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亞利桑那大學(xué)天文學(xué)特聘教授Chris Impey和該校天文學(xué)和行星科學(xué)教授Daniel Apai是研究系外行星和天體生物學(xué)的兩位研究人員。在很大程度上要感謝像詹姆斯·韋伯這樣強(qiáng)大的下一代望遠(yuǎn)鏡，像他們這樣的科學(xué)家將很快能夠測(cè)量圍繞其他恒星運(yùn)行的行星的大氣層的化學(xué)構(gòu)成。兩位研究人員希望能在這些系外行星中的一顆或多顆上檢測(cè)到生命的化學(xué)特征。

【資料圖】

可居住的系外行星

生命可能存在于我們太陽(yáng)系中有液態(tài)水的地方--比如木星的衛(wèi)星歐羅巴的海洋或火星的地下水層中。然而，在這些地方尋找生命是非常困難的，因?yàn)樗鼈兒茈y到達(dá)，探測(cè)生命需要發(fā)送一個(gè)探測(cè)器來收集和返回物理樣本。

許多天文學(xué)家認(rèn)為，在圍繞其他恒星運(yùn)行的行星上很有可能存在生命，而且這有可能是首次發(fā)現(xiàn)地外生命的地方。

根據(jù)理論計(jì)算，僅在銀河系就有大約3億顆潛在的宜居行星，在距離地球僅30光年的范圍內(nèi)有幾顆宜居的地球大小的行星--基本上是人類的銀河系鄰居。迄今為止，天文學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了5000多顆系外行星，包括數(shù)百顆潛在的宜居行星，使用的是測(cè)量行星如何影響其附近恒星的間接方法。雖然這些測(cè)量可以給天文學(xué)家提供關(guān)于系外行星的質(zhì)量和大小的基本信息，但它們并不能提供更多其他信息。

尋找生物特征

為了探測(cè)一個(gè)遙遠(yuǎn)星球上的生命，天體生物學(xué)家將檢查與一個(gè)星球的表面或大氣相互作用的星光。如果大氣層或表面被生命改造過，光線可能帶有線索，稱為"生物特征"。

在其存在的前一半時(shí)間里，地球擁有一個(gè)沒有氧氣的大氣層，盡管它擁有簡(jiǎn)單的單細(xì)胞生命。在這個(gè)早期時(shí)代，地球的生物信號(hào)是非常微弱的。這種情況在24億年前發(fā)生了突變，當(dāng)時(shí)一個(gè)新的藻類家族進(jìn)化了。這些藻類使用一種產(chǎn)生自由氧的光合作用過程--沒有與任何其他元素化學(xué)結(jié)合的氧氣。從那時(shí)起，地球上充滿氧氣的大氣層就在穿過它的光線上留下了強(qiáng)烈的、容易檢測(cè)的生物特征。

當(dāng)光從一個(gè)材料的表面反彈或通過一個(gè)氣體時(shí)，某些波長(zhǎng)的光比其他波長(zhǎng)的光更有可能留在氣體或材料的表面上被捕獲。這種對(duì)光的波長(zhǎng)的選擇性捕獲是物體呈現(xiàn)不同顏色的原因。葉子是綠色的，因?yàn)槿~綠素特別擅長(zhǎng)吸收紅色和藍(lán)色波長(zhǎng)的光。當(dāng)光線照射到葉子上時(shí)，紅色和藍(lán)色的波長(zhǎng)被吸收，剩下的大部分綠光被反彈到你的眼睛里。

缺少的光的模式是由光與之相互作用的材料的特定成分決定的。正因?yàn)槿绱耍煳膶W(xué)家可以通過測(cè)量來自行星的光的具體顏色來了解系外行星的大氣層或表面的組成情況。

這種方法可以用來識(shí)別某些與生命有關(guān)的大氣氣體的存在--如氧氣或甲烷--因?yàn)檫@些氣體在光線中留下了非常具體的特征。它也可以用來檢測(cè)一個(gè)星球表面的特殊顏色。例如，在地球上，植物和藻類用于光合作用的葉綠素和其他色素會(huì)捕捉特定波長(zhǎng)的光。這些色素產(chǎn)生了特有的顏色，可以通過使用敏感的紅外相機(jī)來檢測(cè)。如果你看到這種顏色從一個(gè)遙遠(yuǎn)的星球的表面反射出來，它將有可能標(biāo)志著葉綠素的存在。

太空和地球上的望遠(yuǎn)鏡

為了探測(cè)來自潛在可居住的系外行星的光線的這些微妙變化，需要一個(gè)極其強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡。就目前而言，唯一能夠完成這一壯舉的望遠(yuǎn)鏡是新的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡。由于它在2022年7月剛剛開始科學(xué)運(yùn)作，韋伯對(duì)氣態(tài)巨型系外行星WASP-96b的光譜進(jìn)行了讀取。盡管光譜顯示存在水和云層，但像WASP-96b這樣大而熱的行星不太可能承載生命。

然而，這一早期數(shù)據(jù)表明，詹姆斯·韋伯望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到來自系外行星的光線中微弱的化學(xué)特征。在新的幾個(gè)月里，韋伯將把它的鏡子轉(zhuǎn)向TRAPPIST-1e，這是一顆可能適合居住的地球大小的行星，距離地球僅有39光年。

韋伯可以通過研究行星在其宿主恒星面前經(jīng)過時(shí)的生物特征，并捕捉穿過行星大氣層的星光，來尋找生物特征。但是韋伯并不是為了尋找生命而設(shè)計(jì)的，所以該望遠(yuǎn)鏡只能仔細(xì)檢查最近的幾個(gè)潛在的宜居世界。它也只能檢測(cè)大氣層中二氧化碳、甲烷和水蒸氣水平的變化。雖然這些氣體的某些組合可能表明有生命存在，但韋伯無法探測(cè)到未結(jié)合的氧氣的存在，而這是生命的最強(qiáng)信號(hào)。

未來更強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡的領(lǐng)先概念包括計(jì)劃阻擋行星宿主星的亮光，以顯示從行星反射回來的星光。這個(gè)想法類似于用你的手擋住陽(yáng)光，以便更好地看到遠(yuǎn)處的東西。未來的太空望遠(yuǎn)鏡可以使用小型的、內(nèi)部的面具或大型的、外部的、類似雨傘的航天器來做這件事。一旦星光被阻擋，研究從一個(gè)星球上反彈的光線就變得更加容易。

目前還有三個(gè)巨大的地面望遠(yuǎn)鏡正在建設(shè)中，它們將能夠搜索生物特征：大麥哲倫望遠(yuǎn)鏡、三十米望遠(yuǎn)鏡和歐洲極大望遠(yuǎn)鏡。每一個(gè)都比地球上現(xiàn)有的望遠(yuǎn)鏡強(qiáng)大得多，這些望遠(yuǎn)鏡也許能夠探測(cè)最近的世界的大氣層中的氧氣，盡管地球的大氣層扭曲了星光，這是一個(gè)障礙。

這到底是生物學(xué)還是地質(zhì)學(xué)？

即使使用未來幾十年最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，天體生物學(xué)家也只能探測(cè)到那些已經(jīng)被生命完全改變的世界所產(chǎn)生的強(qiáng)烈的生物特征。

不幸的是，陸地生命釋放的大多數(shù)氣體也可以由非生物過程產(chǎn)生--奶牛和火山都釋放甲烷。光合作用會(huì)產(chǎn)生氧氣，但是陽(yáng)光也會(huì)，當(dāng)它把水分子分裂成氧氣和氫氣時(shí)。在尋找遙遠(yuǎn)的生命時(shí)，天文學(xué)家很有可能會(huì)檢測(cè)到一些假陽(yáng)性。為了幫助排除假陽(yáng)性，天文學(xué)家將需要充分了解一個(gè)感興趣的行星，以了解其地質(zhì)或大氣過程是否可以模仿生物特征。

下一代的系外行星研究有可能通過證明生命存在所需的非凡證據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)。詹姆斯·韋伯空望遠(yuǎn)鏡發(fā)布的第一份數(shù)據(jù)讓研究人員感受到了即將到來的令人興奮的進(jìn)展。

關(guān)鍵詞：天文學(xué)家研究人員光合作用