地球“指纹”指引人类探寻下一个家园

太阳系外有生命吗？找到这个问题的答案就像寻找一个圣杯。

目前，天文学家已经发现了4000多颗系外行星。研究这些行星的重要目标之一是找到另一个适合人类居住的行星，并为未知的未来找到另一个家园。

加拿大麦吉尔大学的物理学教授尼古拉斯·考恩和学生伊芙琳·麦克唐纳花了10多年时间观察地球的大气层，寻找地球的“指纹”。他们说，在寻找系外行星时，地球的“指纹”可以用来定位目标。几天前，他们的研究结果发表在《皇家天文学会月刊》上。

地球的“指纹”是什么？为什么我们能在系外行星上发现生命？这种方法可靠吗？

光谱特征中的生物标记

地球的“指纹”是指地球大气层的光谱。"大气的不同成分在特定的温度和压力下会产生独特的光谱特征."中国科学院紫金山天文台副研究员陈果告诉《科学日报》。

如何获得大气光谱？天文学家使用凌星方法。凌星指的是系外行星在它们的宿主恒星前面经过，导致恒星坠落。在凌星的时刻，恒星的一小部分光线被行星的大气层遮挡，行星大气层的成分在光谱中留下了独特的“指纹”。“通过比较凌星前后的光谱，我们可以推断出哪些分子可能存在于行星的大气层中。”南京大学天文与空间科学学院教授周立勇告诉《科学日报》。

地球的“指纹”包含甲烷和臭氧成分，它们被称为生物标记。对此，陈果解释道:“臭氧和甲烷是在自然条件下产生化学反应的两种分子，导致甲烷或臭氧的减少。因此，除非有外部干预，否则我们不会看到臭氧和甲烷长期稳定共存。外部干预的方式之一是生命活动产生的生化过程的存在，它可以不断补充大气中的臭氧或甲烷。因此，观察臭氧和甲烷的共存是确认地球上存在生命特征的方法之一。”

如果在大气光谱中发现水蒸气，这可能意味着地球有独特的温度和压力条件以及液态水的可能性。“从目前人类的认知来看，液态水是生命赖以生存的基本条件之一。因此，水蒸气的发现是发现生命迹象的第一步。”

同样，氧气也是人类生存的基本条件之一。如果能找到臭氧，氧气很可能存在于这个星球上。臭氧层还能吸收来自附近恒星的紫外线辐射，这对保护生物体免受过度紫外线辐射和维持宜居环境极其重要。

“如果在一颗系外行星的‘指纹’中能找到类似地球凌日光谱的生物标记，这在很大程度上表明在这颗系外行星上可能存在生命。”陈果说。

在路灯下寻找萤火虫

知道地球大气层的组成并不难。为什么我们要用凌星光谱的方法来获取它的“指纹”？

“正是因为我们不需要用跃迁光谱来了解地球大气层的组成，所以我们可以很好地验证跃迁的适用性和可靠性，甚至是研究行星大气层组成时的跃迁星光光谱。”陈果说，凌星光光谱的更多目的是研究系外行星的大气组成，并寻找可居住的系外行星。

然而，这种方法有局限性。中天法的本质是研究凌星引起的恒星星光变化。“但是恒星星光的变化不仅是由行星大气引起的，也是由恒星本身的活动引起的。就像太阳黑子和亮点一样，这些都有可能“污染”和测量凌星光光谱。此外，凌星光光谱仅限于研究终端线的大气层，很难穿透到最底层的大气层。”陈果告诉记者。

周立勇还说，系外行星离地球很远，所以当它们经过恒星表面时，很难区分哪部分光线穿透了行星的大气层。“你能想象在1000公里外的路灯下找到一只萤火虫有多难吗？用凌杏光光谱探测大气成分比这更困难。”

然而，即使我们在行星的光谱中看到生物标记，我们也不能说一定有生命。看不到“生物标记”，也不一定就没有生命的可能。因为生命本身非常复杂，对于适合生命存在的条件没有绝对的标准。“只能说凌星光光谱为我们提供了一个窥探生命痕迹的视角。”周立勇说。