发现一个外星生命总共分几步? | 红杉爱科学

鹰隼

近日，嫦娥六号月球探测器开启了世界首次月背“挖宝”之旅。月球背面一直笼罩在神秘之中，各种关于其的传说和谣言层出不穷，其中最为人所熟知的莫过于关于外星生命和基地的幻想。

然而，迄今为止所有的月球探测任务都清晰地表明，月球背面并未发现外星生命的存在。那么问题就来了：如果我们想要验证一个星球上是否存在生命，我们需要哪些工具和方法呢？这个问题长久以来一直困扰着天文学家。

詹姆斯·韦伯太空望远镜（James Webb Space Telescope，JWST）为我们提供了一种可能的解决方案。JWST拥有探测遥远星系中潜在生命星球大气层的先进能力，而这些星球大气中的化学信号，可能就是太阳系外生命存在的关键线索。这进而引发了另一个重要问题：我们应当如何解读这些化学信号，以确认外星生命的存在呢？

这篇发表在Knowledge Magazine期刊上的文章或许能告诉大家答案。



观测系外行星的大气层

即使是包括JWST在内的最强大的望远镜，也几乎从未真正"看到"过系外行星——总的来说，天文学家只能通过星体的闪烁来了解这些遥远的世界。

天文学家不直接观测行星，而是将望远镜对准恒星，等待行星 "凌日"，也就是等待它们从恒星和望远镜之间穿过。当行星凌日时，一些恒星发出的光会穿过其大气层，并根据大气层中的化学物质，以特定的波长的变化来使恒星变暗。由此产生的恒星亮度的波峰和波谷就像是凌日行星的化学条形码。



当行星位于恒星前方时，部分星光会被行星大气中的分子吸收。对准恒星的望远镜可以观测到没有被吸收的光线，这就形成了一个光谱，在光线缺失的地方会出现凹点。在上图中，每个凹点都是假想的类地行星光谱中特定分子的特征。

图片来源：Knowledge Magazine。

也许在这些像条形码一样的行星光谱信号中收集生物存在信息的最直接方法是，探测这些信号中是否存在由生命产生的气体的化学信号。有⼀段时间，科学家们认为地球上因光合作⽤⽽丰富的氧⽓是⼀种独⽴的⽣物特征。但氧气也可能产生于其他过程，例如阳光可以分解地球大气中的水。

这个问题对于其他气体来说同样存在，生物产生的大多数气体在没有生命的情况下也会产生。因此，如今的科学家倾向于结合具体情况来综合考虑这些气体，而不是将单一气体视为生物特征。

例如，无论生命是否存在甲烷均会产生。它本身并不是一个令人信服的生物特征。但是，同时发现甲烷和氧气将是非常令人兴奋的，如果没有生命存在，很难产生这种组合。

对系外行星大气层随时间变化的观测也可能提供有价值的背景信息，从而进一步确认星球生物特征。例如，2018年的研究表明臭氧浓度的季节性变化可能是生命的指纹。



假设外星生命会产生某种气体

当然，如果你要寻找氧气或甲烷等特定的某种气体，那么就已经假设了其他地方的生命类型。因此，一些科学家以未知生物特征为前提，假定外星生物化学与地球生物化学没有相似之处来进行研究。

一个可能的反映未知生物特征指标是系外行星大气层的化学"异常"程度——科学家称之为化学不平衡。

接近平衡的大气层在化学上是无趣的，就像实验室里一个封闭的气体烧瓶。当然，没有哪颗行星会真的像实验室里的烧瓶一样无趣。恒星可以为行星大气中的化学反应提供动力，火山活动等地质过程也会加剧不平衡，从而加剧大气中的某种化学异常。

生命的存在也会使行星偏离平衡状态。假设外星生命会产生某种气体，它们就会使行星的大气远离平衡状态。然而，仅仅不平衡并不是一个明确的指标。

2016年，有科学家计算了太阳系中每颗行星和土卫六大气层的热失衡状况。通过比较可以发现地球的大气是极端的——但是前提是在计算中考虑海洋的影响。如果忽略大气与海洋的相互作用，地球大气层实际上比火星大气层更加接近平衡状态。

但是即使这些异常可能并不指向生物存在，发现某系外行星大气层远离平衡状态仍然说明一些有趣的事情正在发生。



像JWST这种专门对遥远行星进行观测的望远镜可以记录行星大气中特定元素或分子的特征，这些特征在透射光的波峰和波谷中显现出来。但分子的特征并不能解释其来源：完全不同的行星过程例如活火山、冰冻海洋与生物活动，都可能产生类似的光谱特征。

图片来源：Knowledge Magazine。

如果不对外星生命做任何假设，那么几乎所有气体都可以在适当的环境中成为生物特征。2016年，麻省理工学院的天体物理学家们提出了一份约1.4万种分子的清单，作为可能的生物特征。有科学家利用这份清单以及机器学习算法开发出了他们的评估方法，以筛选观测中的异常数据。这样一种方法就可以精确地评定系外行星的大气层的"异常性"，并可以将假想的不同系外行星大气层进行评分与比较。

有科学家认为，一组行星中最奇特的大气最有可能孕育生命。这样的推论基于以下几个基本假设：宇宙中的生命是罕见的，它们会在行星大气中留下痕迹，没有生命就很难模仿这些痕迹。当然，这些假设可能会被证明是错误的，但是如果我们不做任何假设，那么将很难取得任何形式的科学进步。



  从研究无生命行星开始

为了减少这种不确定性，科学家们需要能够准确排除任何潜在⽣物特征的⾮⽣命解释。这需要对外星地质和⼤⽓化学有透彻的了解。因此，一些科学家认为，相比于关注行星是否适合居住，研究明显没有生命的行星将有助于我们寻找外星生命。

詹姆斯·韦伯太空望远镜能够观测到的潜在岩石行星是否会有大气层是一个更加值得考虑的问题。在望远镜的观测范围内，只有红矮星（如 TRAPPIST-1）才有宜居带行星。这些恒星有一个令人讨厌的特点，那就是喷射出强烈的辐射，许多科学家认为这些辐射将不可避免地带走任何可能宜居行星的大气层。

红矮星也是银河系中最常见的恒星——因此，如果它们的岩石行星无法稳定保持大气层，那么潜在宜居世界的数量就会大大减少。

如果我们能观测到足够多的岩质系外行星，就能更深入地了解生物特征的含义。系外行星带给我们的一个非常强大的东西就是统计数据。

科学家们于1992年首次证实系外行星的存在，自此之后，发现的系外行星越来越多。

图片来源：Knowledge Magazine。

"生物特征"这个词可能会让⼈认为它对应一种直接且确凿的证据。但是，系外行星生命的发现需要的是证据的逐步积累。随着证据的不断积累，科学家们可以开始以更加严格的方式检验他们关于岩质行星的假设，或许还可以重新评估这些假设。

天文学本质上是一门发现科学，即使拥有极其周密的计划、框架和系统，一旦开始获取数据并观测事物，一切都会变得天翻地覆。

本文转载自微信公众号「中科院物理所」，有删改。

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