【博科園-科學科普】超級望遠鏡即將面世，巨大的地面和天基觀測站將能直接觀察遙遠行星的大氣層。地球上有生命，地球的大氣層告訴我們這個故事，所以也可以對太陽系外的行星做同樣的事情嗎？結(jié)果是有生物特征，在大氣中的化學物質(zhì)能得到答案，但在在其他行星上發(fā)現(xiàn)有生命，這真的很艱難。

對HD 189733的概念圖。它看起來很漂亮也很藍，但實際上它是一個噩夢般的世界，可能會有2千米/s的風在下雨。圖片版權(quán)：ESO/M. Kornmesser

我（作者）得承認過去一直都很糟糕，在《天文學舊集》和《每周太空漫游》中，甚至在《太空指南》中，如果有生命存在的話，我曾說過如果能對一個遙遠的世界的大氣層進行采樣就可以確信地說。只要探測大氣中的臭氧或者甲烷甚至污染，你可能就會說“那里有生命”。未來的弗雷澤在這里是為了糾正過去的弗雷澤。雖然我欽佩他對尋找外星人的天真熱情，但事實證明：一如既往的事情會比我們以前認為的更加困難。

實際上天體生物學家們正在努力找出一種可以用來表示生命存在的確鑿證據(jù)。這是因為自然過程似乎有聰明的方法來愚弄我們。什么是潛在的生物特征，為什么它們有問題？需要什么來得到確認？從一個離家近的行星火星開始：近二十年來天文學家在火星大氣中發(fā)現(xiàn)了大量的甲烷。在地球上甲烷來自于生物，比如細菌和放屁的牛。此外甲烷很容易被陽光分解，這意味著這不是數(shù)十億年前遺留下來的遠古甲烷。

2016年9月“好奇號”在火星拍攝的全景圖片，從遠處可以看到埃俄斯山的蒼白輪廓。圖片版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/MSSS

火星上的一些過程是不斷補充的。除了生命之外當巖石與熱水相互作用時，甲烷還可以通過火山活動自然形成。美國國家航空和宇宙航行局試圖用精神和機會的探測器來弄清這個問題的真相，人們期望好奇號應(yīng)該有工具來找到甲烷的來源。在幾個月的時間里“好奇號”確實探測到了地表上甲烷的增加，但這也引發(fā)了一場爭論。事實證明探測器本身攜帶著甲烷，并可能污染了周圍的區(qū)域。也許它探測到的甲烷來自于自身。

也有可能是一顆巖質(zhì)隕石墜落在附近并釋放了一些污染了結(jié)果的氣體。歐洲航天局的ExoMars探測器于2016年10月抵達火星。盡管Schiaparelli著陸器被摧毀，但追蹤氣體軌道器在旅程中幸存下來，并開始詳細地繪制火星大氣的地圖，尋找可能會釋放甲烷的地方，到目前為止還沒有得出決定性的結(jié)果。換句話說在火星上有一個軌道飛行器和登陸器，裝備了探測火星上最微弱的甲烷氣味的儀器。

ExoMars的入口下降和著陸演示模塊，Schiaparelli從追蹤氣體軌道器(TGO)分離出來。圖片版權(quán)：ESA

關(guān)于火星上的甲烷水平如何隨著季節(jié)的變化而上升和下降，有一些非常有趣的線索表明了生命，但天體生物學家仍然不同意。要求需要特別的證據(jù)和所有的證據(jù)。一些望遠鏡已經(jīng)可以測量環(huán)繞其他恒星運行的行星的大氣層。在過去的十年里NASA的斯皮策太空望遠鏡一直在繪制各種世界的大氣層。舉個例子這是一張熱木星HD 189733b的地圖。

圖片版權(quán)：美國國家航空航天局(NASA)的斯皮策溫度圖

這個地方很糟糕，但是要測量另一個星球的大氣層，那真是太壯觀了。通過測量恒星的化學物質(zhì)來完成這一壯舉，而行星在它前面經(jīng)過，然后在沒有行星的情況下測量它。這就能知道這顆星球有什么化學物質(zhì)。還測量出hg - p -26b的大氣層，這是一個相對較小的海王星大小的行星，環(huán)繞著附近的恒星運行，并且驚奇地發(fā)現(xiàn)在地球大氣層中有水蒸氣。

這是否意味著有生命？只要我們在地球上找到水就能找到生命。不，完全可以在沒有生命的情況下獲得水。當在2019年發(fā)射時，美國宇航局的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡將把這種大氣感應(yīng)帶到下一個水平，讓天文學家能夠以更高的分辨率研究更多世界的大氣層。

在TRAPPIST-1系統(tǒng)中新發(fā)現(xiàn)的行星之TRAPPIST-1f的可能表面。圖片版權(quán)：NASA/JPL-Caltech

詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的首批目標之一將是TRAPPIST-1系統(tǒng)，其六顆行星圍繞著一顆紅矮星的宜居帶運行。韋伯應(yīng)該能夠探測到臭氧、甲烷和其他潛在生物特征。那么將如何看待一個遙遠的世界，并確定那里的生命？來自德國航空航天中心的天體生物學家約翰·李·格倫菲爾(John Lee Grenfell)最近發(fā)表了一份報告：研究了所有可能存在的太陽系外行星生物特征，并回顧了它們可能是另一個世界生命跡象的可能性。

第一個目標是分子氧氣或O2。現(xiàn)在正在呼吸，無論如何21%的呼吸，氧氣將在另一個世界的大氣中持續(xù)幾千年，沒有來源。它是通過光合作用在地球上產(chǎn)生的，但是如果顆行星被它的恒星破壞了，失去大氣，那么氫氣就會被吹進太空，分子的氧氣會繼續(xù)存在，但也不能肯定。那么臭氧呢？又叫O3，氧氣通過大氣中的化學過程轉(zhuǎn)化為O3。這聽起來像是一個不錯的候選者，但問題是自然過程也會產(chǎn)生臭氧。

金星上有臭氧層，在火星上也有，甚至在太陽系的冰衛(wèi)星上被探測到。有一氧化二氮（也叫笑氣）。它是由土壤中的細菌產(chǎn)生的，有助于促進地球的氮循環(huán)。好消息是地球似乎是太陽系中唯一有一氧化二氮的世界。但是科學家們也已經(jīng)開發(fā)出了這種化學物質(zhì)是如何在地球早期的歷史中產(chǎn)生的，那時它富含硫的海洋與地球上的氮相互作用。事實上，金星和火星都可能經(jīng)歷過類似的循環(huán)。換句話說可能會看到生命或者可能會看到一顆年輕的星球。

Ligeia Mare在NASA的卡西尼號宇宙飛船獲得的數(shù)據(jù)中顯示，是土星的衛(wèi)星泰坦上第二大已知的液體。它充滿了液態(tài)的碳氫化合物，如乙烷和甲烷，是泰坦的北極地區(qū)眾多的海洋和湖泊之一。圖片版權(quán)：NASA/JPL-Caltech/ASI/Cornell

還有甲烷，花了很多時間討論的化學物質(zhì)。正如所提到的地球上生命產(chǎn)生了甲烷，但它也在火星上，土衛(wèi)六上有液態(tài)的甲烷。天體生物學家已經(jīng)提出其他碳氫化合物，如乙烷、異戊二烯，但它們也有自己的問題。先進文明排放的污染物如何？天體生物學家稱這些為“技術(shù)特征”，它們可以包括像氯氟烴，或核輻射，但是這些化學物質(zhì)很難被發(fā)現(xiàn)。天文學家們建議應(yīng)該尋找死亡的行星，只是為了設(shè)定一個基準線。

這將是位于可居住地帶的世界，但顯然，生命永遠不會離開。只是巖石，水和非生物創(chuàng)造的大氣層。問題是可能甚至無法確定一個世界是否已經(jīng)死亡的方法。希望在大氣中看到的化學物質(zhì)，比如二氧化碳可以被海洋吸收，所以你甚至不能做出否定的確認。一種方法甚至可能根本不涉及掃描大氣。地球上的植被反射了700-750納米區(qū)域內(nèi)的特定波長的光。天體生物學家稱其為“紅色邊緣”，因為與其他表面相比，反射率增加了5X。

雖然今天沒有望遠鏡來做這個，但是有一些非常聰明的想法，比如觀察行星上的光如何反射到附近的衛(wèi)星上并分析它，尋找系外行星地球反照。早在地球的早期歷史中，由于太古代細菌的存在，它看起來會更紫一些。有一個完整的宇宙飛船和地面觀測站即將上線，這將幫助我們進一步推進這個問題。歐空局的Gaia任務(wù)將繪制和描述銀河系中1%的恒星，告訴我們那里有哪些恒星，以及探測數(shù)千顆行星以作進一步觀察。

凌日系外行星測量衛(wèi)星的概念圖。圖片版權(quán)：MIT

凌日系外行星的空間研究或稱TESS，將于2018年發(fā)射，并將在銀河系中發(fā)現(xiàn)跟多地球大小和更大的外行星。柏拉圖2號任務(wù)將在可居住地帶找到巖石世界，詹姆斯·韋伯將能夠研究行星的大氣層。同時還討論了巨大的LUVOIR望遠鏡，它可以在本世紀30年代完成建造，并將這些觀測帶到下一個層次。還有更多的空間和地面觀測站在工程中。當這下一代望遠鏡出現(xiàn)時，那些能夠直接測量地球大小的環(huán)繞另一顆恒星運行的地球大氣層的望遠鏡。

天體生物學家們將努力尋找一個生物指紋提供清晰的信號，表明那里有生命存在。而不是確定性，看起來將會有同樣的掙扎來理解我們所看到的。天文學家們將會彼此不同意，開發(fā)新的技術(shù)和新的儀器來回答未解決的問題。這需要一段時間，不確定性將很難處理。但請記住，這可能是每個人都可以問的最重要的科學問題：人類在宇宙中是孤獨的嗎？答案值得期待。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：John Lee Grenfell: A Review of Exoplanetary Biosignatures.