找尋類地行星上的外星生命

丹尼爾·克利里+張憲濤

斯蒂芬·凱恩盯著一張模糊的星球照片看了很久。圖像只有幾個像素，幾乎無法辨別。然而，作為加利福尼亞大學河濱分校的天文學家，他追蹤到這些像素會隨著時間發(fā)生微妙的變化。這足以讓凱恩和他的同事斷定圖像上的這個星球有海洋、大陸和云層。它有季節(jié)變換，而且每24小時旋轉(zhuǎn)一次。

他知道他的發(fā)現(xiàn)是正確的，因為這個被研究的星球就是地球。凱恩拿到的是深空空間氣象觀測衛(wèi)星拍攝的圖像。該觀測衛(wèi)星有一臺位置極佳的攝像機，總是指向地球。凱恩故意把圖像從400萬像素降至極低像素。由這些圖像可窺見未來望遠鏡能夠辨別出的那些圍繞其他恒星旋轉(zhuǎn)的、布滿巖石、地球大小的行星可能的樣子。凱恩說，他和他的同事正在設(shè)法弄清楚“在我們最終可以直接勾畫出一顆系外行星圖像時，我們能夠期待看到什么”。他們的實踐表明，即使是一小

部分寶貴的像素也能幫助科學家做出最終的判斷：一個星球是否有生命。

似乎不可能在數(shù)光年距離之外的一個星球上尋找到生命或生物印記存在的確鑿證據(jù)，因為太空研究機構(gòu)已經(jīng)花費數(shù)十億美元將機器人探測器發(fā)送到距離更近的宜居天體上，例如火星和土星的衛(wèi)星上，卻沒有檢測到任何生命的蛛絲馬跡。但是天文學家希望看到一個擁有動植物的真正的類地星球，可以向遙遠的觀察者揭示其秘密。

考慮到天文學家從這樣一個微小、遙遠的世界獲得光子的可能性極低，因為它的信號幾乎被淹沒于附近明亮的星星之中，因此想發(fā)現(xiàn)它們并不容易。即將發(fā)射的新一代空間望遠鏡，包括NASA大型的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡，也很難詳盡地探測到類地星球。但是，他們將能夠從其他系列行星的光中采樣，而天文學家們已經(jīng)夢想制作一個空間望遠鏡，進而獲得類地行星的圖像，如同凱恩的地球低像素化視圖。研究人員正為迎接即將到來的系外行星的海量數(shù)據(jù)做準備，并幫

助望遠鏡設(shè)計者了解需要如何去做。他們正在編制可能存在的生物印記清單，范圍包含可能從生物體發(fā)出的氣體光譜提示到可能存在于外來植物或微生物中的色素。

不能僅憑一個證據(jù)就做出判斷。相反，所處環(huán)境和多重證據(jù)將是檢測外星生命的關(guān)鍵。只在外星大氣中發(fā)現(xiàn)一種特定氣體，比如氧氣，但是不弄清楚氣體是如何出現(xiàn)的，是遠遠不夠的。知道地球的平均溫度支持液態(tài)水存在僅僅是一個開始，而這個星球的白天和季節(jié)的長度以及它的溫度極值也是至關(guān)重要的。了解這顆行星所圍繞的恒星非常必要，要了解恒星是否提供穩(wěn)定、能滋養(yǎng)生命的光線或者釋放出難以預(yù)料的有害輻射。

華盛頓特區(qū)的NASA天體生物學項目負責人瑪麗·沃伊泰克說：“每一次觀測都會提供關(guān)鍵的證據(jù)，這些證據(jù)組合在一起就可以斷定是否存在生命?！?/p>

1995年，在從一顆普通恒星周圍發(fā)現(xiàn)了第一顆外行星之后，NASA制訂了一項雄心勃勃、耗資巨大的任務(wù)來研究可能存活生命的類地行星。NASA 的陸地行星探測器項目和歐洲航天局的達爾文任務(wù)提出了多個巨型望遠鏡精確飛行，并將它們捕獲的光線相結(jié)合提高圖像分辨率的設(shè)想。但

是這兩個任務(wù)都沒有得以具體實施。沃伊泰克說：“在過去，這個設(shè)想有點太超前了。我們?nèi)狈?shù)據(jù)進行計劃或者實施?！?/p>

他們通過使用地面望遠鏡和NASA的開普勒宇宙飛船任務(wù)，探索系外行星的多樣性。他們總共辨別了超過3500個已確認的系外行星，其中包括約30個地球大小的能夠保存液態(tài)水的世界。但是通過調(diào)查，研究人員只獲悉了這些行星最基本的物理信息：軌道、大小和質(zhì)量。為了探究這些行星究竟如何，研究人員需要光譜，即穿過行星大氣或從其表面反射的光線，然后將其分解成為分量波長。

大多數(shù)望遠鏡的分辨率都無法將一顆微小、暗淡的星球與它的恒星區(qū)分開，恒星的亮度比行星至少要高出10億倍。但是，即使天文學家無法直接看到一顆行星，如果行星在軌道上凌日（經(jīng)過恒星的前方），他們?nèi)匀豢梢缘玫揭粋€光譜。當行星經(jīng)過恒星前方時，它的光會在大氣中閃耀，那里的氣體吸收特定的波長，而恒星的光譜呈現(xiàn)下降的特征。

當行星沿軌道進入恒星的背后時，天文學家也可以通過觀測恒星的光線來研究一顆凌日的行星。在行星被遮擋之前，光譜由恒星光和行星反射的光構(gòu)成；之后，行星將不會反射光線。對比這兩個光譜就會發(fā)現(xiàn)這個星球的軌跡。

從數(shù)據(jù)中找出一個可識別的信號并不容易。因為只有極少部分的恒星光穿越大氣，光譜信號是微不足道的，難以區(qū)分究竟是恒星光本身的不規(guī)則性還是地球自身的大氣吸收所致。麻省理工學院的系外行星研究員薩拉·西格說，大多數(shù)科學家會“對數(shù)據(jù)的復雜程度感到驚訝”。

盡管存在這些障礙，但哈勃望遠鏡和斯皮策空間望遠鏡以及其他一些望遠鏡已經(jīng)使用這些方法從少數(shù)最容易的目標中檢測出行星大氣的成分，包括鈉、水、一氧化碳和二氧化碳以及甲烷。這些行星大多是“熱木星”，是位于近距離軌道上的大行星，它們的大氣層由于接收恒星的熱量而膨脹。

這種方法在2019年詹姆斯·韋伯空間望遠鏡發(fā)射之后會有更大的收獲。它6.5米的反射鏡將會收集比現(xiàn)有望遠鏡更多的候選恒星的光線，從而可以識別較暗的系外行星的特征，其光譜儀將會產(chǎn)生更好的數(shù)據(jù)。它對紅外線波長很敏感，對水分、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等分子的吸收線也非常敏感。

一旦天文學家獲得這樣的光譜，他們希望找到的一個主要氣體就是氧氣。氧氣具有強烈而獨特的吸收線，許多人都認為它的存在是星球生命存在的最強信號。

產(chǎn)生氧的光合作用塑造了今天的地球。海洋中的第一個藍細菌和其他微生物、植物幾十億年來一直釋放著氧氣，現(xiàn)在氧氣占到了地球大氣的21%，這很容易從遠處探測到。華盛頓大學西雅圖分校虛擬地球?qū)嶒炇遥╒PL）負責人維克多利亞·梅多斯說，光合作用是進化過程的“殺手級應(yīng)用”。它利用多產(chǎn)的太陽光能量將地球上常見的兩種分子（水和二氧化碳）轉(zhuǎn)換成細胞生命所需的含糖燃料。梅多斯認為，其他地方肯定會有類似的進化過程。她說：“氧氣仍然是首先要尋找的?！眅ndprint

20多年前，系外行星剛被人所知，研究人員便開始思考如何掃描這些行星進而找到生命。梅多斯回憶說：“如果發(fā)現(xiàn)氧氣，人們早就會舉杯慶祝了?！钡呛髞?，研究人員已經(jīng)意識到事情遠非那么簡單：沒有生命的行星同樣可以擁有充滿氧氣的大氣層，生命可以在不產(chǎn)生氧氣的情況下繁衍。地球便是如此。一些微生物進行了一種不產(chǎn)生氧氣或任何其他氣體的光合作用形式。梅多斯說：“我們必須清楚地意識到，我們被愚弄了?！?/p>

為了弄清楚真正的生物印記可能是什么樣的，虛擬地球?qū)嶒炇遥╒PL）的梅多斯和她的同事們根據(jù)外行星的數(shù)據(jù)以及對包括地球在內(nèi)的更為熟悉的行星的觀測，探索了外行星大氣的計算機模型。他們也在真空室中做物理實驗，重現(xiàn)可能包圍系外行星的氣體混合物，用各種模擬星光照射它們，看可以測量到什么東西。

在過去的幾年里，虛擬地球?qū)嶒炇遥╒PL）的研究人員已經(jīng)使用這些模型識別了可能產(chǎn)生氧氣和產(chǎn)生“假陽性”信號的非生物過程。例如，一顆擁有豐富地表水資源的行星出現(xiàn)在一顆恒星周圍，而早期的恒星非常明亮，行星吸收了足夠的熱量以至于蒸發(fā)了全部的海水，來自恒星的強烈的紫外線會猛烈沖擊海水蒸發(fā)產(chǎn)生的水蒸氣，將其分解成氫氣和氧氣。更輕的氫氣可能逃逸到太空中，這樣，沒有生命的星球周圍留下富含氧氣的大氣層。康奈爾大學卡爾·薩根研究所的西

達爾特·赫格德說：“了解你的恒星，從而了解你的星球。”

然而，在發(fā)現(xiàn)氧氣的地方找到甲烷會確認生命的存在。雖然地質(zhì)過程不需要任何生命就可以產(chǎn)生甲烷，但是地球上的大部分甲烷源于生活在垃圾填埋場和反芻動物腸道內(nèi)的微生物。甲烷和氧氣一起形成氧化還原對：兩個分子很容易通過交換電子發(fā)生反應(yīng)。如果它們都存在于共同的大氣中，它們會很快結(jié)合起來產(chǎn)生二氧化碳和水。但是，如果它們持續(xù)保持在一個高濃度的水平，則必須得以補充。赫格德說：“人們普遍認為，如果存在大量的氧化還原分子，它們必須由生命產(chǎn)生。”

有人認為，研究人員過于關(guān)注了地球上構(gòu)成典型生命特征的氧氣和甲烷，而忽略了其他可能性。如果說到目前為止天文學家已經(jīng)了解了一些關(guān)于系外行星的知識，那就是所熟悉的行星對系外行星的大小和性質(zhì)的巨大差異并沒有太多的指導意義。對極端微生物的研究，如對那些在地球上荒涼環(huán)境中繁殖的微生物的研究表明，生命可能在不太可能出現(xiàn)的地方出現(xiàn)。系外生物可能完

全不同于地球上的生物，因此，它產(chǎn)生的氣體也可能存在根本的差異。

但是，究竟要尋找什么樣的氣體？西格和她的同事編制了一份有1.4萬種化合物的清單，在“適宜”的溫度下，冰點和沸點之間，這些化合物以氣體形式存在。為了更好地管理這個清單，他們將其限定為不超過6個非氫原子的小分子，約2500個由生物原子碳、氮、氧、磷、硫和氫組成，約600個實際上是由地球上的生命產(chǎn)生的。西格和她的同事認為，如果不能用非生物過程來解釋這些氣體，那么發(fā)現(xiàn)這些氣體中的任何一種濃度較高都可被看作是系外星球生物存在的一個標志。

分析凌日的系外行星大氣的光線很可能會成為未來幾年搜索生物印跡的主流。但是這種技術(shù)傾向于采樣行星大氣上層的薄層。只有極少數(shù)的光可以穿透覆蓋星球的厚厚的氣體，而大多數(shù)生物活動發(fā)生在地表。對熱木星來說，凌日觀測技巧也很好，熱木星本身比擁有更薄大氣層的小巖石行星更難擁有生命。如果小行星圍繞像紅矮星一樣的小型的暗淡恒星運轉(zhuǎn)，光譜就不會被恒星

淹沒，詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）可能能夠梳理出它們的大氣光譜。但是這些紅矮星常常散發(fā)耀斑，這會讓生命難以在其附近的星球上存活下來。

為了在圍繞類似太陽的類地行星上尋找生命的跡象，天文學家可能需要直接捕獲它的光，形成一個光譜甚至是一個實際圖像。這需要阻擋恒星勢不可擋的強光。配備有日冕儀的地面望遠鏡可以準確地掩蓋恒星進而可以看到其附近的物體，現(xiàn)在它只能捕獲最寬軌道上最大的系外行星。若要看類地行星則需要在太空中放置一個類似裝備的望遠鏡，這樣不會產(chǎn)生大氣扭曲的效果。NASA的廣域巡天望遠鏡（WFIRST）預(yù)計將在21世紀20年代中期發(fā)射，旨在滿足上述需求。

更好的是，廣域巡天望遠鏡（WFIRST）可以和一個遮星板（一個距離望遠鏡5萬千米的獨立飛船）搭配使用。它可以展開數(shù)十米的圓形掩體來阻擋住星光。在限制進入望遠鏡的光量方面，遮星板比日冕儀更有效。它不僅可以直接阻擋恒星，而且可以利用精致的邊緣抑制衍射。然而遮星板比日冕儀要更加難以實現(xiàn)，遠距離對準兩者則是一個挑戰(zhàn)。

直接成像將提供比凌日觀測更好的光譜，因為光線將深度穿越行星大氣層兩次，而不是自邊緣掠過。但它也開啟了直接觀察而不是通過大氣中的廢氣檢測到生命的可能性。如果有機體，無論是植物、藻類還是微生物，覆蓋了行星的大部分表面，它們的顏色可能會在反射光線上留下光譜印跡。地球反射光就包含了明顯的這種印記。被稱為“紅邊”的是綠色植物在720納米波長處的反射率的顯著變化。在這個波長之下，植物吸收盡可能多的光進行光合作用，反射率只有百分

之幾。在更長的波長下，反射率幾乎急劇上升至50%，光譜的亮度突然懸崖式升高。赫格德說：“外星觀察者很容易判斷地球上是否有生命存在。”

沒有理由認為外星生命采取的是綠色植物的形式。所以赫格德和她的同事正在為不同類型的微生物編制反射光譜數(shù)據(jù)庫。該團隊記錄的數(shù)以百計的生物為極端環(huán)境微生物，它們占據(jù)著地球上的邊緣生態(tài)位，卻可能是一個系外行星的主導生命形式。名單上許多微生物并沒有測出反射光譜，所以康奈爾的研究小組正在填補這些空白。檢測系外行星表面的色彩將是極具挑戰(zhàn)性的。但是，一個遙遠世界微弱的光線所揭示的顏色可以與其他線索，例如來自大氣層氣體的光譜吸收線譜，形成“一個拼圖游戲，給我們一個星球的概貌”。

現(xiàn)在或未來十年內(nèi)沒有任何望遠鏡專門用于直接對系外行星成像，因此生物印記搜索必須與天文學的其他分支相競爭，以獲得稀缺的觀測時間。研究人員真正渴望的是一個大型的空間望遠鏡，以塑造像地球一樣的外星世界，這是NASA命運多舛的陸地行星探測器背后的新思想。

現(xiàn)在正由NASA研究的可居住外行星成像任務(wù)（被稱為HabEx）概念，可能是答案。它的望遠鏡將有一個6.5米高的反射鏡，與詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）一樣大，可以裝備對從紫外到近紅外的更寬波長范圍敏感的儀器，以捕獲最寬范圍的生物光譜印記。望遠鏡的設(shè)計應(yīng)減少散射光，并有一個日冕儀和遮星板，對地球大小的系外行星直接成像。

目前研究人員夢想通過這樣的任務(wù)揭示類地行星的細節(jié)，如探測大氣層、揭示表面色素，甚至提供凱恩模擬的那種掩飾型表面圖像。但這足以證明我們在宇宙中并不孤單嗎？凱恩說：“蓋棺定論之前還有諸多的不確定因素?！钡?，如果HabEx是按照目前的設(shè)計來建造，那么它應(yīng)該提供一個非常有說服力的例子。endprint