在宇宙中尋找“生命行星”

發(fā)現“氫行星”

假若你在太空使用望遠鏡觀測地球，你就有可能找到地球表面存在生命的證據。你會從光譜中發(fā)現地球大氣中存在豐富的氧和甲烷。氧具有高度的活性，能將甲烷氧化成水和二氧化碳，是綠色植物在光合作用中產生的副產品。甲烷則暗示著生命的存在，一小部分產生于地殼緩慢的地質學過程，大多數是各種古老微生物的排放物，還有一些來自于沼澤、農作物及動物的消化過程。

然而在宇宙中，和地球相似的行星并不是很多，于是科學家們希望擴展搜索范圍，尋找一些大氣組成雖然和地球不一樣，但依然有可能存在生命的行星。這種行星的大氣層有可能更容易被觀測，例如擁有氫大氣層的行星。氫本身很輕，由氫組成的大氣是膨脹的，大氣層距離行星表面會非常遠，這意味著更多的星光可以通過大氣層進入到望遠鏡中來，這使得通過探測富氫大氣以尋找生命跡象的觀測變得更加容易。

然而，生命是否可以在氫氣的環(huán)境中存活呢？美國麻省理工學院的天文學家薩拉·西格爾對這個問題很感興趣。她和同事們在實驗室里將一些酵母和大腸桿菌放在特定的小瓶中，模擬各種行星大氣的大氣環(huán)境。使用酵母和大腸桿菌做實驗是因為兩者是科學家們認定的單細胞生物的替代品。

科學家們的實驗結果非常令人振奮，微生物可以在氫氣的瓶中生存。2020年5月4日，科學家們在《自然天文學》雜志上公布了這些新發(fā)現。這些發(fā)現有望幫助人們進一步拓展尋找外星生命證據的范圍。

光的秘密

然而，氫行星肯定不是唯一可能尋找到生命的地方。薩拉·西格爾團隊的實驗表明，微生物也可以生活在其他成分中，例如以氦或氮為主要成分的大氣中，只是這種大氣層在宇宙中更難被探測到。那么，對于這樣的行星，人們就束手無策了嗎？

其實，行星的光譜特征不僅能提供這顆行星的大氣組成，而且它還能揭示與生命相關的其他眾多信息。例如，是否存在水蒸氣、甲烷、鈉等。目前，這種通過分析光譜特征研究系外行星的方法雖然方興未艾，但卻非常令人期待，它將為未來尋找宇宙生命的探索活動帶來新契機。

恒星的光看上去是白色的，但其實是由多種顏色或波長組成的。當光穿過行星大氣中的氣體和塵埃，那些物質中的原子和分子就會吸收特定的波長，而光譜儀則能顯示什么樣的波長被吸收掉了。在白光被分解成組成它的多種顏色的情況下，這種顯示是一種暗縫，它像指紋一樣表明那些被吸收掉的物質擁有怎樣的“身份”。

假若天文學家能夠觀測一顆恒星發(fā)出的光如何通過一顆遙遠系外行星的大氣層，那么他們會發(fā)現什么呢？從理論上說，他們可以知道那大氣層中的氣體是由什么物質組成的。例如，假如有外星生命觀察我們的地球，它們吸收的光譜中會顯示地球上有水蒸氣和二氧化碳。水蒸氣暗示地球存在豐富的水，而二氧化碳則顯示地球是一個巖石行星。若將這些證據結合起來，外星生命便可以對地球的狀況作一個判斷了。

那些遙遠的大氣層

然而，就目前的情況看，由于受望遠鏡觀測能力的限制，要獲得上述判斷，觀察者和被觀測目標之間的距離必須相對較近，而在宇宙中，科學家們觀測到的系外行星則至少距離地球好幾光年。在那樣遙遠的距離下，人類是否還有能力獲得可以用作研究的行星光譜呢？

最初的突破發(fā)生在2001年。在那一年，天文學家使用哈勃太空望遠鏡探測到了一顆距離地球150光年的系外行星，這顆行星圍繞一顆名為HD 209458的很像太陽的恒星運行。人們在這顆行星的外層大氣中發(fā)現了鈉，這是人類第一次探測到了太陽系之外的行星大氣。

不過，這顆行星屬于“熱木星”，比類似地球的巖石行星大得多，且距離它們的“太陽”非常近。而尋找系外生命行星，人們需要探測的是類似地球這樣的系外巖石行星，這種行星表面是固體的，個頭比“熱木星”小，大氣相對稀薄，因而用望遠鏡探測這種系外行星的大氣層就困難得多了。

一顆行星圍繞一顆名為HD 209458的很像太陽的恒星運行，科學家們首次在這顆系外行星的大氣中找到了鈉。

不過，天文學家并不認為探測巖石行星的大氣層是辦不到的。薩拉·西格爾團隊在富氫環(huán)境下的生命實驗就表明了人們努力的方向。接下來，天文學家還會和生物學家合作探討系外行星上的生物有可能在大氣中釋放怎樣的氣體，這樣的氣體會作為宇宙中的“生命標記”而成為天文學家搜尋的目標。

值得期待的望遠鏡

接下來，搜尋“生命行星”的重任就落在太空望遠鏡上了。雖然現在的太空望遠鏡還難以完成探測巖石系外行星大氣層的任務，但未來的太空望遠鏡一定會有所突破。2018年，一架名為“系外行星凌日觀測衛(wèi)星”的自動太空望遠鏡被發(fā)射升空，它是“開普勒”太空望遠鏡的“繼任者”，能捕捉恒星發(fā)生的任何暫時出現的亮度變化。這種變化有可能顯示一顆行星正在經過這顆恒星的表面，它將恒星的一部分光亮遮擋住了。

一旦確認了存在一顆行星，另外一架功能更加強大的太空望遠鏡就會在更多的細節(jié)上觀測這顆行星，這架望遠鏡就是人們期待已久的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡，它是迄今最強大、最復雜的太空望遠鏡。如果不出意外，它將于2021年發(fā)射升空。天文學家認為，這架太空望遠鏡將有能力確定一些系外行星大氣中的化學組成，從而尋找到宇宙中的“生命元素”，包括水、氧和甲烷等。

但這也只是一個開始。隨著太空望遠鏡觀測能力的進一步提高，人類搜尋宇宙生命的探測活動將隨之進入到一個個嶄新的階段。