天文生物學超入門：從生命起源到系外生物探測，探索宇宙演化的嶄新學問

「地球之外存在生命嗎？」
探究宇宙最大的謎題之科學

美國太空總署（NASA）對天文生物學的定義是
「研究地球上和地外生命的起源、演化、分佈、未來的學問」。
包含地球在內，只要跟「宇宙」和「生命」有關的東西都被涵蓋其中。

在序章，我們將介紹天文生物學最新的熱門話題，俯瞰整個天文生物學的全貌。
接著，我們會在第1部（第1章和第1章）的「太陽系內的生物探測」、
第2部（第3章和第4章）的「太陽系外的生物探測」介紹各個主題的詳細內容。

其中本書將重點著墨─今後10～20年預期將有巨大進展的「太陽系外生物探測」。
其實在太陽系的「鄰居」星系，也可能存在生命喔！

田村元秀
東京大學大學院教授、天文生物學中心主任（兼職於日本國立天文台）。1988年，京都大學大學院理學研究科博士課程畢業。理學博士。曾任美國國家光學天文台研究員、NASA噴射推進實驗室研究員、日本國立天文台助理教授、副教授，分別於2013年和2015年就任現職。專長為系外行星天文學、恆星╱行星形成、紅外線天文學。曾獲日本天文學會林中四郎獎和東麗科學技術獎。著有《太陽系外行星》（日本評論社，2015）和《尋找第二個地球！》（光文社，2014）和《天文生物學》（合著，化學同人，2013）。

大家有聽過「天文生物學（Astrobiology）」這個詞嗎？

既然會從書架上拿起這本書，代表對這個名詞感興趣，所以大家的回答應該是「有」吧。不過，對很多人而言，這或許還是個很陌生的詞彙。
這個詞是天文學（Astrology）和生物學（Biology）組合成的新造詞，實際上有很多不同的含義。比如，美國太空總署（NASA）的定義是「研究地球上和地外生命的起源、演化、分佈、未來的學問」。因為這個定義很廣，所以包含地球在內，只要跟「宇宙」和「生命」有關的東西都被涵蓋其中。另一方面，在醫學上，這個詞主要是指在太空站等微重力環境對人體影響的研究，雖然跟前者的語義稍有出入，但廣義上也包含在此定義內。
但領域的定義「鬆散」絕對不是一種缺點，反而有助於眾多領域的研究者合作，推動「領域融合」，是一種優點。實際上，天文生物學的研究集結了過去被分散在天文學、物理學、生物學、地球科學、醫學、工程學等各個不同領域的研究者。我自己也是其中一個被天文生物學從天文學界吸引而來的研究者。

本書網羅了近年在定義廣泛的天文生物學中備受注目的幾大主題。在序章，我們將介紹天文生物學最新的熱門話題，俯瞰整個天文生物學的全貌。接著，我們會在第1部（第1章和第1章）的「太陽系內的生物探測」、第2部（第3章和第4章）的「太陽系外的生物探測」介紹各個主題的詳細內容。
其中本書將重點著墨我的專長領域，也就是今後10～20年預期將有巨大進展的「太陽系外生物探測」上。探索火星生命等太陽系內的生物探測當然也很吸引人，但我認為太陽系「外」生物探測的精彩程度也絲毫不遜色。這裡就給大家介紹一個例子吧。其實在太陽系的「鄰居」星系，也可能存在生命喔！

位於南天的半人馬座α星，是肉眼仰望夜空時全天空第三亮的恆星。其實這顆星星不是單一恆星，而是由兩個類似太陽的恆星組成的聯星。1915年，天文學加在這個星星稍遠的位置發現一個肉眼看不見的暗星，而且已知這個星星是離太陽系最接近的恆星。然而，它的距離即使用光速航行也要大約4年才能到達，以目前的技術不可能搭火箭從地球前往。這顆恆星稱為「比鄰星」或「毗鄰星」。比鄰星離我們這麼近，卻暗得無法用肉眼看見，是因為它是一個比太陽更輕、更冷得多的恆星。半人馬座α星是離太陽系第二近的恆星，後來科學家認為它跟比鄰星其實是一個三合星系統。

在發現比鄰星後大約過了100年，在2016年時，天文學家在這顆恆星的適居帶（habitable zone）發現了一顆跟地球類似的行星，並命名為比鄰星b。所謂的適居帶（habitable zone），是指行星跟恆星保持適當的距離，行星表面的水不會蒸發，也不會結凍，推測可以液態存在的溫度。換言之，比鄰太陽系的比鄰星系內存在著類似地球的行星。
但是，因為這個「第二地球」的恆星很暗，所以它跟恆星的距離（適居帶）非常近，大約只有地球到太陽距離的20分之1左右。這導致這顆行星總是用同一面朝向恆星，只有朝向恆星的那一面被持續加熱的「異形地球」。同時，來自恆星的紫外線和X射線很強，對生物來說可能非常難以生存。然而，正因為環境跟地球大相徑庭，所以對融合了多種領域的天文生物學而言，研究生命能否在該環境下生存反而是一個有趣的題目。順帶一提，天文學家在比鄰星系內還發現了另外兩顆行星。

在太陽系外行星研究領域，科學家正努力觀測像比鄰星這種小質量恆星周圍的類地行星。雖然對人類來說，類太陽恆星周圍的行星研究起來更容易，但這種小質量恆星的周圍更容易發現小質量的行星，而且數量也更多。比如現在服役中的NASA TESS衛星（凌日系外行星巡天衛星），以及日本天文生物學中心開發的昴星團望遠鏡用的新型紅外線光譜儀IRD，都在致力探索像比鄰星這類靠近太陽系的小質量恆星周圍的類地行星。
在此過程中發現的恆星，對在2021年聖誕節發射升空，2022年7月11日公開了第一張精緻全彩圖像的詹姆斯・韋伯望遠鏡來說，是絕佳的觀測對象。只要比較類地行星通過恆星前面和沒有通過時的照片，就能從兩者圖像的差異分析出該行星的大氣資訊。透過這類觀測，科學家可以得知該行星的大氣中是否存在生命所需的水和其他分子。
除此之外，預定將在2020年代後半到2030年代前半啟用的次世代30m級大型地面望遠鏡（ELT、TMT、GMT）上，將具備可直接拍攝太陽系外行星的特殊裝置（日冕儀），能直接調查行星表面的大氣成分。直接跟地球這種存在生命的行星大氣比較，尋找諸如此類的生命徵兆，被認為將是「太陽系外行星的天文生物學」最重要的里程碑。近年，抑制高亮度恆星的光線，以拍攝附近之黯淡行星的技術逐漸進步，比如昴星團望遠鏡已能直接拍到在圍繞類太陽恆星公轉的「第二木星」的影像。等這項技術更加進步，應用到30m級望遠鏡上，相信屆時將直接拍攝「第二地球」的圖像。

即使是對宇宙、天文、生物都不熟悉的人，相信在抬頭仰望夜空，看見平時從未注意到的繁星時，也可能會不禁思考自己究竟為何會誕生在宇宙中。宇宙中有這麼多星星，存在生命是不是必然的結果呢？又或者像地球這樣孕育生命的行星是獨一無二的存在呢？這世上到底有沒有外星人呢？是不是一想到火星上可能存在生命，你就輾轉難眠呢？我將本書推薦給所有曾有此類想法的人。當然，即便你平常從未想過這些問題，我也希望本書能勾起你對天文生物學的興趣。

前言 2

序章　宇宙最大的謎題：地球之外存在生命嗎？

暗淡藍點與航海家金唱片 14
地球只是宇宙的一個「暗淡藍點」
像地球一樣的星球在宇宙是獨一無二的嗎？
航海家號攜帶的金唱片
世界各國陸續發射火星探測器 20
紅色行星：火星上也曾孕育生命？
立志成為太空強國的中國也發射了火星探測器
將火星石頭帶回地球的第一步
尋找有生命行星的詹姆斯・韋伯望遠鏡 25
由NASA發射的革命性太空望遠鏡
主鏡在摺疊狀態下發射升空
剛開始觀測就有了諾貝爾獎級的發現!?
為何天文生物學正備受注目？ 31
將「地球生物學」擴張到宇宙
天文生物學受注目的2個原因
生命即使在嚴酷的環境下也能存續
人類如何看待地外生命的存在 35
想像異世界居民的古代人
主張外星人存在而被處以火刑的神父
羅威爾引發的火星運河周論
太空探索時代的揭幕和外星生物學的誕生


第1部　太陽系內的生物探測

第1章　地球上的生物是如何誕生的呢？

太陽系的行星們 42
距離的單位：天文單位和光年
依組成成分分類行星
衛星、小行星、隕石
冥王星跟古柏帶天體
位於太陽系邊緣的無數小天體
太陽系的誕生與行星形成之謎 49
星星誕生自宇宙中的氣體和塵埃
太陽的誕生
岩石行星的誕生
氣態巨行星與冰巨行星的誕生
行星形成理論必須進行大幅修改？
什麼是太陽系適居帶？ 56
「生命能居住的區域」在哪裡？
火星表面無法存在液態水的原因
氣態巨行星周圍的適居帶
生命到底是什麼？ 61
生物的4個「特徵」
擁有細胞膜和表皮等境界
可用化學反應合成、分解物質
會自我複製或繁衍後代
達爾文式演化
有關生命起源的研究歷史 66
生命來自非生物？
自然發生說的否定與演化論的登場
只有最早的生物是自然發生的？
米勒和尤里的衝擊性實驗
地球最早的生命是何時、何地誕生的？ 71
不斷被天體轟炸的原始地球
地球海洋的誕生
尋找最古老生物的化石
地球的生物是在哪裡誕生的？
最初的生物來自宇宙？ 76
知名科學家們都信奉的胚種論
生命的種子是彗星帶來的？還是智慧生物種下的？
地球的生物是由來自宇宙的有機物質形成的？
在極端環境中的生活的生物們 82
在深海生育的超嗜熱細菌
地表之下也存在生物的樂園！
發現能用近紅外線行光合作用的植物
宇宙中存在很多能利用紅外線的生物？

第2章　火星、木星、土星的衛星上存在生命嗎？

維京號探測器的火星生物探測任務 86
火星是滿佈撞擊坑的乾燥星球？
火星的地形豐富，且曾經存在液態水？
從歡喜到失望的維京號火星生物探測計畫
在來自火星的隕石上發現了生命的蹤跡？ 91
在南極發現的隕石引發巨大騷動
火星存在生命蹤跡的「4項證據」
這些結構物真的是微生物化石嗎？
火星在過去曾是「水星」 95
火星探測的新關鍵字是「找水！」
現在的火星地表也存在液態水！
在火星尋找有機物
今後的火星生物探測計畫 100
以未來的樣本回收為目標
生命探測跟「行星保護」的關聯
從火星的衛星上帶回火星的生物蹤跡？
木星、土星的冰衛星生物探測 105
南極冰層下的廣大湖泊存在生命嗎？
擁有內部海的木星冰衛星們
兩顆木星冰衛星的探測計畫
土星的衛星是最適合外星生物的行星？
極低溫和超高溫星球上也可能存在生命嗎？ 111
負180°C的行星：土衛六上存在液態甲烷湖
或許會發現迥異於地球生物的「土衛六型生物」？
灼熱的行星：金星上也有生物？


第2部　太陽系外的生物探測

第3章　太陽系外也有「第二地球」嗎？

「行星狩獵」的苦鬥史 118
在燈塔旁邊找螢火蟲有多難
終歸一場空的巴納德星系外行星
利用恆星的「前後搖晃」來尋找系外行星
找到的系外行星竟有意想不到的型態！ 124
終於發現系外行星！
對系外行星發現的質疑聲音？
追蹤觀測的重要性
系外行星的多樣姿態 129
發現數量激增的原因
起初發現了大量「異形行星」
擁有極端橢圓軌道的怪異行星
甚至發現了《星際大戰》中出現的行星
這麼多樣的系外行星是如何誕生的？
各式各樣運用間接方式偵測系外行星的方法 138
利用都卜勒法偵測系外行星的黃金時代
凌日法的崛起與興盛
結合兩種偵測法的最強組合技
漸受關注的「第三種間接偵測法」
克卜勒太空望遠鏡帶來的系外行星探測革命 144
使系外行星發現數量飛躍性上升的克卜勒太空望遠鏡
在發生故障後仍啟動新任務
後繼機種TESS發射升空
靠近太陽系且可能擁有海洋的系外行星？
系外行星探測的主要成果 150
幾乎所有恆星都存在行星
系外行星的內部結構和大氣成分也十分多樣
開始發現宜居的系外行星
展開類地行星的性質調查

第4章 我們能找到寄宿生命的系外行星嗎？

好想直接觀測系外行星的光！ 156
直接觀測系外行星的難度
銳化模糊圖片的自適應光學技術的威力
隱藏明亮恆星光芒的日冕儀
目標是直接拍攝系外行星
星體周圍的圓盤結構是由行星組成的？
捕捉到成長期原始行星的姿態
Column　日冕儀的歷史
用紅外線捕捉類地行星的姿態 168
恆星的質量、溫度與適居帶的關係
新型紅外線都卜勒儀器（IRD）的開發
揭開M型主序星的化學組成
成功用紅外線發現最初的系外行星
用次世代超大型望遠鏡尋找有生命的行星 174
當前的8～10公尺級大型望遠鏡
日本參與設計的30公尺級超大型望遠鏡計畫「TMT」
觀測南天的兩個超大型望遠鏡計畫
太空望遠鏡的系外行星生物探測 180
地面望遠鏡跟太空望遠鏡的角色差異
使用太空望遠鏡的天文測量法系外行星探測
太空望遠鏡和地面望遠鏡的合作
首次公佈照片的詹姆斯・韋伯太空望遠鏡
未來的太空望遠鏡計畫
孤立的系外行星、流浪行星的探測 188
發現沒有主星，在太空漂流的行星
一次發現多達100個流浪行星
流浪行星是如何誕生的？
流浪行星上存在生命嗎？
在系外行星尋找生命的徵兆 192
將探測器送往系外行星很困難
反問「地球上存在生命嗎？」的薩根實驗
什麼是生命印跡？
尋找太空植物的反射光！
質量比太陽更小的恆星周圍的系外行星生命探測 197
分析M型主序星行星的紅邊
利用植物發出的「螢光」當生物標記
天文生物學的未來 201
系外行星探測、生物探測的未來展望
關於天文生物學中心
ABC的3個計劃室