“外星人”就在那里

来自深空气候观测卫星的图像(左)被分解成几个像素(右)。

资料来源:美国宇航局史诗团队

斯蒂芬·凯恩花了很多时间盯着一张行星的照片。虽然这些照片只有几个像素，但几乎没有特色。然而，加州大学河滨分校的天文学家凯恩仍然发现，随着时间的推移，这些像素发生了微妙的变化。

这些线索足以让凯恩和他的同事推断出这个星球有海洋、陆地和云。此外，还有季节和24小时昼夜轮班。

凯恩知道他的发现是正确的，因为行星就是地球。这些照片是由深空气候观测卫星拍摄的，该卫星有一个照相机，可以从太阳的角度观察地球，并有意将像素数从400万减少到只有几个。

这些图像是对未来的理解，那时望远镜将能够捕捉到其他恒星周围的岩石行星，其大小相当于地球。凯恩说，他和他的同事正试图弄清楚“当我们最终直接看到一颗系外行星时，我们能看到什么”。他们的研究表明，即使是一个珍贵的像素也能帮助科学家做出最终的判断:这个星球上有生命吗？

孪生兄弟

考虑到各国太空机构花费数十亿美元向火星、土星卫星和其他天体发射机器人探测器，但没有发现生命迹象，似乎不可能在距离地球几光年的行星上找到生命或生物特征的确凿证据。但是天文学家希望在广阔的宇宙中有一个地球的孪生兄弟，那里有植物和动物，并将向一个遥远的观察者揭示它的秘密。

但是要探测到它们并不容易，因为天文学家很难从如此遥远的世界获得微弱的光，而且它的信号几乎被周围明亮得多的恒星淹没了。然而，新一代的太空望远镜，包括美国宇航局的巨型詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)，现在已经准备好探测更多关于地球孪生兄弟的细节。

科学家们还将从其他行星上采集样本，天文学家们梦想拥有一台太空望远镜，能够像凯恩的地球像素图像一样，产生类地行星的图像。研究人员现在正在汇编一份可能的生物特征清单——从生物体可能释放的气体光谱线索到可能存在于地球外的植物或微生物色素，从而为即将到来的外行星数据做准备，并帮助望远镜设计者知道要寻找什么。

当然，人们似乎不可能得到确凿的证据。相反，背景和多重证据将是发现外星生命的关键。如氧气、温度、昼夜长短、液态水等。，以及恒星是否能提供稳定、有营养的光或不可预测的有害辐射。"每一次观察都将提供生命存在的关键证据。"美国宇航局天体生物学项目负责人玛丽·沃伊特克说。

1995年，随着第一颗系外行星的发现，各国的太空机构开始制定雄心勃勃的计划来研究可能孕育生命的地球孪生兄弟。美国国家航空航天局的地球行星探测器和欧洲航天局的达尔文项目已经计划了一系列巨型望远镜，这些望远镜能够以精确的形式飞行，并结合它们的光线来提高分辨率。然而，这两项任务都没有成功。沃耶泰克说:“进展太快了。我们没有数据来规划或构建它。”

系外行星

相反，科学家们目前正专注于探索系外行星的多样性。他们已经发现了超过3500颗已确认的系外行星，包括大约30颗地球大小的能够保存液态水的行星。然而，这样的调查只能为研究人员提供关于行星的最基本的物理信息:它们的轨道、大小和质量。为了找出行星的样子，研究人员需要光谱。

大多数望远镜很难区分一颗微小而暗淡的行星和它的恒星，因为后者至少比前者亮10亿倍。然而，如果行星与恒星重叠或经过恒星前面，即使天文学家不能直接看到行星，他们仍然可以得到光谱。当行星凌日时，恒星光将穿过行星的大气层；那里的气体吸收特定波长的光，留下恒星光谱的特征。

当它转到恒星后面时，天文学家也可以通过观察恒星发出的光来研究这颗过境行星。日食之前，光谱将包括恒星和行星反射的光；之后，行星的作用将会消失。减去这两个光谱，找到行星的踪迹。

但是从数据中找出一个可识别的信号并不容易。麻省理工学院系外行星研究员萨拉·西格说，即使是大多数科学家也会“对数据的可怕程度感到惊讶”。

尽管有这些障碍，哈勃和斯皮策太空望远镜以及其他望远镜已经使用这些方法来探测一些最容易的目标，包括钠、水、一氧化碳、二氧化碳和甲烷。它们中的大多数是“热木星”——在封闭轨道上的大行星，其大气由于恒星的加热而膨胀。

当JWST在2019年推出时，这些方法将得到极大的改进。JWST 6.5米的镜子将比现有望远镜从候选恒星收集更多的光线，这使得它能够分辨外行星的特征，其光谱图将产生更好的数据。它对红外线的波长非常敏感，其中分子的吸收线，如水、甲烷、一氧化碳和二氧化碳是最重要的。

一旦天文学家有了这样的光谱，他们希望找到的主要气体之一就是氧气。它不仅有一条强烈而独特的吸收线，而且许多人认为它的存在是地球上生命存在的最有力的象征。产生氧气的光合作用造就了今天的地球。

华盛顿大学虚拟地球实验室主任维多利亚·梅多斯说，光合作用是进化的“杀手级应用”它利用阳光将水和二氧化碳转化为多细胞生物的含糖燃料。"氧气仍然是首要任务。"她说。

外星生命

15年前，研究人员开始考虑如何扫描外行星生命。梅多斯回忆说，如果找到氧气，“每个人都得开香槟。”但是从那以后，研究人员意识到事情并不那么简单:没有生命的行星可以有一个充满氧气的大气层，生命可以在不产生气体的情况下繁殖。地球就是这样。20亿年来，微生物在不产生氧气或其他气体的情况下完成了一种光合作用。

为了找出什么是真正的生物标记，什么是虚假信息，梅多斯和他的同事们根据外行星数据和对包括地球在内的人们更熟悉的行星的观察，再加上真空物理实验，复制了可能围绕外行星的“气体混合物”。研究人员用各种模拟星光照亮它们，观察可以测量的东西。

然而，在与氧气相同的地方发现甲烷将增加生命的可能性。虽然地质过程可以产生甲烷，不需要任何生命，但地球上的大多数甲烷来自生活在垃圾填埋场和反刍动物肠道中的微生物。甲烷和氧化合在一起形成氧化还原对:两个分子通过交换电子进行反应。如果它们都存在于同一大气中，它们会很快结合产生二氧化碳和水。康奈尔大学卡尔·萨根研究所的西达尔特·黑德说:“在很大程度上，如果你有大量的氧化还原分子，它们一定是由生命产生的。”

有些人认为研究人员专注于氧气和甲烷，而忽略了其他可能性。到目前为止，天文学家知道的关于系外行星的一件事是确定的，那就是，对行星的熟悉并不是系外行星的好向导。

此外，极端微生物研究表明，生命可能发生在不太可能的地方。外层空间的生物可能与地球上的生物完全不同，因此其气态副产品也可能完全不同。

但是你在找什么样的汽油呢？西格尔及其同事汇编了一份可能存在于“可居住”温度下的14000种化合物的清单。为了使列表易于管理，他们将其限制在不超过6个非氢原子的小分子。

为了寻找恒星附近类地行星周围的生命迹象，天文学家可能需要直接捕捉其光，以形成光谱甚至真实图像。这需要阻挡恒星的强光。装有“日冕仪”的陆基望远镜可以精确地遮蔽恒星，观察它们周围的天体，但现在它们只能捕捉最宽轨道上最大的外行星。

要看到类地行星，人们需要在太空中安装一个带有类似设备的望远镜，它位于大气扭曲效应的上方。美国宇航局的广域红外探测望远镜(WFIRST)预计将于2020年中期发射，满足了这一需求。

无论如何，研究人员没有放弃探索外星生命的梦想。但是有足够的线索表明我们不是宇宙中唯一的一个吗？“仍有许多不确定性。”凯恩说。

(唐毅宸编译)

《中国科学日报》(2017-122，第三版国际版)