“外星人”就在那里

2017-11-22 09:11 来源:《中国科学报》 
2017-11-22 09:11:42来源:《中国科学报》作者:责任编辑:张佳兴

  一幅来自深空气候观测卫星的图像(左)被分解为少数像素(右)。

  图片来源:NASA EPIC TEAM

  Stephen Kane花了很多时间盯着一颗行星的照片。虽然,这些照片只有几个像素,几乎没有特色。但美国加州大学河畔分校天文学家Kane仍然发现,随着时间变化,这些像素也发生了微妙变化。

  这些线索对Kane和同事而言,已经足够推断出这颗行星上有海洋、陆地和云。并且,这里也有季节交替和24小时的昼夜轮换。

  Kane知道他的发现是正确的,因为这颗行星是地球。深空气候观测卫星拍摄了这些照片,这颗卫星有一个照相机,可以从太阳的角度观察地球,并故意将像素从400万降低到只有几个。

  这些图像是对未来的一种了解,那时望远镜将能够在其他恒星周围捕捉到地球大小的岩石行星。Kane表示,他和同事正试图弄清楚“当最终能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,即使是一个宝贵的像素,也能帮助科学家做出最终判断:行星是否存在生命?

  孪生兄弟

  鉴于各国太空机构花费了数十亿美元向火星和土星的卫星等天体发送机器人探测器,但没有探测到一丝生命迹象,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似乎是不可能的。但是天文学家希望,浩瀚宇宙中存在一个地球的孪生兄弟,那里有动植物群,并会向一个遥远的观察者揭示它的秘密。

  但要想探测到它们并不容易,因为天文学家很难获取这样一个遥远世界发出的微弱的光,它的信号几乎被其周围明亮得多的恒星所淹没。不过,新一代的太空望远镜正整装待发,其中包括美国宇航局(NASA)的巨型詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST),它有机会探测到地球孪生兄弟的更多细节。

  科学家还将从其他的行星中取样,而且,天文学家也梦想有一架太空望远镜,能产生像Kane的地球像素图像那样的一颗类地行星的图像。研究人员现在正编制可能的生物特征清单——从生物可能发出的气体光谱线索,到可能存在于外星的植物或微生物的色素,从而为即将到来的系外行星数据做准备,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一个确凿证据。相反,背景和多重证据将是发现外星生命的关键。例如氧气、温度、昼夜长短和液态水等,还有恒星能否提供稳定、有营养的光或不可预测的有害辐射。“每一项观察都将提供关键证据,说明是否存在生命。”NASA天体生物学项目负责人Mary Voytek说。

  1995年,随着第一颗系外行星的发现,各国太空机构纷纷开始制订雄心勃勃的计划,要研究可能孕育生命的地球孪生兄弟。NASA陆地行星探测器和欧洲空间局的达尔文项目规划了多个巨大的望远镜,它们能以精确的形式飞行,并结合它们的光增加分辨率。但这两项任务都没有成功。Voytek说:“进展太快了。我们没有数据来计划或建造它。”

  系外行星

  相反,目前科学家的工作重点是探索系外行星的多样性。他们总共发现了3500多颗已确认的系外行星,其中包括大约30个地球大小的、能够保留液态水的星球。但是,这样的调查只给研究人员提供了关于行星的最基本物理信息:它们的轨道、大小和质量。为了弄清行星的样子,研究人员还需要光谱。

  大多数望远镜都很难分辨出一个微小、暗淡的行星及其恒星,因为后者亮度至少是前者的10亿倍。但是,如果这个行星与恒星重叠或从恒星前方经过,即使天文学家不能直接看到一个行星,他们仍然可以得到一个光谱。当行星凌日时,恒星光芒会穿过行星的大气层;那里的气体吸收了特定波长的光线,并在恒星光谱中留下了特征。

  当它转到恒星后面时,天文学家还可以通过观察恒星的光线研究该凌日行星。在日蚀前,光谱将包括来自恒星和行星反射的光;之后,行星的作用将会消失。这两个光谱相减就可以发现行星的痕迹。

  但从数据中梳理出一个可识别的信号绝非易事。甚至大多数科学家会“对数据的可怕程度感到惊讶”,麻省理工学院系外行星研究人员Sara Seager说。

  尽管存在这些障碍,但哈勃和斯皮策太空望远镜以及其他望远镜,已经利用这些方法探测到一些最容易的目标,包括钠、水、一氧化碳、二氧化碳以及甲烷。它们大多是“热木星”——在近距离轨道上的大行星,它们的大气层因恒星加热而膨胀。

  当2019年JWST发射后,将大大改善这些方法。JWST的6.5米的镜面将比现有望远镜收集到更多候选恒星的光线,这使得它能梳理出系外行星的特征,而且它的光谱图将会产生更好的数据。它对红外线的波长很敏感,在这里,水、甲烷、一氧化碳和二氧化碳等分子的吸收线是最显著的。

  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是氧。它不仅有强大而独特的吸收线,而且许多人相信它的存在是地球上生命存在的最有力标志。产生氧气的光合作用使地球成为今天的样子。

  华盛顿大学虚拟地球实验室(VPL)主任Victoria Meadows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。“氧气仍然是第一件要做的事。”她说。

  外星生命

  15年前,研究人员就开始考虑如何扫描系外行星生命,Meadows回忆说,如果发现了氧气,“大家就要开香槟了”。但从那以后,研究人员就意识到事情并不是那么简单:没有生命的行星可以有充满氧气的大气层,生命可以在不产生气体的情况下繁衍。地球就是这样,20亿年来,微生物进行一种形式的光合作用,没有产生氧气或其他气体。

  为了弄清真正的生物标记可能是什么,以及什么可能是一个错误情报,Meadows和同事基于系外行星数据以及对包括地球在内的人们更熟悉的行星的观察,外加真空物理实验,再现了可能环绕系外行星的“气体鸡尾酒”。研究人员用各种模拟星光照亮它们,观察什么是可以测量的。

  然而,在与氧气相同的地方发现甲烷,将会增强拥有生命的可能性。虽然地质过程可以产生甲烷,不需要任何生命,但地球上大多数甲烷都来自于生活在垃圾填埋场和反刍动物肠道内的微生物。甲烷和氧合在一起形成一个氧化还原对:两个分子通过交换电子发生反应。如果它们都存在于相同的大气中,就会迅速结合产生二氧化碳和水。康奈尔大学卡尔·萨根研究所的Siddharth Hegde说:“很大程度上,如果你有大量的氧化还原分子,它们必须是由生命产生的。”

  一些人认为,研究人员把重点放在氧和甲烷上而忽略了其他可能性。到目前为止,天文学家对系外行星的了解有一件事是确定的,那就是熟悉行星对系外行星是一个很差的指南。

  而且,极端微生物研究表明生命可能在不太可能的地方出现。外空生物可能与地球上的生物完全不同,因此它的气态副产品也可能截然不同。

  但是要寻找什么气体呢?Seager和同事编制了一份包含1.4万个化合物的清单,这些化合物可能存在于“可居住”的温度中。为了使这个列表易于管理,他们把它限制在小分子中,不超过6个非氢原子。

  为了在恒星附近的类地行星周围寻找生命迹象,天文学家可能需要直接捕捉它的光线,形成光谱甚至是真实的图像。这就需要挡住恒星的强光。陆基望远镜配备了“日冕仪”,能精确遮蔽恒星以便观察其周围的天体,但现在它们只能捕捉到最宽轨道上的最大的系外行星。

  而要想看到类地行星,就需要在太空中安装一个有类似装备的望远镜,位于大气层的扭曲效应之上。NASA的广域红外勘测望远镜(WFIRST)预计将于2020年中期发射,这填补了这一需求。

  无论如何,研究人员没有放弃探索外星生命的梦想。但相关线索足以说明我们不是宇宙中的唯一吗?“还有很多不确定因素。”Kane 说。(唐一尘编译)

[责任编辑:张佳兴]

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