「外星人」就在那裡

一幅來自深空氣候觀測衛星的圖像（左）被分解為少數像素（右）。

圖片來源：NASA EPIC TEAM

Stephen Kane花了很多時間盯著一顆行星的照片。雖然，這些照片只有幾個像素，幾乎沒有特色。但美國加州大學河畔分校天文學家Kane仍然發現，隨著時間變化，這些像素也發生了微妙變化。

這些線索對Kane和同事而言，已經足夠推斷出這顆行星上有海洋、陸地和雲。並且，這裡也有季節交替和24小時的晝夜輪換。

Kane知道他的發現是正確的，因為這顆行星是地球。深空氣候觀測衛星拍攝了這些照片，這顆衛星有一個照相機，可以從太陽的角度觀察地球，並故意將像素從400萬降低到只有幾個。

這些圖像是對未來的一種了解，那時望遠鏡將能夠在其他恆星周圍捕捉到地球大小的岩石行星。Kane表示，他和同事正試圖弄清楚「當最終能直接看到一顆系外行星時，我們能看到什麼」。他們的研究表明，即使是一個寶貴的像素，也能幫助科學家做出最終判斷：行星是否存在生命？

孿生兄弟

鑒於各國太空機構花費了數十億美元向火星和土星的衛星等天體發送機器人探測器，但沒有探測到一絲生命跡象，在距離地球幾光年的行星上找到生命或生物特徵的確鑿證據似乎是不可能的。但是天文學家希望，浩瀚宇宙中存在一個地球的孿生兄弟，那裡有動植物群，並會向一個遙遠的觀察者揭示它的秘密。

但要想探測到它們並不容易，因為天文學家很難獲取這樣一個遙遠世界發出的微弱的光，它的信號幾乎被其周圍明亮得多的恆星所淹沒。不過，新一代的太空望遠鏡正整裝待發，其中包括美國宇航局（NASA）的巨型詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST），它有機會探測到地球孿生兄弟的更多細節。

科學家還將從其他的行星中取樣，而且，天文學家也夢想有一架太空望遠鏡，能產生像Kane的地球像素圖像那樣的一顆類地行星的圖像。研究人員現在正編製可能的生物特徵清單——從生物可能發出的氣體光譜線索，到可能存在於外星的植物或微生物的色素，從而為即將到來的系外行星數據做準備，並幫助望遠鏡設計者知道要尋找什麼。

當然，人們似乎不可能得到一個確鑿證據。相反，背景和多重證據將是發現外星生命的關鍵。例如氧氣、溫度、晝夜長短和液態水等，還有恆星能否提供穩定、有營養的光或不可預測的有害輻射。「每一項觀察都將提供關鍵證據，說明是否存在生命。」NASA天體生物學項目負責人Mary Voytek說。

1995年，隨著第一顆系外行星的發現，各國太空機構紛紛開始制訂雄心勃勃的計劃，要研究可能孕育生命的地球孿生兄弟。NASA陸地行星探測器和歐洲空間局的達爾文項目規划了多個巨大的望遠鏡，它們能以精確的形式飛行，並結合它們的光增加解析度。但這兩項任務都沒有成功。Voytek說：「進展太快了。我們沒有數據來計劃或建造它。」

系外行星

相反，目前科學家的工作重點是探索系外行星的多樣性。他們總共發現了3500多顆已確認的系外行星，其中包括大約30個地球大小的、能夠保留液態水的星球。但是，這樣的調查只給研究人員提供了關於行星的最基本物理信息：它們的軌道、大小和質量。為了弄清行星的樣子，研究人員還需要光譜。

大多數望遠鏡都很難分辨出一個微小、暗淡的行星及其恆星，因為後者亮度至少是前者的10億倍。但是，如果這個行星與恆星重疊或從恆星前方經過，即使天文學家不能直接看到一個行星，他們仍然可以得到一個光譜。當行星凌日時，恆星光芒會穿過行星的大氣層；那裡的氣體吸收了特定波長的光線，並在恆星光譜中留下了特徵。

當它轉到恆星後面時，天文學家還可以通過觀察恆星的光線研究該凌日行星。在日蝕前，光譜將包括來自恆星和行星反射的光；之後，行星的作用將會消失。這兩個光譜相減就可以發現行星的痕迹。

但從數據中梳理出一個可識別的信號絕非易事。甚至大多數科學家會「對數據的可怕程度感到驚訝」，麻省理工學院系外行星研究人員Sara Seager說。

儘管存在這些障礙，但哈勃和斯皮策太空望遠鏡以及其他望遠鏡，已經利用這些方法探測到一些最容易的目標，包括鈉、水、一氧化碳、二氧化碳以及甲烷。它們大多是「熱木星」——在近距離軌道上的大行星，它們的大氣層因恆星加熱而膨脹。

當2019年JWST發射後，將大大改善這些方法。JWST的6.5米的鏡面將比現有望遠鏡收集到更多候選恆星的光線，這使得它能梳理出系外行星的特徵，而且它的光譜圖將會產生更好的數據。它對紅外線的波長很敏感，在這裡，水、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等分子的吸收線是最顯著的。

一旦天文學家有了這樣的光譜，他們希望找到的主要氣體之一是氧。它不僅有強大而獨特的吸收線，而且許多人相信它的存在是地球上生命存在的最有力標誌。產生氧氣的光合作用使地球成為今天的樣子。

華盛頓大學虛擬地球實驗室（VPL）主任Victoria Meadows說，光合作用是進化的「殺手級應用」。它利用陽光將水和二氧化碳轉化為多細胞生物的含糖燃料。「氧氣仍然是第一件要做的事。」她說。

外星生命

15年前，研究人員就開始考慮如何掃描系外行星生命，Meadows回憶說，如果發現了氧氣，「大家就要開香檳了」。但從那以後，研究人員就意識到事情並不是那麼簡單：沒有生命的行星可以有充滿氧氣的大氣層，生命可以在不產生氣體的情況下繁衍。地球就是這樣，20億年來，微生物進行一種形式的光合作用，沒有產生氧氣或其他氣體。

為了弄清真正的生物標記可能是什麼，以及什麼可能是一個錯誤情報，Meadows和同事基於系外行星數據以及對包括地球在內的人們更熟悉的行星的觀察，外加真空物理實驗，再現了可能環繞系外行星的「氣體雞尾酒」。研究人員用各種模擬星光照亮它們，觀察什麼是可以測量的。

然而，在與氧氣相同的地方發現甲烷，將會增強擁有生命的可能性。雖然地質過程可以產生甲烷，不需要任何生命，但地球上大多數甲烷都來自於生活在垃圾填埋場和反芻動物腸道內的微生物。甲烷和氧合在一起形成一個氧化還原對：兩個分子通過交換電子發生反應。如果它們都存在於相同的大氣中，就會迅速結合產生二氧化碳和水。康奈爾大學卡爾·薩根研究所的Siddharth Hegde說：「很大程度上，如果你有大量的氧化還原分子，它們必須是由生命產生的。」

一些人認為，研究人員把重點放在氧和甲烷上而忽略了其他可能性。到目前為止，天文學家對系外行星的了解有一件事是確定的，那就是熟悉行星對系外行星是一個很差的指南。

而且，極端微生物研究表明生命可能在不太可能的地方出現。外空生物可能與地球上的生物完全不同，因此它的氣態副產品也可能截然不同。

但是要尋找什麼氣體呢？Seager和同事編製了一份包含1.4萬個化合物的清單，這些化合物可能存在於「可居住」的溫度中。為了使這個列表易於管理，他們把它限制在小分子中，不超過6個非氫原子。

為了在恆星附近的類地行星周圍尋找生命跡象，天文學家可能需要直接捕捉它的光線，形成光譜甚至是真實的圖像。這就需要擋住恆星的強光。陸基望遠鏡配備了「日冕儀」，能精確遮蔽恆星以便觀察其周圍的天體，但現在它們只能捕捉到最寬軌道上的最大的系外行星。

而要想看到類地行星，就需要在太空中安裝一個有類似裝備的望遠鏡，位於大氣層的扭曲效應之上。NASA的廣域紅外勘測望遠鏡（WFIRST）預計將於2020年中期發射，這填補了這一需求。

無論如何，研究人員沒有放棄探索外星生命的夢想。但相關線索足以說明我們不是宇宙中的唯一嗎？「還有很多不確定因素。」Kane 說。（唐一塵編譯）

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