系外星球上的閃電

自然界最震撼的閃電奇觀之一。閃電可出現(xiàn)于潮濕的云層，噴發(fā)的火山灰或太陽系外的世界。圖為智利pccvc火山群的閃電照亮了天空。

閃電是一種稍縱即逝的現(xiàn)象，它能塑造行星的大氣層，甚至激發(fā)出生命。閃電對研究大氣成分具有重要的價值。研究學(xué)者迫切想知道更多關(guān)于其他星球是否也有閃電的可能性，這不僅僅是因為它影響了太空項目所使用的技術(shù)裝備，更是因為它是尋找外星生物存在證據(jù)的一個重要線索。

1979年3月5日，“旅行者”號航天器疾馳經(jīng)過木星，并發(fā)送回來一幅帶有顆粒的快照，所拍內(nèi)容先前只在地球上看到過：閃電爆發(fā)。這證明這種大氣中的奇觀并非地球所獨有。

閃電一是股由極速的電子形成的大氣層規(guī)模的電火花，有大氣層就會有閃電。在此次發(fā)現(xiàn)后，航天器在我們太陽系的其他星球也觀察到閃電：從金星云層的頂部到土星的衛(wèi)星泰坦，尤其是土星本身，那兒的電風(fēng)暴如此巨大和光亮，甚至白天都光芒四射。

同樣，在浩瀚的銀河系中千千萬萬系外行星的天空中肯定有強大的電流爆裂。不過，迄今尚未得到證實。蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的德國物理學(xué)家克里斯蒂安·海林想確認數(shù)十萬光年遠的外星閃電，但由于我們還沒有比光速更快的交通工具，所以她只能用功能日益強大的天文望遠鏡來觀察。

這樣的搜索觀察很重要，因為盡管閃電來去匆匆，瞬間即逝，但是電爆裂會改變其周圍空氣的構(gòu)造。實際上，閃電的作用很巨大，它正是生命自身最為重要的組成部分。

一切形式的閃電都起始于云層，所以海林的研究也是如此。她總是很喜歡研究她所謂的“微物理學(xué)”，這是一種用肉眼看不見的微小尺度上的微細顆粒的相互作用。2001年，博士后海林研發(fā)出名叫“漂移”的計算機模型。描述在重力作用下，微細顆粒在云層中漲落起伏的運動狀況。她逐漸了解到建立模型對于剛開始研究閃電的新手非常重要。

海林使用計算機模型模擬灰塵在褐矮星的大氣層中的旋轉(zhuǎn)和卷渦運動。褐矮星是氣態(tài)構(gòu)造，它尺寸太大，溫度太高，不能歸于行星，可是它的尺寸和溫度又算不上恒星。通過研究這些“不合格的恒星”所發(fā)出的光，天文學(xué)家可以得知它們的構(gòu)造成分。到目前為止，天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多熟悉的分子，如氧和二氧化碳，以及硅和鐵礦物質(zhì)。

使用模型“漂移”，海林發(fā)現(xiàn)這些分子能形成她所謂的“寶石云彩”，這是因為作為云彩構(gòu)造成分的硅酸鹽和金屬會使云彩光亮四射，五彩繽紛。在她的模型中，云彩中的大氣氣體有時會凝結(jié)在閃閃發(fā)光的塵埃顆粒上，并使顆粒尺寸增大至數(shù)毫米的尺度。這里正是人們感興趣的地方，因為這些顆粒經(jīng)常發(fā)生碰撞，產(chǎn)生出閃電爆發(fā)的要素——電荷。

在我們地球上，風(fēng)暴云是由帶電的水滴和冰雹組成的。但是水并不是產(chǎn)生閃電的唯一因素，它只不過是攜帶電子的媒介。在猛烈的火山爆發(fā)之后，翻轉(zhuǎn)卷渦的火山灰也會帶電。

這就為閃電搭建了舞臺。不論是來自“寶石云彩”，或水滴，還是火山灰，這些云層內(nèi)的不同電荷都創(chuàng)造出電場。任何自由電子會極速前進奔向正電荷一側(cè)，正如在地球的引力場中的球體會下落一樣。在獲得相互碰撞、“下落”和倍增的足夠電子后，閃電就形成了。

海林的研究顯示，褐矮星的閃光云彩，也會創(chuàng)造出這樣的電荷。2009年，她感到疑惑：是否這些充滿灰塵的云彩正是外星閃電風(fēng)暴產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

也在這一年，天文學(xué)家們開始發(fā)現(xiàn)太陽系外的眾多行星。系外行星和褐矮星在許多方面存在差異，但是就海林的研究目的來說——云層和云層內(nèi)發(fā)生的情況，行星和褐矮星是很相似的。當在地球上都不能直接見到這兩種星體時，研究人員便可使用當今的天文望遠鏡來確定它們大氣層的化學(xué)組成。利用這些數(shù)據(jù)，模型“漂移”可揭示出氣態(tài)的系外行星大氣層也能產(chǎn)生閃光的寶石云彩。

在圣·安德魯斯大學(xué)，海林組建了一個被稱為LEAP（生命、電、大氣、行星）的研究團隊。其目標是探索在這些新的世界中是否存在閃電，并為其他人研究系外星球閃電打基礎(chǔ)。

1996年的照片顯示，木星表面可能的雷擊點北緯43°～46°之間。

斯坦利·米勒和哈羅德·尤里在1950年代的實驗表明，閃電是產(chǎn)生生命的關(guān)鍵因素。

首先搞清楚一陣閃電是如何從翻旋的塵埃中產(chǎn)生的，這是海林計算機模型的關(guān)鍵任務(wù)。幸運的是在地球上存在著太陽系外云彩的模擬物。海林說：“令人興奮的是它們的組成與我們知道的火山云的組成是類似的?！?/p>

2013年，慕尼黑大學(xué)的火山學(xué)家科拉多·西馬里利在實驗室中通過極高壓力把塵埃推進小型玻璃管的方法再現(xiàn)出閃電。他用慢鏡頭闡明實驗室制造閃電的過程。在屏幕上閃爍的是從加壓玻璃管內(nèi)釋放出帶電的黑色顆粒狀水霧（如同消防水管中噴出的水），表現(xiàn)出一段一厘米長的白色紋理。

將這些實驗室的數(shù)據(jù)輸入模型“漂移”，海林發(fā)現(xiàn)閃電能在氣態(tài)的系外行星和褐矮星上發(fā)生，呈現(xiàn)如同美國帝國大廈尺度的帶狀。

使用與“寶石云彩”類同的材料由西馬里利制造的實驗室閃電說明，當塵埃快速運動時，最經(jīng)常出現(xiàn)的閃電像流光。這意味著閃電最有可能出現(xiàn)在行星上，并伴有來自主恒星的大量光和輻射以產(chǎn)生風(fēng)。

寶石云彩及其伴隨的閃電存在的普遍性超出了海林的想象，她確定外星閃電會在貫穿宇宙的環(huán)境中閃爍。但是她該如何區(qū)分出外星閃電？因為系外星球離我們太遠，無法直接觀察，所以這不單純是發(fā)射一個太空探測器去測量或指揮哈勃望遠鏡去接近目標的簡單問題。

為了搞清楚如何尋找太陽系外閃電的真正證據(jù)，海林把“漂移”的編碼與另一個大氣模型“鳳凰”相結(jié)合，此模型是由漢堡大學(xué)的天體物理學(xué)家研發(fā)的?！傍P凰”能將“漂移”模型模擬的單個云彩放置于整個行星的背景上。采用漂移-鳳凰的結(jié)果，海林弄清閃電會在各自的大氣層中留下怎樣的痕跡。結(jié)果是，不論在地球上還是在其他地方，凡是發(fā)生閃電的地方，甲烷和一氧化碳的含量都略高。

當今的天文臺著重獲取大氣層的重大特性，而對收集閃電留在系外世界上的化學(xué)物遺跡則不夠敏感。到2018年，發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠鏡時，就會幸運地看到關(guān)于系外行星更有說服力的情景。這種獨特的景色將會使天文學(xué)家們見到一個電爆的世界。但這并不是發(fā)現(xiàn)閃電的特征標記的全部意義所在。

更引人注目的是，閃電可能是孕育生命的關(guān)鍵因素。60年前，由生物化學(xué)家斯坦利·米勒和哈羅德·尤里所做的實驗證明，如果你把從地球上找到的潮濕的混雜在一起的成分——水、氨、甲烷、氫氣加上電火花，你便能得到氨基酸——已知所有生命的基礎(chǔ)構(gòu)件。

但這并不意味著閃電等于生命，兩者相差甚遠，但閃電卻是尋找生命現(xiàn)象的關(guān)鍵線索。