搜尋外星文明的新策略：尋找氧氣、水和葉綠素

盡管近年來已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的太陽系外行星，但我們對這些系外行星的大氣成分知之甚少。這些系外行星的大氣層中可能存在與生命有關(guān)的成分，只是我們現(xiàn)在還沒有辦法進(jìn)一步掌握。日前，科學(xué)家提出了一個(gè)新觀點(diǎn)，認(rèn)為通過探測地外行星的氧氣、水和外星植物的葉綠素，可以更有效地搜尋外星生命。也就是說，搜尋工作應(yīng)當(dāng)聚焦于生命信號——生命體產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)。

美國普林斯頓高等研究所的天體物理學(xué)家蒂莫西·布蘭特和大衛(wèi)·皮格爾認(rèn)為，水和氧氣是生命生存必需的元素，如果我們探測到某顆系外行星上有水和氧氣，就很可能暗示著其上存在生命跡象。而地球因?yàn)榇嬖谌~綠素使得光線變得略紅，如果地外植物能夠?qū)㈥柟廪D(zhuǎn)換為能量，也可以使它生活的星球的光線變紅一些，與葉綠素的作用相近。因此，他們主張接下來的系外生命搜尋計(jì)劃應(yīng)當(dāng)著眼于探測系外行星上的水、氧氣和葉綠素。

兩位科學(xué)家提出了一個(gè)簡單的大氣模型，可以復(fù)制系外行星的光譜并判斷其中水、氧氣和葉綠素的跡象。他們的模型中很少有自由參數(shù)，從而增加了模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也使得更有意思的參數(shù)（比如水或氧氣）可以被估算出。他們試圖量化最優(yōu)的設(shè)計(jì)和最低性能，從而達(dá)到美國航空航天局對類地行星特性描述的目標(biāo)。他們從一個(gè)粗糙但大致正確的類地行星光譜近似值入手，試圖在一個(gè)他們能很方便地修改云層、地表和大氣成分的環(huán)境中捕獲地球的主要光譜特征，并用來驗(yàn)證他們提到的統(tǒng)計(jì)方法。

美國航空航天局的一個(gè)重要的長期目標(biāo)就是檢測、描述系外行星，并通過探測它們的光譜來搜尋生命跡象。因此，美國航空航天局等太空研究機(jī)構(gòu)計(jì)劃研發(fā)直接成像系統(tǒng)，能夠用熱或者反射光觀測太陽系外行星，從而確定它們的大氣結(jié)構(gòu)與成分。計(jì)劃研發(fā)的高科技大口徑天文望遠(yuǎn)鏡（ATLAST）還可以在波長0.5微米至1微米之間尋找氧分子、臭氧分子和水分子的光譜跡象。這些分子在這一光譜范圍中是最突出的吸收體，也是形成生命的要素。

布蘭特和皮格爾認(rèn)為，這一任務(wù)通過測量系外行星的光譜來檢測水、氧氣和葉綠素，以此來確定什么樣的成分及濃度暗示著某顆系外行星上存在外星生命。他們的研究結(jié)果表明，根據(jù)這個(gè)模型，高科技大口徑天文望遠(yuǎn)鏡能夠探測到一顆圍繞臨近恒星運(yùn)行的類地行星的水與氧氣，但想識別出葉綠素需要更高的靈敏度或者非常走運(yùn)。兩位科學(xué)家建議，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)著眼于氧氣的工具，而后圍繞一個(gè)或幾個(gè)特殊的目標(biāo)尋找葉綠素。

模型中，兩位科學(xué)家用一個(gè)已知行星的光譜、可能的大氣成分的吸收光譜和瑞利散射構(gòu)建了一個(gè)假想的系外類地行星的光譜?，F(xiàn)在要做的，是通過觀測對這個(gè)完美的光譜及其光度進(jìn)行測量校準(zhǔn)。他們的分析集中在光學(xué)和近紅外波段。在這些波長中，雙原子氧和水對0.6微米至1微米波長的光有非常突出的吸收特性，而像巖石、沙子這類物質(zhì)則缺乏強(qiáng)烈的光譜特性。在短波長上，他們則利用了衍射極限分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

系外行星表面物質(zhì)的光譜反照率是在可見波長范圍內(nèi)變化的，因此，他們把未知的光譜光度測量校準(zhǔn)和表面反照率組合成自由乘法低階多項(xiàng)式。

葉綠素在0.72微米的“紅邊”是一個(gè)例外，兩位科學(xué)家使用軟化亥維賽函數(shù)，并在參數(shù)的選擇上與ASTER函數(shù)庫的植被特征相匹配（ASTER是美國航空航天局主導(dǎo)的項(xiàng)目，是特拉對地觀測衛(wèi)星上的一種高級光學(xué)傳感器，包括了從可見光到熱紅外共14個(gè)光譜通道，可以為多個(gè)相關(guān)的地球環(huán)境資源研究項(xiàng)目提供科學(xué)、實(shí)用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)）。

氧氣和臭氧。星球上的紫外線可以將雙原子氧轉(zhuǎn)化為臭氧，因此兩位科學(xué)家想在他們的模型中通過同時(shí)搜尋氧氣和臭氧，來更容易地探測到大氣中的氧氣。不過，任何同時(shí)尋找氧氣和臭氧的儀器都需要設(shè)定一個(gè)更高的意義閾值，來解釋臭氧能模擬一個(gè)變量光譜反照率的能力。

水。水有一系列的強(qiáng)吸收性和各種各樣的有效寬度，使它比雙原子氧更容易被檢測到?？茖W(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，在光譜分辨率過低時(shí)，吸水率會變得越來越難和地表反照率以及光譜光度測量校準(zhǔn)中的誤差區(qū)分開。科學(xué)家指出，檢測水的最佳光譜分辨率是40，低于能檢測到氧氣的分辨率，并且反映了其更廣泛寬度的特性。

葉綠素的“紅邊”。地球上的葉綠素在反照率約0.7微米處大幅上升，稱為“紅邊”。如果有類似的特性在地球外被檢測到，一個(gè)很大的暗示就是：有光合作用的外星生命可能使用不同的色素分子。

兩位科學(xué)家把植被反照率近似于軟化亥維賽躍階函數(shù)，它在波長0.5微米至1微米間提供了一個(gè)合理的匹配。雖然反照率在純植物生命中跳躍很大，從5%增加到50%，但在集成的地球光譜中就弱得多。這既跟植被的覆蓋率有關(guān)（在地球表面，植被的覆蓋率大約為15%），也跟這一地區(qū)云層的光學(xué)厚度有關(guān)。

通過計(jì)算，兩位科學(xué)家得出結(jié)論，對類地行星來說，檢測到氧氣需要的信噪比是水的2倍，而要檢測到葉綠素，即使已經(jīng)知道外星生命使用的色素分子，其所需要的信噪比也比氧氣高6倍。為了使葉綠素和氧氣一樣能夠易于檢測到，他們必須假定類地行星只有少量云層，且其植被覆蓋率至少達(dá)到30%。但是，沒有云層的類地行星意味著反照率較低，使其難以達(dá)到給定的信噪比，也很難想象生命會發(fā)生在一個(gè)無云的世界里。

因此，兩位科學(xué)家認(rèn)為，未來的探索任務(wù)應(yīng)該制定探測擁有水和氧氣的系外行星的標(biāo)準(zhǔn)。如果確認(rèn)存在水和氧氣，接下來就應(yīng)該檢測其上是否存在葉綠素。一旦發(fā)現(xiàn)，它將能非常明確地證明，在遙遠(yuǎn)的世界里真的有植物生命的存在。endprint