探索行星大氣的人

朗?考恩

在進(jìn)入研究生院前，天文學(xué)家薩拉· 西格爾曾花兩個(gè)月的時(shí)間在加拿大荒涼的努勒維特地區(qū)劃獨(dú)木舟。她在沉重的行李中塞了一本物理書，她的未婚夫邁克·沃里克與她同行。兩人在急流中劃著獨(dú)木舟，渡過(guò)一汪汪湖水。在湖泊之間，他們就拖著獨(dú)木舟在森林中穿行。

一天早晨，西格爾發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)處有一處林火。她并不擔(dān)心，只是想森林大火是常見的。但到了晚上，一股強(qiáng)風(fēng)迎頭吹來(lái)，平靜的湖水白浪洶涌，仿佛在鍋中沸騰。借著風(fēng)力，那火轉(zhuǎn)變了方向，燒到正對(duì)著他們的小路。為了等待風(fēng)和火的平息，他們?cè)脿I(yíng)帳，在野外過(guò)了一夜。

第二天，考慮到最壞的情況已經(jīng)過(guò)去，他們便劃著獨(dú)木舟沿一條小河逆流而上。突然，煙霧升起，午后的天空變得昏暗陰沉，橙色的火焰直撲河流的右岸?；艁y中，兩人放棄小舟爬向河邊的高地，在森林中的一片空闊地上扎了營(yíng)。

第二天早晨，大火過(guò)去，他們終于安全了。然而西格爾忘不了那次經(jīng)歷，而那遙遠(yuǎn)天空留給她的印象更是難以磨滅。

西格爾很快發(fā)現(xiàn)，她的研究對(duì)象就是那些遠(yuǎn)方天空中的大氣，但比努勒維特地區(qū)的大

氣遙遠(yuǎn)得多。她被哈佛大學(xué)錄取攻讀天體物理學(xué)博士學(xué)位，在那里，她成了第一批研究遙

遠(yuǎn)世界天空的人。那是幾千顆行星的世界，它們存在于太陽(yáng)系之外。

現(xiàn)在，2 1年過(guò)去了，西格爾正在籌劃探測(cè)環(huán)繞著遙遠(yuǎn)行星的大氣組成，它們能顯示很

多有關(guān)行星的信息，包括是否適合生命生存。例如在地球上，大氣中的氧和甲烷就是地球擁有生命的信號(hào)。當(dāng)然，除此之外，生命也能產(chǎn)生其他氣體。在遙遠(yuǎn)的星球上發(fā)現(xiàn)這些氣體能引導(dǎo)人們發(fā)現(xiàn)另一個(gè)地球——另外一顆巖質(zhì)的、相對(duì)不大且能孕育生命的星球。那里的生命可以如細(xì)菌一般簡(jiǎn)單，也可以是創(chuàng)造了文明的生物，也可能它們的文明比我們更加先進(jìn)。

2 0 1 1年， 當(dāng)西格爾4 0歲時(shí)，她開始將朋友和同行召集在一起，向他們征集找到另一個(gè)地球的辦法。她在講臺(tái)上用她特有的急速語(yǔ)調(diào)告訴聽眾，找到“地球2.0”并非像她曾經(jīng)預(yù)測(cè)的那樣是一種必然，但如果大家同心協(xié)力，依靠艱苦的努力和非凡的想象力，這件事就有可能辦成。

西格爾說(shuō)，發(fā)現(xiàn)第二個(gè)地球是一件“不可思議的事情的開始，是一個(gè)會(huì)延續(xù)數(shù)個(gè)世紀(jì)

的過(guò)程”，并預(yù)計(jì)“幾百年或者幾千年后人們將前往另一個(gè)世界”，而且“人們將回望自己，把我們稱為首次發(fā)現(xiàn)了另一個(gè)地球的人”。

然而，當(dāng)西格爾開始她的職業(yè)生涯時(shí)，并沒(méi)有就將來(lái)想那么多。事實(shí)上，她最早的研究

是讓她回到過(guò)去——宇宙的黎明。

最初的研究

西格爾最初的工作是在哈佛大學(xué)探索非常遙遠(yuǎn)的過(guò)去，那時(shí)宇宙中還沒(méi)有行星和恒星，處于宇宙大爆炸后大約幾十萬(wàn)年，是宇宙誕生的時(shí)候。天文學(xué)家想知道在將近1 4 0億

年前，宇宙中最古老的光是怎樣與當(dāng)時(shí)熾熱的氣體發(fā)生作用的。

今天的天文望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)搜集了一些這種古老的光。像所有的光一樣，它們能講述一些

遙遠(yuǎn)的故事。

一只燈泡發(fā)出的光看上去是白色的，但其實(shí)是由多種顏色或波長(zhǎng)組成。當(dāng)光穿過(guò)氣體

和塵埃，那些物質(zhì)中的原子和分子就會(huì)吸收特定的波長(zhǎng)，而光譜儀能顯示怎樣的波長(zhǎng)被吸

收掉了。在白光被分解成組成它的多種顏色光的情況下，這種顯示是一種暗縫，它像指紋

一樣表明那些吸收了特定波長(zhǎng)光的物質(zhì)的原子和分子擁有怎樣的身份。

西格爾就是利用那些古老的光來(lái)研究在早期宇宙中究竟發(fā)生了什么。與此同時(shí)，其他研究者發(fā)現(xiàn)了一些銀河系中令人驚訝的事情。

例如，在1 9 9 5年，天文學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)有行星正圍繞一顆像太陽(yáng)一樣的恒星運(yùn)行。在接下來(lái)的4年里，研究人員發(fā)現(xiàn)了七個(gè)這樣的世界，或者叫作系行星。這些發(fā)現(xiàn)引起了人們

的極大關(guān)注，科學(xué)家因此認(rèn)為，行星在銀河系中是普遍存在的。接下來(lái)，人們開始懷疑，在那些行星中可能還存在生命。

第一批被發(fā)現(xiàn)的行星非常怪異，它們大多是巨大的氣體行星，很像木星，但和木星不同的是，它們離自己的中心恒星非常近，比水星與太陽(yáng)的距離還要近得多。天文學(xué)家給這種接受著熾熱烘烤的行星起了一個(gè)綽號(hào)——熱木星。

開始的時(shí)候，人們認(rèn)為，除了通過(guò)觀測(cè)中心恒星來(lái)了解這些行星的質(zhì)量和距離外，人們對(duì)它們幾乎不可能有其他的了解。

在哈佛大學(xué)，迪米塔爾·薩塞羅夫是西格爾的導(dǎo)師，他意識(shí)到，西格爾曾經(jīng)用來(lái)探索早期宇宙的技術(shù)也能用于研究熱木星。西格爾可以用光譜儀觀測(cè)恒星的光，不同的是，那些星光應(yīng)該是穿過(guò)了系外行星的大氣層才抵達(dá)地球的。這樣一來(lái)，光譜儀就能顯示被那些大氣吸收后呈現(xiàn)的波長(zhǎng)。

接下來(lái)，西格爾開始被一個(gè)陳舊的問(wèn)題所困擾：我們?cè)谟钪嬷惺仟?dú)一無(wú)二的嗎？

天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)了越來(lái)越多的系外行星，但他們沒(méi)有辦法到那些遙遠(yuǎn)的地方去做進(jìn)一步

的查證?，F(xiàn)在，西格爾找到了一種辦法回答上述疑問(wèn)。

▋進(jìn)入外星世界

假如當(dāng)年加拿大北部的林火靠近西格爾的時(shí)候她有一個(gè)光譜儀，她可以把儀器朝向太

陽(yáng)。這時(shí)，光譜儀的測(cè)量值會(huì)讓她知道，那團(tuán)火焰中到底流動(dòng)著怎樣的氣體。

現(xiàn)在，讓我們想一想，假如天文學(xué)家能夠觀測(cè)一顆恒星發(fā)出的光穿過(guò)遙遠(yuǎn)系外行星的大氣層，他們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么呢？從理論上說(shuō)，科學(xué)家可以用這種方法知道那個(gè)大氣層中的氣體組成，就像我們對(duì)地球大氣層能夠做到的一樣。這就是西格爾想要實(shí)現(xiàn)的理念。

2 0世紀(jì)9 0年代，一些科學(xué)家認(rèn)為，想要了解環(huán)繞著系外行星的大氣層可能是沒(méi)有意義的妄想。首先，這些行星的存在看起來(lái)是如此模糊，天文學(xué)家只能間接地發(fā)現(xiàn)它們，即通過(guò)它們對(duì)中心恒星產(chǎn)生的引力知道它們的存在。

西格爾沒(méi)有灰心，她將證明他們的擔(dān)心是錯(cuò)誤的。

西格爾表示，系外行星的大氣層是可以觀測(cè)到的，觀測(cè)的時(shí)機(jī)就出現(xiàn)在行星運(yùn)行經(jīng)過(guò)

中心恒星和望遠(yuǎn)鏡之間的時(shí)候。這種經(jīng)過(guò)恒星表面的現(xiàn)象叫作凌日。

即使工作繁忙，西格爾也要在每年夏天留出一個(gè)月時(shí)間去劃船或者露營(yíng)。1 9 9 9年，她獲得博士學(xué)位，這是美國(guó)第一次將博士學(xué)位授予一位研究系外行星的人。

畢業(yè)不久，西格爾通過(guò)計(jì)算得出，一顆系外行星，即使是很小的系外行星，它的大氣層中也能比較容易地檢測(cè)到鈉的存在。這是因?yàn)殁c能在星光中產(chǎn)生一種可檢測(cè)到的暗縫。

2年后，即2 0 0 1年，天文學(xué)家證實(shí)了西格爾的預(yù)測(cè)。研究人員使用哈勃空間望遠(yuǎn)鏡

檢測(cè)到存在于一顆熱木星外層大氣中的鈉，這是人類第一次檢測(cè)到了系外行星的大氣層。這顆行星圍繞一顆名為HD2 0 9 4 5 8的很像太陽(yáng)的恒星運(yùn)行。如此迅速、順利地通過(guò)觀

測(cè)證明了自己的預(yù)測(cè)，西格爾很是驚訝。

職業(yè)選擇

西格爾的童年是在加拿大多倫多度過(guò)的，那段日子并不順利。她小學(xué)時(shí)，父母離婚了。西格爾更親近當(dāng)醫(yī)生的父親。父親對(duì)女兒有兩個(gè)態(tài)度：一是無(wú)論她做什么，他都相信她會(huì)做得很好；二是她應(yīng)該選擇一份能夠養(yǎng)活自己的職業(yè)。針對(duì)第二個(gè)態(tài)度，天文學(xué)家似乎并不是一個(gè)正確的選擇。

然而1 0歲時(shí)，西格爾一家在位于安大略省東南的邦艾科省立公園體驗(yàn)了一次露營(yíng)。那

天半夜，西格爾來(lái)到帳篷外舉頭看天?！拔艺痼@了，”西格爾回憶說(shuō)，“天空布滿了星星，沒(méi)有星星的地方非常少。我完全不知道夜空居然是這樣的，沒(méi)有人告訴我這個(gè)?！?/p>

1 9 9 0年，西格爾進(jìn)入多倫多大學(xué)學(xué)習(xí)物理，后來(lái)，這位年輕的女性轉(zhuǎn)而研究天文學(xué)。她現(xiàn)在就職于麻省理工學(xué)院，在那里探索具有驚人差異性的行星大氣，成為第一批分析熱木星和迷你海王星大氣組成的科學(xué)家。

銀河系包含數(shù)十億顆甚至更多的恒星，而天文學(xué)家已經(jīng)在銀河系中找到了接近2 0 0 0

顆系外行星。有人估計(jì)，銀河系中可能存在著1 0 0 0億顆行星。

美國(guó)航空航天局的開普勒空間望遠(yuǎn)鏡已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多系外行星，既包括像木星這樣的大個(gè)頭，也包括水星大小的小個(gè)頭，但最令人興奮的是那些介于兩者之間、很接近地球大

小的行星。天文學(xué)家估計(jì)，銀河系可能擁有4 0億顆和地球差不多大小的行星。

然而，西格爾并不滿足只是找到地球大小的行星，她需要一顆真正夠格被稱為地球雙胞胎的行星，它是另一個(gè)地球，圍繞著像太陽(yáng)一樣的恒星運(yùn)行。像我們的地球一樣，這個(gè)

“地球2.0”必須位于天文學(xué)家所稱的宜居帶，在那里，一顆行星繞著它的“太陽(yáng)”運(yùn)行的軌道會(huì)處在恰到好處的位置上，溫度不太高也不太低。在這種行星的表面，水也會(huì)保持液態(tài)。這非常重要，因?yàn)槲覀冎溃簯B(tài)水是生命存在不可或缺的因素。

尋找外星生命的新方法

作為搜尋工作的一部分，西格爾成了美國(guó)航空航天局系外行星凌日觀測(cè)衛(wèi)星任務(wù)小組

的一員。這個(gè)簡(jiǎn)稱為TESS 的項(xiàng)目是一個(gè)自動(dòng)太空望遠(yuǎn)鏡，預(yù)計(jì)2 0 1 7年發(fā)射。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡將觀測(cè)天空中最亮的恒星出現(xiàn)的所有亮度變化，因?yàn)檫@可能意味著一顆行星正在經(jīng)過(guò)那顆恒星的表面。

由于地球大小的行星相對(duì)較小，所以凌日行星途經(jīng)恒星前方時(shí)是研究它們的最好時(shí)機(jī)。一旦發(fā)現(xiàn)了這種情況，另外一臺(tái)更加強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡就會(huì)在更多的細(xì)節(jié)上觀測(cè)它們。這是未來(lái)的一項(xiàng)太空任務(wù)，即計(jì)劃于2 0 1 8年發(fā)射的詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡。這臺(tái)望遠(yuǎn)鏡能

確定系外行星大氣中的化學(xué)組成。這些化學(xué)組成暗示了行星上是否有可能存在生命，它們

包括甲烷、二氧化碳和水蒸氣。在地球的大氣層中，這些物質(zhì)都存在。

2 0 1 3年，西格爾因她在系外行星方面的研究成果獲得了麥克阿瑟基金會(huì)的天才獎(jiǎng)。她萌生了新的想法，即研究和地球不相似的系外行星上的生命跡象。這種系外行星上的生命和地球上的生命很不同，它們會(huì)在大氣中留下獨(dú)特的化學(xué)特征，西格爾將研究如何獲得這種類型的化學(xué)特征。

外星生命可能使用和地球生物很不一樣的化合物來(lái)維持生存，比如硫，其方式或許很像地球生物依靠碳生存的方式。若真是這樣，西格爾就想知道那種生命形式會(huì)如何影響自己星球上的大氣，并最終檢測(cè)到那種氣體。

為了達(dá)到這個(gè)目的，西格爾找到一個(gè)新的途徑，即在望遠(yuǎn)鏡上利用一個(gè)巨大的屏來(lái)遮

擋星光。如果星光被遮擋住了，望遠(yuǎn)鏡便能研究那些非常模糊的，甚至比地球還小的行星。

在另一項(xiàng)研究中，西格爾將和生物學(xué)家合作，探討系外行星上的生物有可能向大氣中釋放怎樣的氣體。毫無(wú)疑問(wèn)，未來(lái)西格爾的工作還有很多。