□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

行星照中覓生命

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

由于有植被覆蓋，地球上的大部分陸地從太空看去呈現(xiàn)綠色。但如果通過(guò)近紅外波段（比紅光波長(zhǎng)稍長(zhǎng)）觀察地球，就會(huì)看到一幅不同的景象。由于植物對(duì)近紅外光的反射率比對(duì)綠光要高得多，植被區(qū)在近紅外波段下比沙漠甚至冰蓋還要明亮得多。只要望遠(yuǎn)鏡的威力足夠強(qiáng)大，能夠分辨單個(gè)行星，那么天文學(xué)家也可以利用這一現(xiàn)象在近紅外波段尋找生命的痕跡。圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局/約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室/華盛頓卡內(nèi)基科學(xué)研究所。

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計(jì)劃學(xué)者。

行星照：探索地外生命的鑰匙

月上中秋節(jié)，瑩瑩如寶鑒。皓夜茫無(wú)邊，五星亦可見(jiàn)。無(wú)論是皎潔的滿月還是明亮的行星，它們自身都并不發(fā)光，我們之所以能夠看見(jiàn)它們，是因?yàn)樗鼈兎瓷淞藖?lái)自太陽(yáng)的光——確切地說(shuō)，是反射了太陽(yáng)光中的一部分。

火星主要反射紅色的光，而月球反射的光呈現(xiàn)白色。由此我們可知，兩個(gè)天體表面的物質(zhì)并不相同。對(duì)于我們看見(jiàn)的行星、衛(wèi)星及其光環(huán)反射來(lái)自太陽(yáng)的光的這種現(xiàn)象，天文學(xué)家稱(chēng)之為“行星照”。

一顆行星或衛(wèi)星對(duì)不同顏色光的反射強(qiáng)度，向我們間接提供了它的表面和大氣成分的相關(guān)信息。仔細(xì)分析它的反射光譜，我們就能確定其大氣的化學(xué)組成，因?yàn)槊恳环N氣體分子（如氧氣、二氧化碳等）都會(huì)在光譜中留下自己特別的痕跡。有些大氣成分，比如氧氣，對(duì)我們所知道的生命來(lái)說(shuō)是必需的。通過(guò)研究系外行星反射其母恒星光的光譜，也許有朝一日，我們將會(huì)發(fā)現(xiàn)這些“生命分子”也存在于系外行星的大氣中。不僅如此，行星照也為人類(lèi)探索宇宙中的其他生命形式打開(kāi)了大門(mén)。

圖中，月亮的一部分被太陽(yáng)照亮，另一部分則處在陰影里。但是，我們卻常常能用肉眼看到這個(gè)“陰影”。這部分其實(shí)是被地球表面（海洋、沙漠、森林、冰蓋、云層等）反射的陽(yáng)光照亮的。從理論上來(lái)說(shuō)，通過(guò)比較明暗兩部分的光譜，我們就能夠得到地球大氣的性質(zhì)。不過(guò)，實(shí)踐表明這是相當(dāng)困難的。圖片來(lái)源：Bob King。

行星照的性質(zhì)

我們觀測(cè)到的來(lái)自一顆遙遠(yuǎn)行星的光（這里指廣義的“光”，即電磁輻射，包括可見(jiàn)光、紅外線等），實(shí)際上是由來(lái)源不同的四種成分混合而成的：

1.來(lái)自行星的可見(jiàn)光主要是其反射母恒星的光。而到達(dá)我們望遠(yuǎn)鏡的反射光量，取決于行星與其母恒星之間的距離、行星被照亮部分的比例以及行星表面的反照率。

行星被照亮部分的比例取決于母恒星照射行星的角度。月亮相位的變化就是一個(gè)典型的例子：新月相位時(shí)我們只能看到月亮黑暗的一面；反之，在滿月相位時(shí)，月亮被我們看到的這一面就全都是亮的。

反照率取決于行星表面的物質(zhì)成分，其定義為“反射光照度與照射光照度之比，數(shù)值在0（完全不反射）到1（全部反射）之間”。觀測(cè)和研究行星光的這部分是比較容易的。行星的表面和大氣情況會(huì)對(duì)電磁波（光）產(chǎn)生影響，使反射光的顏色、光譜性質(zhì)與入射的恒星光有所不同（比如白色的陽(yáng)光經(jīng)火星反射后變成了紅色）。通過(guò)比較兩種光譜，我們可以對(duì)行星表面和其大氣化學(xué)組成有所了解。

通過(guò)行星的光譜我們能夠了解其大氣成分的重要信息。地球與兩個(gè)鄰居——金星和火星——光譜的主要區(qū)別在于水蒸氣和臭氧的吸收線。由于臭氧只能存在于富含氧氣的大氣中，所以這張光譜圖是地球上存在生命的明顯線索！

注：“行星照”（planetshine），狹義指行星反射的太陽(yáng)光照亮衛(wèi)星黑暗面的現(xiàn)象，比如月亮的“地照”。但本文中除“地照”外，涉及的“行星照”均取廣義解，不僅包括行星反射的光，還有我們觀測(cè)到的來(lái)自行星的一切輻射。

2.除了反射，所有的行星自身也都發(fā)出紅外輻射，又稱(chēng)熱輻射。在紅外波段觀測(cè)到的行星輻射，幾乎全部都是這種黑體輻射（熱輻射的一種理想形式，即不反射、不透射的物體發(fā)出的熱輻射）。

宇宙中的每個(gè)天體都會(huì)發(fā)出由自身所具有的溫度產(chǎn)生的輻射，其輻射的強(qiáng)度和主要成分取決于溫度的高低：恒星表面十分熾熱，熱輻射主要集中在可見(jiàn)光；而行星則要冷得多，因而熱輻射主要是紅外線。同時(shí)，無(wú)大氣的行星（如水星）晝半球和夜半球溫差很大，而大氣層較厚的行星（如地球）全球溫度則基本保持恒定。對(duì)于有大氣的行星，其大氣成分對(duì)發(fā)出的紅外輻射的性質(zhì)也有很大影響，因?yàn)橹T如二氧化碳、水蒸氣和臭氧等都會(huì)吸收特定波長(zhǎng)的紅外線，阻礙地表輻射的紅外線逃逸到太空中去。在地球上，吸收地表輻射紅外線的主要是二氧化碳、甲烷和水蒸氣。大氣因吸收了這部分紅外線而被加熱，這一過(guò)程稱(chēng)為“溫室效應(yīng)”。借助人造衛(wèi)星在太空中進(jìn)行觀測(cè)，能夠清楚地看到哪些波段的紅外線被地球大氣吸收了。

3.行星上的一些自然現(xiàn)象，也會(huì)發(fā)出在太空中可以觀測(cè)到的光，比如閃電、極光等。這些現(xiàn)象只會(huì)出現(xiàn)在擁有大氣的行星上，而且在大部分已知擁有大氣的行星上也都確實(shí)出現(xiàn)過(guò)。另外，當(dāng)小行星或彗星與行星相撞時(shí)，也有可能觀測(cè)到非常短暫的閃光。由于這些現(xiàn)象太過(guò)暗弱，持續(xù)時(shí)間又非常短暫，所以要在太陽(yáng)系以外的行星上觀測(cè)到這些現(xiàn)象，似乎還有很長(zhǎng)一段路要走。

來(lái)自地球的輻射主要包括反射的太陽(yáng)光（主要在可見(jiàn)光波段）和地球自身的熱輻射（主要在紅外波段）。一些自然現(xiàn)象也伴隨著發(fā)光，如極光（主要呈綠色）、火山和流星體或小行星的撞擊。另外，一些生物本身也會(huì)發(fā)光，而高度發(fā)展的文明體在夜晚制造的照明以及用于交流的無(wú)線電也可以在太空被探測(cè)到。圖片來(lái)源：歐洲空間局。

4.在來(lái)自行星的光中，或許最有趣的就是那些由生命產(chǎn)生的了。就地球來(lái)說(shuō)，夜晚的人造光污染在太空中可以看得清清楚楚，而由衛(wèi)星、手機(jī)、電視/無(wú)線電發(fā)射塔等等發(fā)出的無(wú)線電波，甚至可以在距地球數(shù)光年之外的地方探測(cè)到。除此之外，地球發(fā)出的光線當(dāng)中，還有一小部分來(lái)自能夠發(fā)光的生物，如螢火蟲(chóng)和熒光藻類(lèi)。在地球上，由生命體產(chǎn)生的光線微乎其微，但系外行星上的情況是否也是如此，我們還不能斷言。

除了行星表面反射和發(fā)射的光，我們有時(shí)還可以觀測(cè)到穿過(guò)行星大氣的光。比如當(dāng)一顆系外行星運(yùn)行到母恒星和觀測(cè)者之間，發(fā)生“凌星”（又稱(chēng)行星掩星）的時(shí)候。此時(shí)，行星本身遮住了一部分恒星發(fā)出的光，但在行星的邊緣，會(huì)有很小一部分的恒星光穿過(guò)行星薄薄的大氣層，最后進(jìn)入我們的望遠(yuǎn)鏡。行星大氣中的每種成分都會(huì)吸收某些特定波長(zhǎng)的光，仔細(xì)分析這些穿過(guò)行星大氣的光，就能確定行星的某些性質(zhì)。

凌星現(xiàn)象在太陽(yáng)系中也會(huì)發(fā)生，即內(nèi)行星運(yùn)行到太陽(yáng)前面，比如金星凌日、水星凌日。凌星發(fā)生時(shí)，恒星的總亮度被削弱。而凌星的發(fā)生是有規(guī)律的，因此，如果觀測(cè)一個(gè)軌道傾角合適的系外行星系統(tǒng)，我們就會(huì)發(fā)現(xiàn)它的亮度呈周期性的、短暫的下降。這種“凌星法”是現(xiàn)在尋找系外行星的主要方法之一。

目前，要觀測(cè)穿過(guò)系外行星大氣層的光線，最主要的困難在于，行星的直徑太小，凌星時(shí)只能遮住恒星圓面的很小一部分，而行星大氣層與行星直徑相比又要小得多，因此幾乎不可能探測(cè)到混合在大量恒星光中的微量“行星大氣光”。為了從背景中分離出這個(gè)微弱的信號(hào)，天文學(xué)家想出了一個(gè)聰明的辦法：他們?cè)凇傲栊恰睍r(shí)拍攝一條光譜，然后在行星被恒星擋在后面（即“恒星光”中不混有“行星照”）時(shí)也拍攝一條光譜，將兩者進(jìn)行比較，于是兩條光譜之差就是我們所需要的行星光譜。雖然這個(gè)方法并非完美，但它卻是證認(rèn)系外行星大氣光譜為數(shù)不多的可行方法之一。目前，天文學(xué)家已經(jīng)用這種方法，發(fā)現(xiàn)了一些系外行星大氣中某些特定的原子和分子存在的證據(jù)。

歐洲空間局的“達(dá)爾文”計(jì)劃與美國(guó)宇航局的“類(lèi)地行星搜索者”計(jì)劃致力于對(duì)系外行星進(jìn)行直接成像，并獲取其光譜。這些項(xiàng)目旨在直接或間接地發(fā)現(xiàn)生命的證據(jù)。遺憾的是，由于兩個(gè)機(jī)構(gòu)在削減預(yù)算，目前兩個(gè)項(xiàng)目都處于停滯狀態(tài)。圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局。

系外行星的成像與分光觀測(cè)

在不遠(yuǎn)的將來(lái)，利用目前正在策劃中的太空項(xiàng)目，如歐洲空間局的“達(dá)爾文”（Darwin）和美國(guó)宇航局的“類(lèi)地行星搜索者”（Terrestrial Planet Finder），我們或許能夠第一次對(duì)太陽(yáng)系外的類(lèi)地行星直接成像。不過(guò)，雖然它們將是那時(shí)世界上最銳利的圖像，但僅僅根據(jù)它們大概也還不能分辨系外行星上陸地和海洋的輪廓。因此，這些太空項(xiàng)目將主要致力于觀測(cè)和分析系外行星的光譜。通過(guò)光譜，我們將能夠推斷其大氣（如果它們有大氣的話）與表面（如果它們的大氣和云層沒(méi)有把表面完全遮?。┑幕瘜W(xué)組成。我們或許還能在上面發(fā)現(xiàn)水蒸氣、二氧化碳、臭氧甚至氧氣。當(dāng)然，這些耗資不菲的太空項(xiàng)目的主要目標(biāo)之一，就是尋找系外行星大氣中生命的證據(jù)。

為了分析系外行星的大氣成分，首先，我們必須要能把來(lái)自行星與來(lái)自恒星的光分離開(kāi)來(lái)。這在理論上并不困難，但實(shí)際做起來(lái)卻極為復(fù)雜，因?yàn)楹阈堑墓獗刃行且辽蠋资畠|倍。另外，這些行星系統(tǒng)離我們十分遙遠(yuǎn)，因此兩個(gè)光源會(huì)看上去極為接近。直接用望遠(yuǎn)鏡分辨系統(tǒng)中的行星是不可能的，因?yàn)樗赃厪?qiáng)烈的恒星光將使接收粒子的探測(cè)器飽和溢出，獲得的圖像會(huì)變成白茫茫一大片。因此，望遠(yuǎn)鏡上需要裝備能夠遮擋恒星光的設(shè)備。（注：與日冕儀原理類(lèi)似，相當(dāng)于人造一次日食，以觀測(cè)周?chē)等醯娜彰帷＿@不是簡(jiǎn)單地在探測(cè)器上挖一個(gè)洞就能夠解決的。）對(duì)這樣得到的圖像進(jìn)行細(xì)致的處理和分析，再加上一點(diǎn)運(yùn)氣，最終或許能夠得到來(lái)自行星的“純凈”光，然后再對(duì)光譜進(jìn)行分析，也許就能對(duì)其大氣組成得出些結(jié)論。

“生命的證據(jù)”：我們要找的是什么？

在太空中也能夠辨別地球上的生物。用葉綠素進(jìn)行光合作用的綠色植物尤其明顯。不過(guò)，我們?cè)谶@里是事先知道了植物是綠色的。如果我們發(fā)現(xiàn)一顆行星上有一個(gè)紫色的島呢？這是否可能是生命的痕跡？或者我們也可以研究大氣的性質(zhì)。二氧化碳和甲烷雖然可能來(lái)自動(dòng)物，但如圖中所示，它們也可能由火山噴發(fā)進(jìn)入大氣。氧氣和臭氧相對(duì)要好一些。不過(guò)這些物質(zhì)說(shuō)到底只是與地球上的生命關(guān)系密切，系外行星上的生命也會(huì)制造這些物質(zhì)嗎？圖片來(lái)源：歐洲空間局。

十分遺憾，我們并不十分清楚自己要找什么，因?yàn)槲覀儗?duì)地外生命的化學(xué)性質(zhì)還完全不了解。不過(guò)，我們對(duì)地球上的生命還是有些認(rèn)識(shí)的，所以我們至少可以去尋找那些與地球上差不多的生命的證據(jù)。

地球上的大部分二氧化碳和甲烷來(lái)源于動(dòng)物（呼吸、沼氣發(fā)酵等），不過(guò)也有少數(shù)來(lái)自火山噴發(fā)。由于無(wú)機(jī)的火山活動(dòng)也會(huì)向大氣中排放這些氣體（比如金星和火星），所以它們并不能作為生命存在的有力證據(jù)。相比之下，氧氣更能揭示生命的存在：它幾乎全部是由綠色植物和藻類(lèi)產(chǎn)生。氧氣的氧化性很強(qiáng)，與各種物質(zhì)都能發(fā)生反應(yīng)，結(jié)合成新的化合物，如與氫氣結(jié)合成水，與碳結(jié)合成二氧化碳，與金屬結(jié)合成金屬氧化物（如鐵生銹）、與硅結(jié)合成硅酸鹽巖石等。因此，如果我們?cè)谝活w行星的大氣中發(fā)現(xiàn)了大量的氧氣，那就說(shuō)明這顆行星上一定存在著持續(xù)產(chǎn)生大量氧氣的機(jī)制。要想做到這點(diǎn)，就我們現(xiàn)在所知，只有行星上具有廣泛的生態(tài)系統(tǒng)才可能。盡管氧氣的存在很難觀測(cè)，但它的副產(chǎn)物——臭氧卻可以在很遠(yuǎn)的距離外探測(cè)到。如果在系外行星上發(fā)現(xiàn)了臭氧，那將會(huì)是上面可能存在生命的重要提示！

行星的顏色也可以提供關(guān)于生命的線索。如果我們看一張?jiān)趪?guó)際空間站上拍攝的地球照片，立刻就會(huì)注意到上面大塊的綠色區(qū)域，那就是地表的植被。更確切地說(shuō)，我們看到的是葉綠素的顏色，正是這種分子在幫助綠色植物利用太陽(yáng)光的能量。如果一顆系外行星也被這種綠色植被覆蓋，它的云層又不太厚的話，整個(gè)行星看上去無(wú)疑也會(huì)是綠色的。除此之外，地球上的綠色植物還在近紅外波段（波長(zhǎng)比紅光稍長(zhǎng)一點(diǎn)的電磁波）有極高的反射率，這在太空中可以很清楚地觀測(cè)到（見(jiàn)題圖）。在天文生物學(xué)上，地球植被區(qū)的這個(gè)特征被稱(chēng)為“紅邊”（red edge），表現(xiàn)為與裸露的巖石區(qū)相比，有植被的地方在波長(zhǎng)略超過(guò)人眼紅端（約700納米）的地方反射率急劇上升。未來(lái)的太空計(jì)劃一定會(huì)對(duì)這意義非凡的綠色和“紅邊”特征多加注意。地外行星的反射光是否也有此性質(zhì)，我們目前還沒(méi)觀測(cè)到；不過(guò)至少我們知道，綠色植被既然能夠存在于地球上，那么它也應(yīng)該能夠存在于其他的行星上。

系外生命？先在太陽(yáng)系里試試看！

我們都知道，地球上到處生機(jī)勃勃，而金星和火星則是一片死氣沉沉。在已知的系外行星中，我們還沒(méi)有在哪一顆上發(fā)現(xiàn)任何與生命有關(guān)的東西。我們對(duì)它們的大氣進(jìn)行細(xì)致的分析，但是我們?cè)趺粗?，自己所做的科學(xué)分析就是正確的呢？畢竟，我們還根本不知道外星的生物是什么樣子。地外生命可能與我們所知的地球生命完全不同——如果真是這樣，那么我們甚至連要在光譜中找什么都不知道。

1990年，旅行者1號(hào)飛船在60億千米遠(yuǎn)處回望太陽(yáng)系，地球只是一個(gè)暗弱的淡藍(lán)色的點(diǎn)。迄今為止，在地照中尋找生命證據(jù)的努力都未能成功。地球尚且如此，在系外行星上尋找生命標(biāo)記物就更加困難了。圖片來(lái)源：美國(guó)宇航局。

囿于認(rèn)識(shí)的局限，也許我們最好還是只在系外行星上尋找那些與地球上相似的生命。通過(guò)觀察太陽(yáng)系中行星的光譜，我們能夠?qū)ψ约核玫姆治鍪侄芜M(jìn)行有效的測(cè)試。只有這樣做，我們才能最大程度地保證，不會(huì)把一些并非生命的特征誤認(rèn)作生命的信號(hào)（如在火星上發(fā)現(xiàn)了甲烷，然而火星上并沒(méi)有生命），或者是發(fā)生相反的情況。如果一切正常，我們應(yīng)該能夠在地球的光譜中發(fā)現(xiàn)生命的特征，而在金星和火星的光譜中則找不到。歷史上的科學(xué)家們就是這樣做的。

地照示意圖。圖片來(lái)源：歐南臺(tái)。

第一個(gè)這樣的實(shí)驗(yàn)是由旅行者1號(hào)（Voyage-1）探測(cè)器執(zhí)行的。幾十年前，這艘飛船造訪了太陽(yáng)系中的幾顆氣態(tài)巨行星，現(xiàn)在，它早已跨過(guò)冥王星的軌道，飛到太陽(yáng)系的邊緣區(qū)域了。1990年，旅行者1號(hào)從遙遠(yuǎn)的外太陽(yáng)系拍攝了地球的圖像。在圖像中，地球看上去是一個(gè)“淡藍(lán)色的點(diǎn)”。不過(guò)，旅行者1號(hào)上陳舊的探測(cè)器并沒(méi)有能對(duì)來(lái)自地球的光進(jìn)行細(xì)致的分析。2003年，歐洲空間局的火星快車(chē)號(hào)（Mars Express）重復(fù)了這一工作。借助飛船上更加先進(jìn)的探測(cè)器，也得益于火星離地球較近，火星快車(chē)號(hào)拍攝了地球的光譜，并且“發(fā)現(xiàn)”了很多與地球上生命有關(guān)的分子在大氣光譜中留下的痕跡。

另一邊，在地球上的科學(xué)家也通過(guò)觀測(cè)月亮，完成了與上述原理相同的實(shí)驗(yàn)。也許很多讀者曾經(jīng)注意到，在月亮只有一部分被太陽(yáng)照亮的時(shí)候，它沒(méi)有被太陽(yáng)照亮的那一面，其實(shí)也并非完全黑暗不可見(jiàn)。這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為“地照”，因?yàn)檎樟吝@部分暗面的不是太陽(yáng)，而是地球！我們看到的“朦朧”的暗面，實(shí)際上是太陽(yáng)發(fā)出的光經(jīng)過(guò)地球表面的反射，再由月亮將其反射進(jìn)入我們眼睛的結(jié)果。因此，月球“亮面”與“暗面”光譜上的區(qū)別，就為我們提供了地球表面及大氣性質(zhì)的信息。經(jīng)地球反射照到月亮上的那部分陽(yáng)光，可能是由深藍(lán)的太平洋，黃色的撒哈拉沙漠、綠色的巴西熱帶雨林，或者白色的南極冰蓋反射的，因此不同時(shí)候的地照，性質(zhì)也會(huì)有所不同。

世界各地的天文學(xué)家都試圖在“月之暗面”中發(fā)現(xiàn)這種地球反射的影響，但是結(jié)果并不理想，要說(shuō)在“月光”中能看出地球上存在生命的證據(jù)，實(shí)在是很勉強(qiáng)。就算月亮到我們只有一光秒的距離，就算普通人用肉眼都能看到月亮“暗面”的亮光，科學(xué)家在這里卻怎么也找不到地球上有生命的證據(jù)?？墒堑厍蛏系教幎际巧?！

看來(lái)，要在幾十光年遠(yuǎn)的系外行星上發(fā)現(xiàn)生命存在的證據(jù)，我們真的還有很長(zhǎng)的路要走……