初始分析 | CH₄, CO₂ | 在宜居带中首次发现碳分子；支持Hycean世界假说 | JWST NIRISS & NIRSpec (2023-09-11) |
| 暂定探测 | DMS（可能） | 低显著性暗示；需要验证 | JWST NIRISS & NIRSpec (2023-09-11) |
| 增强证据 | DMS/DMDS | 3西格玛显著性；浓度>10 ppmv | JWST MIRI (2025-04-16) |
| 未来工作 | DMS/DMDS | 需要5西格玛确认；需要16-24小时的观测 | JWST（进行中） |
| 解释 | CH₄, CO₂, DMS/DMDS | 数据表明Hycean世界可能“充满生命” | JWST (2025-04-17) |
对于系外行星大气方面的专家来说，这与其说是一种声明，不如说是一种挑战。它提醒我们，我们可能在科学、机构和哲学上都严重准备不足，无法迎接我们即将进入的时代。
“当我们在谈论宜居性时，长期以来一直存在对类地环境的偏见，”一位与该研究无关的行星科学家说。“但如果这被证实，那就意味着我们花了数十年时间在错误的地方寻找错误的指纹。”
硫信号给天体生物学工具包中的几乎所有假设都带来了压力：生物特征应该是富氧的，生命需要类似地球的压力和温度，岩石行星比它们蓬松的亚海王星表亲更适合。最具争议的是，它挑战了美国宇航局和其他航天机构的普遍战略，这些机构历来优先执行寻找我们所知的生命迹象的任务——水、氧气、二氧化碳——在围绕类太阳恒星运行的地球大小的行星上。
K2-18 b不是地球大小的。按照传统标准，其厚厚的氢气包层应使其不适合居住。但如果这颗行星确实在其气体外壳下拥有一个浅层的全球海洋——一个所谓的“hycean”世界——那么我们看到的不仅仅是宜居带的外缘被推向了极限，而是被重新定义了。
Hycean世界是一个理论上的系外行星类别，其特征是在富含氢气的大气层下拥有广阔的、覆盖整个行星的液态水海洋。这些世界具有潜在的宜居性，融合了岩石超级地球和气态迷你海王星的特征，其中K2-18 b是一个值得关注的候选者。
确定性的局限性——以及延迟的代价
即使数据令人着迷，确认仍然难以捉摸。DMS和DMDS的探测结果徘徊在3西格玛左右——这是一个统计阈值，相当于“暗示性的，而非决定性的”。作为参考，粒子物理学界直到达到5西格玛才会宣布一项发现。这需要更多的凌星观测、更多的时间、更多的资金。 图表说明了科学发现中统计显著性（西格玛水平）的概念。
| 西格玛水平 (σ) | 置信水平（约） | 随机波动的几率（约） | 解释/阈值 |
|---|---|---|---|
| 1σ | 68% | 1/3 (32%) | 不太可能具有重要意义，随机发生的几率很高 |
| 2σ | 95% | 1/22 (5%) | 通常被认为在社会科学中具有统计学意义 |
| 3σ | 99.7% | 1/370 (0.3%) | 在物理学中被认为是“证据”；在某些领域可以接受 |
| 5σ | 99.99994% | 1/350万 (0.00006%) | 被认为是物理学中“发现”的“黄金标准” |
| 6σ | 99.9999998% | 1/5亿 (0.0000002%) | 用于质量控制（六西格玛方法旨在实现每百万次机会中3.4个缺陷，考虑1.5σ的偏移） |
这就是事情变得混乱的地方。
实现这一结果的JWST观测仅仅是一次5.85小时的短暂一瞥——几乎不足以从光谱噪声中刮取一丝暗示。“我们需要至少两到三次类似的观测才能达到我们需要的信心，”一位天文学家说。但韦伯时间是宝贵的，竞争非常激烈。每个请求都要与数千个其他请求竞争——星系形成、黑洞演化、恒星化学——所有这些都带有各自的发现承诺。
理论上，科学界有机制来优先考虑可能改变范式的科学。在实践中，望远镜分配委员会是保守的，警惕过度炒作主张和燃烧稀缺资源。还有一个更深层次的结构性紧张关系：系外行星生物特征工作处于天体物理学、行星科学、化学和生物学的不舒服的交叉点。没有一个机构或学科拥有它。
结果是政策真空。尽管数十年来一直有关于寻找生命的言论，但美国宇航局或欧空局内部并没有专门的生物特征确认计划。系外行星界必须搭载通用天文台，拼凑后续行动，并希望审查人员心情好，愿意承担风险。
讽刺的是：人类可能偶然发现了外星生命的气味，但我们却负担不起第二次嗅探。
“Hycean”叛乱：挑战以地球为中心的正统观念
K2-18 b的故事如此激动人心——也如此具有争议——的部分原因在于它对现状的挑战。
多年来，美国宇航局和其他机构一直专注于地球类似物：位于狭窄宜居带的岩石行星，大气富含O₂和CO₂。但正如JWST和早期望远镜所显示的那样，这些行星很难进行表征。云层和表面复杂性会抑制它们的信号。相比之下，像K2-18 b这样的富氢迷你海王星，曾经被认为是气体矮星，却出人意料地具有合作性。它们膨胀的大气层就像放大器，使光谱特征更容易被探测到。
天文学家主要使用诸如透射光谱学之类的方法分析系外行星大气。这包括研究当行星凌日其恒星时穿过滤过大气层的星光，从而使詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）之类的仪器能够探测到存在的化学特征。
然而，这种便利性是以概念上的代价换来的。这些不是舒适的生命摇篮——它们奇怪、潮湿，并且可能充满敌意。然而，含硫生物特征在它们的环境中实际上可能比氧气在我们的环境中更可见。
一位专注于太空研究的政策分析师说：“这是一场哥白尼式的转变。”“我们可能花了半个世纪的时间寻找我们喜欢的生命类型，而不是可能存在的生命类型。”
事实上，地球自身的历史提供了一个警示故事。在地球存在的大部分时间里，地球上的生命并没有呼吸氧气。它生活在缺氧的海洋中，向空气中喷射硫磺气体和甲烷——就像K2-18 b的拟议的hycean场景一样。换句话说，生命的气味可能是硫磺味的，而不是甜美的。
硫磺悖论：一种足以重要但不足以采取行动的信号
硫磺探测存在一些悲剧性的讽刺意味。它既是人类最先进望远镜的产物，也是我们官僚犹豫的象征。
马杜苏丹团队采取了一切预防措施：独立管道、严格的统计验证、针对系统性的稳健性检查、彗星撞击和火山活动等替代假设——所有这些都经过考虑，都发现不足。唯一有意义的途径，无论是在化学上还是在光谱上，都是硫化合物以已知物理学表明的生物来源的速度进行补充。
表格：K2-18b上DMS/DMDS的潜在来源及其估计贡献水平。
| 来源 | 合理性 | 估计贡献 | 主要限制和说明 |
|---|---|---|---|
| 生物活动 | 高 | 主要（ppmv水平） | 符合Hycean世界预测；没有已知的高丰度非生物类似物。 |
| 非生物化学 | 低到中等 | 不太可能（痕量） | 需要未知的途径；高CO₂可能破坏DMS；当前模型不支持。 |
| 彗星输送 | 可忽略不计 | 无关紧要 | 冲击波可能破坏DMS/DMDS；不足以解释观察到的丰度。 |
然而，由于统计规范和资源政治，这项发现现在处于悬而未决的状态。太重要了，不能忽视。还不够重要，无法触发全面搜索。
与此同时，地球上的实验室争先恐后地填补空白。氢气压力下DMS和DMDS的吸收截面很少。没有人预料到需要它们。现在，光谱学家竞相在实验室中重建系外行星大气层，以了解JWST究竟看到了什么——以及生命是否可能对此负责。
谁拥有生命的问题？
在某些方面，硫磺的故事讲述的是科学最激动人心的时刻：突破可知的边缘，解读来自遥远天空的幽灵信号。在其他方面，它讲述的是科学最具制度性的时刻：受传统、教条和错位激励的束缚。
这里没有坏人，只有系统性的惯性。一项旨在绘制星系图的任务瞥见了可能具有历史意义的事物——但跟进的机制充其量只是临时的。而且这种机制与公众的想象力不一致，公众长期以来一直将寻找生命视为一项值得进行的登月计划。
真正的问题不是K2-18 b上是否存在生命。而是当证据以一种微弱的、带有硫磺气味的星光闪烁的形式出现时，我们的系统是否能够回答这个问题——而不是以挥舞着的外星人的形式出现。
现在会发生什么？
马杜苏丹团队已提交新的后续凌日观测提案。其他小组也在加入这场竞赛，交叉检查模型，改进仪器，呼吁进行实验室实验和跨机构合作。
但时间线很脆弱。韦伯的运行寿命是有限的。像ARIEL或HabEx这样的竞争任务还需要数年或数十年才能完成。迅速转向硫磺生物特征的政治意愿仍未经过检验。
如果我们等待太久，该信号可能会消失在科学传说中——在漫长的错失机会历史中又一次诱人的“可能”。
但如果我们采取行动，如果我们收集正确的数据并构建正确的框架，我们可能很快就会确认，生命确实已经在扎根，不仅在熟悉的岩石地方，而且在超出阳光照射范围的奇怪、膨胀的水世界中。
一个世纪后，教科书可能会讲述我们第一次捕捉到外星生命气味的那一刻——在光年之外，并带有硫磺味。
以及在经过几个世纪的梦想之后，我们终于追随了它。