發(fā)現(xiàn)“氫行星”

假若你在太空使用望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)地球，你就有可能找到地球表面存在生命的證據(jù)。你會(huì)從光譜中發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生的副產(chǎn)品。甲烷則暗示著生命的存在，一小部分產(chǎn)生于地殼緩慢的地質(zhì)學(xué)過(guò)程，大多數(shù)是各種古老微生物的排放物，還有一些來(lái)自于沼澤、農(nóng)作物及動(dòng)物的消化過(guò)程。

然而在宇宙中，和地球相似的行星并不是很多，于是科學(xué)家們希望擴(kuò)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(cè)，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(huì)非常遠(yuǎn)，這意味著更多的星光可以通過(guò)大氣層進(jìn)入到望遠(yuǎn)鏡中來(lái)，這使得通過(guò)探測(cè)富氫大氣以尋找生命跡象的觀測(cè)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(guó)麻省理工學(xué)院的天文學(xué)家薩拉·西格爾對(duì)這個(gè)問(wèn)題很感興趣。她和同事們?cè)趯?shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)是因?yàn)閮烧呤强茖W(xué)家們認(rèn)定的單細(xì)胞生物的替代品。

科學(xué)家們的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(xué)家們?cè)凇蹲匀惶煳膶W(xué)》雜志上公布了這些新發(fā)現(xiàn)。這些發(fā)現(xiàn)有望幫助人們進(jìn)一步拓展尋找外星生命證據(jù)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(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)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(cè)到。那么，對(duì)于這樣的行星，人們就束手無(wú)策了嗎？

其實(shí)，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(guān)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(guò)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(lái)尋找宇宙生命的探索活動(dòng)帶來(lái)新契機(jī)。

恒星的光看上去是白色的，但其實(shí)是由多種顏色或波長(zhǎng)組成的。當(dāng)光穿過(guò)行星大氣中的氣體和塵埃，那些物質(zhì)中的原子和分子就會(huì)吸收特定的波長(zhǎng)，而光譜儀則能顯示什么樣的波長(zhǎng)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(zhì)擁有怎樣的“身份”。

假若天文學(xué)家能夠觀測(cè)一顆恒星發(fā)出的光如何通過(guò)一顆遙遠(yuǎn)系外行星的大氣層，那么他們會(huì)發(fā)現(xiàn)什么呢？從理論上說(shuō)，他們可以知道那大氣層中的氣體是由什么物質(zhì)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(huì)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(gè)巖石行星。若將這些證據(jù)結(jié)合起來(lái)，外星生命便可以對(duì)地球的狀況作一個(gè)判斷了。

那些遙遠(yuǎn)的大氣層

然而，就目前的情況看，由于受望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力的限制，要獲得上述判斷，觀察者和被觀測(cè)目標(biāo)之間的距離必須相對(duì)較近，而在宇宙中，科學(xué)家們觀測(cè)到的系外行星則至少距離地球好幾光年。在那樣遙遠(yuǎn)的距離下，人類(lèi)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(xué)家使用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡探測(cè)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(yáng)的恒星運(yùn)行。人們?cè)谶@顆行星的外層大氣中發(fā)現(xiàn)了鈉，這是人類(lèi)第一次探測(cè)到了太陽(yáng)系之外的行星大氣。

不過(guò)，這顆行星屬于“熱木星”，比類(lèi)似地球的巖石行星大得多，且距離它們的“太陽(yáng)”非常近。而尋找系外生命行星，人們需要探測(cè)的是類(lèi)似地球這樣的系外巖石行星，這種行星表面是固體的，個(gè)頭比“熱木星”小，大氣相對(duì)稀薄，因而用望遠(yuǎn)鏡探測(cè)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(yáng)的恒星運(yùn)行，科學(xué)家們首次在這顆系外行星的大氣中找到了鈉。

不過(guò)，天文學(xué)家并不認(rèn)為探測(cè)巖石行星的大氣層是辦不到的。薩拉·西格爾團(tuán)隊(duì)在富氫環(huán)境下的生命實(shí)驗(yàn)就表明了人們努力的方向。接下來(lái)，天文學(xué)家還會(huì)和生物學(xué)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(huì)作為宇宙中的“生命標(biāo)記”而成為天文學(xué)家搜尋的目標(biāo)。

值得期待的望遠(yuǎn)鏡

接下來(lái)，搜尋“生命行星”的重任就落在太空望遠(yuǎn)鏡上了。雖然現(xiàn)在的太空望遠(yuǎn)鏡還難以完成探測(cè)巖石系外行星大氣層的任務(wù)，但未來(lái)的太空望遠(yuǎn)鏡一定會(huì)有所突破。2018年，一架名為“系外行星凌日觀測(cè)衛(wèi)星”的自動(dòng)太空望遠(yuǎn)鏡被發(fā)射升空，它是“開(kāi)普勒”太空望遠(yuǎn)鏡的“繼任者”，能捕捉恒星發(fā)生的任何暫時(shí)出現(xiàn)的亮度變化。這種變化有可能顯示一顆行星正在經(jīng)過(guò)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(rèn)了存在一顆行星，另外一架功能更加強(qiáng)大的太空望遠(yuǎn)鏡就會(huì)在更多的細(xì)節(jié)上觀測(cè)這顆行星，這架望遠(yuǎn)鏡就是人們期待已久的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，它是迄今最強(qiáng)大、最復(fù)雜的太空望遠(yuǎn)鏡。如果不出意外，它將于2021年發(fā)射升空。天文學(xué)家認(rèn)為，這架太空望遠(yuǎn)鏡將有能力確定一些系外行星大氣中的化學(xué)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(gè)開(kāi)始。隨著太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)能力的進(jìn)一步提高，人類(lèi)搜尋宇宙生命的探測(cè)活動(dòng)將隨之進(jìn)入到一個(gè)個(gè)嶄新的階段。