宇宙「伽利略」時代：尋找另一「隱藏」地球

在四百年前，義大利著名的科學家伽利略使用他設計建造的望遠鏡對準月亮時發現，月球表面在太陽光的反襯下，存在著明顯的亮區和暗區，這些區域呈斑點狀分布於月球表面。對此，伽利略在1610年的一篇論文中做出一種推論：如果從遙遠的地方觀測地球，那麼地球很明顯會淹沒在太陽的光芒之中，但是地球上存在著陸地和海洋，這就使得陸地部分會反射陽光，就顯得明亮一些，海洋部分就較為昏暗。伽利略認為可以由對月球的觀測來類比從某個遙遠的宇宙空間觀測地球。

科學家通過研究地球在宇宙中「透露」出的（生命）信息來發現潛在系外行星

然而，在同一時代的另一位著名科學家開普勒也注意到，月球上明亮和昏暗的斑點可能與地球上陸地和海洋類似，還可能存在著生命。但是，21世紀的人類宇航科技發現告訴我們，月球上並沒有海洋，至於是否存在生命跡象以及是以何種存在方式，還是個未知數，可以肯定的是，伽利略看到的應該是近乎完美的圓形隕石坑。著名天文學家威廉赫歇爾（William Herschel）發現了紅外輻射和天王星，他也注意到並推測月球上可能存在著道路、城鎮或者金字塔等建築。

雖然處於那個時代的科學家受到觀測器材和精度的限制，但是這不影響他們對宇宙生命的憧憬。比如，早期的天文學家觀測火星時，發現其表面存在暗斑波動，推測這可能是季節生長的植被。而金星的「密不透風」的雲層，被認為是潮濕炎熱且茂密的叢林，或者一個充滿生命的全球性海洋。今天，我們已經知道火星的暗斑只是沙塵暴，金星那厚厚的雲層下，是一個充滿硫磺煙霧的「超級大溫室」。除此之外，隨著觀測技術的進步，太陽系中一個個可能存在生命的地方都被排除，似乎地球像是宇宙的生命中心。

天文學家希望在太陽系之外能尋找生命的世界，美國宇航局於2009年發射了開普勒系外行星探測器，僅僅一年多的時間裡，就發現了超過1700個系外行星候選目標，而在過去的二十年內，我們大約探測到了600個處於其他恆星系統的外星世界。這些系外行星還必須擁有和地球類似的空間軌道環境，這樣才能保證液態水的存在，液態水對生命而言是一個關鍵性的溶劑。總之，到目前為止還沒有與地球軌道環境以及地質特徵極為相似的行星被探測到，也許這個時間不會太長。

四百年前，伽利略第一次向我們展示了從遙遠的宇宙空間看地球是一種什麼樣的情景，四百年後，美國宇航局一艘被命名為伽利略號的探測器，在前往木星探測的途中，記錄從宇宙空間探測地球的各種物理特徵，包括使用攝像機、分光計來遙測地球信息。而伽利略號探測器看到的，就是一個真正意義上存在生命的星球。

著名的天文學家卡爾薩根和他的同事在一份研究報告中認為：伽利略號木星探測器的可見光攝像頭可以觀測到地球上暗區和亮區之間的對比度，地球的吸收光譜中明顯可以看到水蒸氣和二氧化碳，這表明如果有某種智慧生物從某處宇宙空間觀測我們的地球，他們就會發現這顆行星表面上存在豐富的水蒸氣痕迹，很有可能以液態形式存在著。而二氧化碳的含量則表面這顆行星是一個岩質的行星，因為在氣態行星中，二氧化碳隨時會和氫結合起來，形成簡單的碳氫化合物，比如甲烷。把這些信息拼湊在一起，他們可以推斷出這顆星球有著海洋和陸地的特徵。

同時，外星智慧生物還會發現一個更令他們興奮的信息，其表徵就是在光譜中出現能有效吸收可見光波長的吸收峰，這就是光合作用。地表上的植被可以高效和有選擇地吸收來自太陽的光照，同時還能將這一對生命而言至關重要的信息「透露」到宇宙空間中去。但是，這還不是最吸引外星智慧生物的地方，他們還會發現在地球大氣層光譜中存在顯著特徵的豐富氧氣濃度，氧氣具有很高的活性，可以將甲烷氧化成二氧化碳和水，如果只有一點點的甲烷存在於富含氧氣的環境中，就存在不可思議的熱力學過程，而在地球上，這個東西就是生命。

一顆具備「可居住」潛力的行星必須具備幾項關鍵因素

氧氣是有光合作用的生物新陳代謝所產生，而微乎其微的甲烷則是產生於地球地殼緩慢的地質運動過程中，還有各種微生物以及沼澤地區排放，稻田和反芻動物所產生。總而言之，美國宇航局的伽利略號木星探測器從宇宙空間中對地球生命在宇宙中的表現形式做了合理且有說服力的鑒定，但是，這些帶有生命特徵的信號在幾十甚至幾百光年外又是一種什麼樣的情況呢，就如同我們探索遙遠的恆星系統，而外星智慧生物可能也在遙遠的地方觀測著我們。實際上，美國國家航空航天局的哈勃以及斯皮策空間望遠鏡已經獲得了少數系外行星的大氣光譜數據，其測量的方法主要是當這些氣態行星在凌日時，以測量他們的大氣光譜特徵。

而開普勒系外行星探測器的觀測能力主要體現在類似於地球的行星，通常情況下可以測量它們的大小以及軌道特徵，除此之外不能探測別的參數。位於美國華盛頓州西雅圖的華盛頓大學行星學家維多利亞梅多斯（Victoria Meadows）認為：這種情況不可能很快得到改變，開普勒系外行星探測器看起來似乎在尋找外星世界，但是它所採用的方法也遵循著系外行星常規探測標準，如果要進一步了解另外一個世界到底是什麼情況，就需要採用一種替代方法。

維多利亞梅多斯領導了一個虛擬行星實驗室，目的就是利用計算機來量化天體物理學，並模擬行星的大氣和地址影響因素，以及是否能適合生命生存，更重要的是，觀察在這些影響因素作用下，如何隨著時間的變化演化出一個可居住的行星。然後我們將倒推這些行星的演化階段，從而在實際的觀測中發現具有類似特徵的系外行星。

目前，我們對具有可居住性質的行星研究處於最簡單的模型階段，行星模擬的最終要求便是可以根據不同的恆星直射，了解一切對行星生命有利的可能空間位置，整個過程需要複雜的三維模擬。在今年6月發表的一份報告中提到，行星學家維多利亞梅多斯和她的同事比較了由模擬推演與實際空間觀測的結果，我們地球的亮度以及光譜波動幅度在百分之三至五之間。我們進行這項實驗，就是想知道如果外星智慧生物在觀測地球，他們在遙遠的宇宙空間外探索地球會是一種什麼樣的情況。

該行星模擬結果顯示：可以通過測量遙遠行星反射的紫外線和可見光在某些特定波段上的比例，這項特徵可以傳播至很遠的宇宙空間。從這些信息中，我們可以推測中氧氣和氮分子的大氣中的組份，特別是一顆具有液態海洋的行星。這將是一個非常誘人的暗示，至少可以從中發現與地球類似大氣結構的行星。

如果運氣好的話，我們還可以在特殊角度看到這顆行星海洋上反射光線。維多利亞梅多斯認為這個觀測角度存在於該行星表面與恆星夾角的視向，視野結構類似於新月形。另外，由於海洋的存在，光線還會出現類似鏡面效應的現象，這些都會增強對該行星具有液態海洋特徵的認定。

在宇宙中尋找另一個地球，最好的辦法就是弄清楚我們在宇宙空間中會產生哪些信息，這些信息中反映了關於生命何種特徵。另外，虛擬行星研究計劃中，不僅要探測這些行星光譜中所攜帶的各種主要信息，我們還要探測大氣光譜中某些微量物質，這些大氣成分中的副產品同樣也能反推出該系外行星上的某些重要大氣性質，如果該行星上存在生命，這些微量物質就能反映這些生物的部分特性。在目前的系外行星探索中，我們希望能通過光譜分析發現的信息包括：可見光和近紅外波長下的水蒸氣和氧氣，甲烷；在遠紅外波長下得二氧化碳以及氧氣、臭氧。

這些信息的發現，就是生命存在在顯著特徵。而這些信息，對現有的大多數空間望遠鏡而言，還是較為困難的。位於加利福尼亞州帕薩迪納的美國宇航局太陽系外行星科學研究所科學家查爾斯比奇曼（Charles Beichman）認為：通過虛擬的系外行星探索計劃建模，會告訴我們尋找氧氣在行星演化過程中體現是多麼重要的作用，或者在哪些地方能探測到關於水的光譜信息，以及在系外行星發現過程中，真正值得注意的地方有哪些。

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