尋找另一個地球：能直接拍攝系外行星照片嗎？

原標題：尋找另一個地球：能直接拍攝系外行星照片嗎？

北京時間12月7日消息，據國外媒體報道，史蒂芬·凱恩（Stephen Kane）每天都要花費大量時間觀察一些看上去質量很差的行星照片。這些照片通常只有幾個像素大小，從中根本看不出任何細節。

凱恩是美國加州大學河濱分校的天文學家，即便這項工作看似如此枯燥乏味，但他必須堅持觀察。他想要了解隨著時間推移，這些圖像中的微小像素所發生的細微變化。對於凱恩和他的同事們而言，僅僅這些信息就已經足以讓他們得到一些重要的結論，比如他們根據一些信息推斷出：這顆行星上有海洋和陸地，有漂浮的雲層，有四季變化，而且每自轉一周的時間是24小時。

凱恩知道他的結論是正確的，因為他們所研究的那顆行星是地球。

凱恩的研究組從「深空氣候觀測台」衛星上獲取地球圖像。這顆衛星在不斷拍攝近乎實時的地球圖像並傳回地球。凱恩獲取這些圖像並將其像素從400萬像素降低到只有幾個像素，讓畫面幾乎完全無法辨識，然後在這樣的圖像基礎上進行研究。

這一點很重要，因為這種效果大體上就和未來我們的望遠鏡首次有能力直接拍攝到圍繞其他恆星運行的，大小與地球相近的系外行星圖像時的成像效果相類似。凱恩表示，他和自己的團隊希望能夠了解，當有朝一日我們終於能夠對系外行星直接成像時，我們將能夠看到什麼樣的情景。他們目前的研究結果證明，即便到時候我們獲取的圖像只有幾個像素大小，但科學家們仍然將能夠對這顆行星做出重要判斷：這是一顆能夠容納生命在其上面生存的星球嗎？

尋找系外行星上的生命跡象

要想找到遠在數光年，乃至數十，上百光年外遙遠的系外行星上存在生命的確鑿證據將是極端困難的。這一點只要看看目前的狀況就知道了。全球各國的航天機構花費了數十上百億的美金，發射了大量的先進無人探測器造訪太陽系各個有希望存在生命的星球，但到目前為止我們在疑似地外生命的方面仍然幾乎一所所獲，哪怕是最細微的線索我們都沒能找到。但天文學家們仍未放棄希望，他們希望能夠找到一個「地球2.0」，他們希望這樣一顆星球上存在著動物和植物，甚至從數光年之外的遙遠位置上也能夠被察覺出來。

但是，實際情況是，要想真正進行這樣的探測將是極端困難的。這一點是很容易理解的，考慮到我們要探查的行星世界極為遙遠，而且非常渺小，它們發出的光幾乎會被旁邊的恆星光芒完全淹沒。在未來幾年內即將發射的新一代太空望遠鏡，包括美國的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡（JWST）預計能夠拍攝到足以顯示系外類地行星表面細節的可能性也非常小，其拍攝效果更大可能是與凱恩小組的模擬相類似的模糊圖像。因此，為了應對未來將要獲得的這些系外行星圖像，並幫助空間望遠鏡設計者們更好地規劃望遠鏡潛在觀測目標——科學家們目前正在努力編製可能與生命現象有關的特徵列表：從可能由生命活動產生的氣體，到外星植物和微生物可能顯示的色素跡象。

當然，在實踐中不太可能出現某種單一的決定性證據，而更可能是多種不同的線索組合起來，從而構成系外行星上是否存在生命跡象的證據。比如說，如果我們在某個系外行星的大氣中檢測到氧氣，單獨這一點還並不能確鑿地證明這顆星球上就一定存在生命，我們還必須弄清楚這些氣體究竟是如何產生的？再比如，我們知道某個系外行星的平均溫度，從而推斷其表面可能存在液態水，但是我們同樣不能就此推斷它上面的生命跡象，我們還需要了解這顆星球上的一天有多長，有無四季變化，以及最極端的溫度範圍是多少等等。甚至對於這顆行星圍繞運行的恆星的了解也是極為重要的，我們必須確認這顆恆星是否能夠為這顆行星提供持續穩定的光熱，從而為生命的生存提供必要環境條件。

美國宇航局天體生物學項目主管瑪麗·沃特克（Mary Voytek）表示：「每一項觀測結果都會提供重要線索，共同幫助我們判斷那裡是否存在生命。」

獲取系外行星光譜數據的艱難工作

在1995年發現首個系外行星的時期，各國航天機構都在積極規劃一些極為昂貴的空間項目，希望能夠對那些有可能孕育生命的系外類地行星開展研究。其中一些有代表性的項目包括美國宇航局規劃的「類地行星搜尋者」（TPF）以及歐空局的「達爾文」計劃。這些計劃都設想採用多台大口徑空間望遠鏡精確編隊飛行的方式，實現極高精度的聯合成像，從而獲取極高的解析度。但遺憾的是，這兩個項目最終沒有任何一個實際付諸實施。對於其背後的原因，沃特克說：「那些計劃規劃的太倉促了，我們當時並沒有足夠的數據去規劃它或是建造它。」

相反，科學家們將他們的注意力主要集中到了探究系外行星的多樣性方面，並使用地基望遠鏡和空間望遠鏡兩套體系開展研究，後者最有代表性意義的便是美國宇航局發射的「開普勒」空間望遠鏡。在過去的20多年內，全球的科學家們一共確認了超過3500顆系外行星，其中大約有30顆是地球大小的，並且其距離恆星的位置適中，因而被認為有可能可以存在液態水體。但這樣的巡天研究只能給研究人員提供有關這些遙遠行星最基本的物理性質參數，比如它們的軌道，大小，以及質量等等。而要想真正獲得有價值的信息，科學家們需要光譜數據：那些穿過這些行星大氣層，或者被這些行星反射出來的光線，這些光線攜帶著極為關鍵的信息。

大部分望遠鏡並不具備在強大恆星的周圍分辨出暗弱渺小的系外行星的分辨能力，因為後者至少要比前者的光芒暗弱10億倍以上。但即便天文學家們不能直接觀察到行星本身，他們仍然可以利用一些時機，比如凌星等事件，來獲取行星光譜。所謂凌星，簡單來說就是行星從恆星面前經過，有點類似水星凌日或者金星凌日。在凌星過程中，恆星的光線會從行星大氣層中穿過，它們大氣中的特定成分氣體會吸收特定波長的光線，這會在光譜中留下特徵性信息，從而讓我們反推出這些行星大氣層的成分。

天文學家還可以通過行星在恆星背後通過的時刻獲取重要信息。在行星剛剛從恆星背後出現之前，將能夠接收到行星地面反射的光線，以及從大氣層中透過的光線。而在行星完全從恆星背後出現之後，這段時間接收到的光線則完全是來自透過行星大氣層後的光線。將兩個信號相減，我們將獲得較為清晰的行星地表光譜信號。

然而，理論容易實踐難。要想真正提取一條可以識別的信號並非易事。因為恆星的全部光線中只有極小一部分會穿過行星大氣層，其產生的信號極為微弱，要想將其從其他恆星星光中識別出來困難極大，再加上我們還必須設法剔除來自地球大氣成分吸收的影響。正如美國麻省理工學院的著名系外行星科學家薩拉·賽格爾（Sara Seager）所說：「大部分科學家都會對通過這種方法獲得的數據質量之差感到震驚。」

但儘管面對這樣巨大的困難，利用哈勃空間望遠鏡，斯皮策空間望遠鏡，以及其他一些空間觀測設備，科學家們仍然成功地在一些相對比較容易觀測的系外行星大氣層中檢測到了一些成分信號，包括鈉，水，一氧化碳，二氧化碳以及甲烷。這類系外行星基本都屬於所謂的「熱木星」，也就是體積質量巨大，而運行軌道距離恆星很近的系外行星，它們的大氣層溫度很高，體積膨脹。

追尋氧氣，追尋甲烷！

而等到2019年詹姆斯·韋伯空間望遠鏡發射升空之後，這一方法還將為科學家們帶來更大利益。這台6.5米口徑的巨大望遠鏡將能夠以遠超現有空間望遠鏡的能力，獲取那些更為暗弱的系外行星的光譜數據，數據的質量也將得到改善。並且，由於工作波段在紅外波段最敏感，因此某些成分的吸收線，比如水，甲烷，一氧化碳以及二氧化碳等成分的信號會更加明顯。

一旦天文學家們獲得這類光譜數據，他們首先想要尋找的信號就是氧的信號。這不僅是因為氧擁有獨特且較為明顯的吸收線特徵，並且還因為氧氣信號的存在很大可能是這顆星球上存在能夠進行光合作用的植物的證據。

具備光合作用的植物是塑造今日地球的重要因素。海洋中最早出現的藍藻，以及隨後出現的其他微生物，以及再後來出現的植物將大量氧氣送入地球大氣層，時至今日，氧氣已經佔到地球大氣成分的21%左右——這樣高的含量是很容易從遙遠的地方通過光譜方法觀測出來的。美國宇航局資助項目「可視化行星實驗室」（VPL）主管，美國華盛頓大學的維多利亞·米多斯（Victoria Meadows）說：「光合作用是進化過程中的神奇現象」。這種機制能夠利用唾手可得的能源——太陽光，並利用在大部分類地行星上非常常見的兩種物質——水和二氧化碳作為原料來合成糖分，從而為生命提供「燃料」。米多斯相當確信，在宇宙中其他的類地行星上，光合作用也一定存在。因此她說：「氧氣仍然是我們最先關注和搜尋的目標之一。」

15年前，當時系外行星還是相對新鮮的事物，研究人員才剛開始思考關於如何在那些星球上搜尋生命跡象的話題。米多斯回憶說：「在當時，如果說在某個系外行星大氣中探測到氧氣信號，那麼我們就得打開一瓶香檳酒慶祝了。」但是在那之後，我們逐漸意識到事情並沒有那麼簡單：沒有生命存在的星球大氣層同樣可以充斥氧氣，而生命活動也並非一定會產生氧氣。事實上這種情況在地球上就發生了：在超過20億年的時間裡，地球上微生物的光合作用並不產生氧氣歐哲其他氣體。米多斯表示：「我們必須小心，防止自己被誤導。」

小心！不要被誤導

要想弄清一個真正的生命跡象究竟是什麼樣的，哪些可能是假信號，米多斯和同事們正積極利用現有的系外行星數據以及地球本身的數據構建系外行星大氣層的計算機模型。他們還在真空室內進行相關實驗，他們模擬系外行星可能的大氣成分，並模擬各種不同類型恆星的光照條件，觀察各種出現的現象。

在過去的幾年間，VPL的研究人員已經運用這種方式梳理了那些能夠產生氧氣的非生物學過程，這樣的過程可能會造成科學家們的誤判，從而產生「假陽性信號」。比如說，某些恆星周圍可能存在海洋行星，其地表幾乎完全被海水覆蓋。如果其地表溫度過高，可能造成全球性海洋的沸騰和強烈蒸發。此時來自恆星的強烈紫外線照射這顆行星，就有可能使水汽分子發生裂解，形成氧氣和氫氣。氫氣比較輕，可以較為容易地逃逸進入太空，而相對較重的氧氣成分則會滯留在行星大氣層內，從而形成一顆富含氧氣，但是無生命的行星。康奈爾大學卡爾·薩根研究所的希德赫斯·海德（Siddharth Hegde）引述道：「了解你的恆星，才能了解你的行星。」

但是，如果在大氣層中發現了氧氣成分的行星上，又同時檢測到了甲烷氣體成分，那麼這將大大增加生命存在的可能性。儘管某些沒有生命參與的地質學過程同樣能夠產生甲烷，但地球大氣中的大部分甲烷氣體來源於垃圾填埋點和某些動物的反芻。甲烷和氧氣構成了一對氧化-還原對：它們兩者之間可以通過交換電子實現反應。如果它們同時存在於一個大氣中，它們很快就會發生反應並形成二氧化碳和水。但如果在一個較長的時期內這兩種氣體一直在大氣層中共存且保持了較高的含量，那麼我們就可以相當有把握的推斷，一定存在著某種機制能夠源源不斷的向大氣補充甲烷氣體。因此，一般我們認為，如果在大氣中存在甲烷這樣的不穩定氣體，那麼它應該是與生命活動有關。

有些科學家認為，將注意力完全集中於氧氣和甲烷是根據了地球的經驗，這樣是否可能會導致我們忽略其他方面的可能性。如果說到目前為止天文學家們在系外行星方面有所學習有所收穫的話，那就是面對系外行星在大小和類型上的多樣性，我們所熟悉的那些經驗往往是蒼白無力的。我們對於嗜極生物的研究，也就是那些在地球上一些最極端環境下生活的生命的研究已經顯示生命可以在某些最不可思議的惡劣環境中生存下來。因此，或許外星生物學可以與地球生物學完全不同，因此，那裡的生命活動產生的氣體成分或許也會與地球上的生命活動產生的氣體成分完全不同。

但是如果是這樣，那我們究竟該去尋找什麼氣體呢？賽格爾和同事們整理了一份列表，其中列出了可能以氣態形式存在於那些溫度較為適中的系外行星大氣中的各種化合物，也就是那些平均氣溫在水的冰點和沸點之間的星球；並且，為了讓這份列表顯得簡短一些，他們限定只收錄小分子，嚴格來說就是這種物質的分子中不能含有超過6個以上的非氫原子。結果，這份列表收錄了超過1.4萬種符合條件的化合物。其中2500種分子是由包括碳，氮，氧，磷，硫和氫等組成地球上生命的主要元素組成的，而600多種基本上就是由地球上的生命活動產生的。如果能夠在系外行星的大氣層中探測到任何這類氣體跡象，並且找不到任何非生物學成因的解釋的話，那麼賽格爾和同事們就認為這種信號可以被作為潛在生命存在的提示信號。

先進日冕儀技術

在未來多一段時間內，通過觀察凌星期間恆星光線透過行星大氣層獲得的光譜信號來搜尋生命存在的跡象將會是一種主要研究手段。但是這種方法有一個缺陷，那就是一般來說，通過這種方法獲得的光譜基本反映的更多是系外行星高空大氣的成分，因為穿透厚厚的大氣抵達靠近地面的底層大氣的光線畢竟只佔很少的比例，但那裡才是生命活動最活躍最多的地方。另外，凌星方法對於「熱木星」這類系外行星的研究是最為有效的，但是這種類型的系外行星從本質上講，其存在生命的可能性就是極低極低的。而那些最有希望孕育生命的類似地球環境的小型岩石星球，這類研究方法卻並不能最有效地發揮其作用。下一代空間望遠鏡，比如前文中提到的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡將有望獲取圍繞紅矮星運行的這類小型岩石質系外行星的光譜數據。之所以限定紅矮星，是因為這類恆星質量很小，亮度較弱，對行星光線的淹沒效應會相對弱一些。但是，紅矮星有一個嚴重缺陷，那就是它們會非常頻繁地發生劇烈的耀斑爆發，在它們周圍的行星將會不斷遭受高能粒子轟擊。在這樣的情況下，生命將很難生存下來。

如果想要搜尋圍繞一顆類似太陽的恆星周圍運行的，與地球大小與性質相近的系外行星上的生命跡象，天文學家們或許將需要直接「捕獲」來自這顆行星的光線，去獲取其光譜數據，甚至做直接成像。而要想做到這一點，我們必須首先設法遮擋臨近恆星的耀眼光芒。地基望遠鏡上可以安裝所謂「日冕儀」，其能夠精準地遮蔽恆星，從而暴露其近旁的其他暗弱目標。但目前的技術條件下，利用這類設備還只能獲取那些體積最大，且距離恆星最遠的系外行星光譜。要想獲取與地球大小相似的系外行星光譜必須仰賴大型空間望遠鏡，因為這樣可以避開地球大氣層造成的信號擾動。美國宇航局規劃中在2020年代中期發射的「廣域紅外巡天望遠鏡」（WFIRST）將有望達成這一目標。

甚至，WFIRST還可以與一個「星擋」（starshade）協同工作，後者本質上是一艘獨立的飛船，可以被部署在距離望遠鏡大約5萬公里遠的位置上，其展開之後形成一個直徑數十米的向日葵狀遮擋器，類似恆星日冕儀，能夠有效遮擋目標恆星的光芒。這種獨立飛行的「星擋」在屏蔽恆星光芒方面要比傳統的日冕儀更為有效。它不僅能夠直接遮擋恆星的光芒，其特殊的外形還能有效防止光線的衍射效應。這一特性將有效減少可能進入望遠鏡視野的散射光線，從而更有效地觀察恆星周圍的暗弱星體。當然，「星擋」飛行器的成本相比一般的日冕儀也要高得多，而且要讓「星擋」和空間望遠鏡鏡頭之間在如此遙遠的距離上進行精確指向並保持同步也將面臨巨大的技術挑戰。

系外行星直接成像的希望

相比凌星觀測，直接成像技術將能夠獲得質量好得多的光譜數據，甚至，直接成像技術還將有望讓我們直接判斷系外行星上有無生命跡象，而不是苦於從它們排出的「廢氣」中搜尋簡介信號。如果存在有機體，不管它們是植物，藻類或是其他微生物，並且它們覆蓋了一顆行星的大部分表面，那麼它們的顏色將會在光譜信號中留下特殊印記。比如地球的光譜數據就很特別。在波長為720納米處，地球光譜中出現了強烈改變，這就是所謂的「紅邊」（red edge）現象。這是地球上廣泛分布的綠色植被在光譜中留下的印記。在這一波長以下，植物光合作用會產生強烈吸收，導致反照率很低，僅有百分之幾；而在這一波長以上，反照率則一下子跳到50%以上，光譜亮度迅速上升，就像一座陡峭的懸崖。海德說：「一個外星觀測者將能夠很容易就判定，地球上存在大量生命體。」

當然，我們沒有理由去認為外星上同樣也生長著一樣的綠色植物。因此海德和同事們目前正著手編製一個囊括各類微生物光譜特性的資料庫。在數百種目前已經被研究組收錄的微生物中，有許多都屬於嗜極生物，這類生物在地球上屬於邊緣群體，但在其他星球上有可能屬於主流形式。在被選入的很多微生物中，很多都從未被測定過反射光譜，因此這個康奈爾大學的研究組目前正在填補這些空白。不過，要想探測到系外行星地表的色素跡象在技術上將極具挑戰性。但好在我們還能夠依賴其他一些線索，比如大氣成分產生的光譜吸收，這些信息都能夠輔助我們，幫助我們判斷這顆行星上的狀況。

目前全世界所有的望遠鏡，以及未來十年內將要投入使用的望遠鏡中，沒有任何一台是專門設計用於對系外行星直接成像的，因此致力於系外行星生命跡象搜尋的科學家們必須與其他天文分支領域的研究者們競爭寶貴的望遠鏡使用時間。科學家們想要的是一台專門設計用於對與地球相類似的系外行星進行成像的空間望遠鏡設備，這幾乎是之前被美國宇航局廢棄的類地行星搜尋者」（TPF）的翻版。

目前，美國宇航局正在評估一項名為「宜居系外行星成像任務」（HabEx）的項目，這或許將是一個科學家們想要的答案。這題設想中的空間望遠鏡口徑達到6.5米，和詹姆斯·韋伯空間望遠鏡屬於同一水平，但其敏感的波段範圍會更寬，從紫外波段一直延伸到近紅外波段，從而能夠獲取更寬波段範圍內的生命跡象信息。這台望遠鏡將採取技術手段將干擾光線壓縮到最低，安裝日冕儀和星擋設備，從而實現對地球大小系外行星的直接成像。

這樣一項任務如果實現，將達到今天的科學家們只能靠想像的那種極高細節解析度，有效地實現對系外行星大氣，地表色素信息，甚至拍攝類似凱恩團隊所模擬的那種模糊的直接成像。但即便到了那時候，我們就能夠有把握的回答那個古老的問題了嗎——我們在宇宙中是否是孤獨的？對此，凱恩表示：「在下定論之前，還有很多事情要做。但如果HabEx望遠鏡能夠得到批准並順利發射，那它將會大大有助於這個問題的回答。」

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