詹姆斯·韦伯太空望远镜已证明其能够探测到系外行星上的生命迹象

生命的要素是遍布宇宙. 虽然地球是宇宙中唯一已知的有生命的地方，但探测地球以外的生命是一项艰巨的任务主要目标的现代天文学和行星科学。

我们是两位研究的科学家系外行星和天体生物学。在很大程度上得益于詹姆斯·韦伯等下一代望远镜，像我们这样的研究人员很快就能测量其他恒星周围行星大气的化学成分。希望这些行星中有一颗或多颗行星能有生命的化学特征。

宜居系外行星

生活可能存在于太阳系中那里有液态水——比如火星的地下蓄水层或木星卫星木卫二的海洋。然而，在这些地方寻找生命极其困难，因为它们很难到达，而且探测生命需要发射探测器带回实物样本。

许多天文学家相信围绕其他恒星运行的行星上很可能存在生命，并且可能就是在那里生命将首先被发现。

理论计算表明3亿颗潜在宜居行星仅在银河系中几颗与地球大小相似的宜居行星距离地球只有 30 光年——基本上是人类的银河邻居。到目前为止，天文学家已经发现超过 5,000 颗系外行星，包括数百个可能适合居住的行星，使用间接方法测量行星对其附近恒星的影响。这些测量结果可以为天文学家提供系外行星质量和大小的信息，但仅此而已。

寻找生物特征

为了探测遥远行星上的生命，天体生物学家将研究与行星表面或大气层相互作用如果大气或表面被生命所改变，光可能携带着一种线索，称为“生物特征”。

在地球存在的前半段时间，尽管地球上存在简单的单细胞生命，但大气层中没有氧气。地球的生物特征在早期非常微弱。但后来情况突然发生了变化24亿年前当时，一种新的藻类家族进化而来。藻类利用光合作用产生自由氧——不与任何其他元素化学结合的氧。从那时起，地球充满氧气的大气层在穿过它的光线上留下了强烈且易于检测的生物特征。

当光线从某种材料的表面反射或穿过某种气体时，某些波长的光线比其他波长的光线更容易被困在气体或材料的表面。这种对光线波长的选择性捕获就是物体呈现不同颜色的原因。叶子是绿色的，因为叶绿素特别擅长吸收红色和蓝色波长的光线。当光线照射到叶子上时，红色和蓝色波长的光线会被吸收，剩下的大部分绿光会反射回你的眼睛。

缺失光的模式取决于与光相互作用的物质的特定成分。因此，天文学家可以通过测量行星发出光的特定颜色来了解系外行星的大气或表面的成分。

这种方法可用于识别与生命有关的某些大气气体的存在——例如氧气或甲烷——因为这些气体在光线中留下非常特殊的特征。它还可用于检测行星表面的特殊颜色。例如，在地球上，植物和藻类用于光合作用的叶绿素和其他色素会捕捉特定波长的光。这些色素产生特征颜色可以使用灵敏的红外相机进行检测。如果你看到这种颜色从遥远星球的表面反射出来，这可能意味着叶绿素的存在。

太空和地球上的望远镜

需要一台非常强大的望远镜才能探测到来自潜在宜居系外行星的光线的这些细微变化。目前，唯一能够做到这一点的望远镜是新詹姆斯韦伯太空望远镜. 因为它开始科学行动2022 年 7 月，詹姆斯·韦伯读取了气态巨行星 WASP-96b。光谱显示了水和云的存在，但是像 WASP-96b 这样巨大而炎热的行星不太可能存在生命。

然而，这些早期数据显示，詹姆斯·韦伯望远镜能够探测到来自系外行星的光中微弱的化学特征。在接下来的几个月里，韦伯望远镜将把镜子转向特拉普斯特-1e，一颗可能适合居住的地球大小的行星，距离地球仅 39 光年。

韦伯可以通过研究行星经过其主恒星前方并捕捉到的透过行星大气层的星光。但韦伯望远镜的设计初衷并不是寻找生命，因此它只能观察距离我们最近的几个可能适合居住的星球。它也只能探测到大气中的二氧化碳、甲烷和水蒸气含量. 虽然这些气体的某些组合可能暗示生命，韦伯无法探测到未结合氧的存在，而这是生命的最强信号。

未来更强大的太空望远镜的主要概念包括阻挡行星主星的明亮光线，以显示从行星反射回来的星光。这个想法类似于用手遮挡阳光以更好地看清远处的东西。未来的太空望远镜可以使用小型内部遮罩或大型外部伞状航天器来实现这一点。一旦星光被阻挡，研究从行星反射回来的光就变得容易得多。

目前还有三架巨大的地面望远镜正在建造中，它们将能够搜寻生物特征：巨型麦哲伦望远镜， 这三十米望远镜和欧洲极大望远镜每一个望远镜都比地球上现有的望远镜强大得多，尽管地球大气层会扭曲星光，但这些望远镜可能能够探测到距离我们最近的星球大气层中的氧气。

是生物学还是地质学？

即使使用未来几十年最强大的望远镜，天体生物学家也只能探测到已被生命彻底改变的星球产生的强烈生物特征。

不幸的是，陆地生命释放的大多数气体也可以通过非生物过程产生——牛和火山都会释放甲烷。光合作用会产生氧气，但阳光也会产生氧气，当它把水分子分解成氧气和氢气时。天文学家很有可能会发现一些误报寻找遥远生命时。为了排除假阳性，天文学家需要充分了解一颗感兴趣的行星，以了解它是否地质或大气过程可能模仿生物特征。

下一代系外行星研究有可能通过非凡证据证明生命存在所需的一切。詹姆斯·韦伯太空望远镜首次发布的数据让我们感受到即将到来的激动人心的进展。

克里斯·英佩，大学杰出天文学教授，亚利桑那大学和丹尼尔·阿派，天文学和行星科学教授，亚利桑那大学

本文转载自对话根据 Creative Commons 许可。阅读来源文章。