行星們籠罩在霧霾之中，藏起了有關(guān)它們構(gòu)成的線索。

實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)可以幫我們獲得更清晰的視野。

2013年，在芝加哥大學(xué)一間沒有窗戶的辦公室里，勞拉 · 克萊德伯格（Laura Kreidberg）正凝視著一顆遙遠(yuǎn)星球的天空。那年，克萊德伯格還是一名天文學(xué)研究生，她解析了哈勃空間望遠(yuǎn)鏡的數(shù)據(jù)，當(dāng)時該望遠(yuǎn)鏡正在觀測系外行星GJ1214b，它大約是地球的三倍大。在天文學(xué)家們尋找有關(guān)外星世界本質(zhì)的線索時，GJ1214b是研究的熱門目標(biāo)，不僅因?yàn)樗鄬^近，距離地球只有48光年遠(yuǎn)，還因?yàn)樗?.5天就環(huán)繞它的恒星運(yùn)行一圈。每運(yùn)行一圈時，我們就可以細(xì)細(xì)檢查它的大氣層。

每當(dāng)這顆行星凌越它的母恒星時，它都會短暫地遮住母恒星的一部分表面。于是，恒星的一小部分光線穿過這顆行星的大氣層，而大氣層中的不同分子以各自的特定波長吸收光線?？巳R德伯格對15次凌日的哈勃觀測數(shù)據(jù)做了分層，希望能夠看到GJ1214b的大氣層如何吞噬部分光譜，從而造成了明顯的光度減少。如果能找到水蒸氣分子的特征標(biāo)記，也許暗示著這顆星球上存在海洋，而硫分子的特征標(biāo)記則可能意味著有火山存在。

克萊德伯格如今在馬克斯 · 普朗克天文研究所工作，她說，但令她失望的是，“光譜變得越來越平，越來越平，越來越平?！惫饩€根本沒有穿透大氣層。她的結(jié)論是，這顆行星密不透風(fēng)的大氣層只能表明一件事：在大氣層高處有一層氣溶膠阻擋了光線。她想捕捉的化學(xué)豐富性被藏在了神秘的云霾之下。

她沮喪地寫下了她的研究結(jié)果。這篇于2014年發(fā)表在《自然》期刊上的論文引發(fā)了一眾系外行星天文學(xué)家的思考。此前，他們已經(jīng)花了幾十年時間準(zhǔn)備用詹姆斯 · 韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）去解剖系外行星的大氣層。這臺巨大的新型空間望遠(yuǎn)鏡于去年開始運(yùn)行，其聚光能力是哈勃望遠(yuǎn)鏡的六倍。由于它的分辨率極高，且可觀測波段延伸至紅外線，天文學(xué)家們希望探測到潛在的系外行星生物特征，也就是指示生命跡象存在的分子，比如氧氣或二氧化碳和甲烷的組合。

但他們基本忽略了JWST的視野被懸浮氣溶膠阻擋的可能性。懸浮氣溶膠要么是由氣體凝結(jié)形成的云滴，要么是由光化學(xué)反應(yīng)形成的霧霾顆粒。如今，通過對GJ1214b和少數(shù)幾顆同樣晦暗難辨的系外行星的觀測，天文學(xué)家承認(rèn)，正如霧霾和云層遮蓋了太陽系中每一顆擁有大氣層的行星和衛(wèi)星那樣，它們也很可能會遮住JWST觀測的大部分系外行星目標(biāo)。

“我們不想花費(fèi)所有精力建造巨大的、價值數(shù)十億美元的望遠(yuǎn)鏡，只為了獲取我們無法理解的數(shù)據(jù)?！笨▋?nèi)基科學(xué)研究所的行星學(xué)家彼得 · 高（Peter Gao）說。對于數(shù)種常見的行星氣體，研究人員已經(jīng)相當(dāng)了解它們是如何相互作用并凝結(jié)成云的，但是霧霾可能由任意數(shù)量、成千上萬個復(fù)雜分子組成，它們要更加神秘。目前沒有實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)可以證明它們?nèi)绾萎a(chǎn)生、它們是什么，以及它們?nèi)绾闻c光相互作用。高說：“這就像拼拼圖的時候缺了一塊?！?/p>

值得慶幸的是，有幾位研究人員已經(jīng)準(zhǔn)備好要補(bǔ)上那塊缺失的拼圖了。其中一位是約翰霍普金斯大學(xué)的行星學(xué)家薩拉 · 霍斯特（Sarah H?rst），她花了數(shù)年時間在實(shí)驗(yàn)室中重現(xiàn)土衛(wèi)六上的甲烷霧霾，試圖以此來搞懂它（土衛(wèi)六是土星的衛(wèi)星之一，表面溫度極低）。受到GJ1214b光譜（她稱之為“科學(xué)史上最昂貴的平線”）的啟發(fā)，霍斯特改進(jìn)了她的實(shí)驗(yàn)設(shè)置，在更溫暖的系外行星條件下創(chuàng)造出了霧霾粒子。在焦慮的JWST觀測者們的要求下，霍斯特和她的同事們公布了眾人期待已久的測量結(jié)果，該結(jié)果揭示了粒子如何對光進(jìn)行吸收和散射，為過時的模型提供了一次重要更新，也為觀測者理解被外星霧霾壓平和扭曲的光譜提供了一份指南?！拔覀儽仨氁?shí)驗(yàn)室復(fù)現(xiàn)這些條件，”克萊德伯格說，“這確實(shí)是解決這個問題的關(guān)鍵。”

在實(shí)驗(yàn)室中模擬光化學(xué)的嘗試可以追溯到1952年著名的米勒-尤里實(shí)驗(yàn)，它試圖重現(xiàn)地球早期、生命起源之前的化學(xué)環(huán)境。20世紀(jì)70年代，康奈爾大學(xué)的行星學(xué)家卡爾 · 薩根（Carl Sagan）和比斯恩 · 卡哈（Bishun Khare）將這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的范圍推廣到了太陽系的其他天體。他們通過將氮?dú)夂图淄闅怏w置于光和輻射之下，制造出了由長鏈碳基分子構(gòu)成的黏性顆粒，并稱之為“托林”（tholins），這個詞在希臘語里的意思是“泥濘的”。（當(dāng)時排第二名的候選名字是“星瀝青” ）。這些粒子可以幫科學(xué)家們解釋美國宇航局2015年“新視野”號在任務(wù)中捕捉到的彌漫在冥王星周圍的藍(lán)色光芒，而它們的有機(jī)復(fù)雜性則有助于推動人們在土衛(wèi)六上尋找生命。

科學(xué)家們還使用了一系列儀器來研究這些粒子如何阻擋各種波長的光線——從X射線一直到微波。這項(xiàng)工作“可能做得有點(diǎn)太細(xì)致了”。吉恩 · 麥克唐納（Gene McDonald）當(dāng)時是薩根實(shí)驗(yàn)室的博士后，現(xiàn)在是得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校的生物化學(xué)家。但正因?yàn)檫@項(xiàng)工作做得極為徹底，它的數(shù)據(jù)在半個世紀(jì)之后仍然很有價值。

薩根和卡哈展示了霧霾粒子如何將光散射到不同的方向，這會削弱星光穿過行星大氣層時的許多獨(dú)特的吸收特征。但是他們發(fā)現(xiàn)這種效應(yīng)取決于粒子的大小和組成。例如，地球的天空之所以是藍(lán)色的，是因?yàn)榇髿庵行⌒〉牡脱醴肿觾?yōu)先散射較短的藍(lán)色波長的光，而云看起來呈白色，是因?yàn)樗鼈冇筛蟮乃螛?gòu)成，而這些水滴會均勻地散射陽光。

研究人員發(fā)現(xiàn)，除了散射光之外，托林還可以吸收特定波長的光，它的每個分子鍵都會吸收光譜中的一小片。盡管系外行星的霧霾可能會蓋住表明大氣層氣體構(gòu)成的跡象，但托林自身的吸收特征也提供了線索。如果相應(yīng)的托林粒子曾在實(shí)驗(yàn)室中得到過研究，人們就可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)中使用的氣體推斷出大氣成分。

“大多數(shù)時候，人們把這些粒子看作麻煩?！卑材缺な忻苄髮W(xué)的天文學(xué)家莉亞 · 科拉萊斯（Lia Corrales）說?？评R斯和同事們在預(yù)印本服務(wù)器“arXiv”上發(fā)表了一篇論文，文中表明，即使對實(shí)驗(yàn)條件做微小的改動，也能產(chǎn)生具有不同光學(xué)性質(zhì)的托林?！皻馊苣z本身就攜帶了一些（成分）信息，因?yàn)樗鼈兙哂泄庾V形狀?！彼f。

為了從他們觀察的光譜中收集信息，天文學(xué)家需要找到一個比較點(diǎn)：一種給定的氣體、云和霧霾混合物的預(yù)測光譜?？茖W(xué)家們利用“行星光譜生成器”等計(jì)算機(jī)程序?qū)傧氲拇髿鈱舆M(jìn)行預(yù)測，據(jù)該程序的開發(fā)者、美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心（GSFC）的杰羅尼莫 · 維蘭紐瓦（Geronimo Villanueva）介紹，該程序每月的點(diǎn)擊量有時會超過100萬次。除了改變大氣成分，該程序的用戶還可以通過輸入霧霾或云層的光學(xué)特性來生成它們。

難點(diǎn)在于如何搞清楚這些特性。程序有云類的數(shù)據(jù)庫，但沒有不同霧霾的數(shù)據(jù)。事實(shí)上，大多數(shù)建模人員仍然依賴于40年前薩根-卡哈實(shí)驗(yàn)中的托林的特性數(shù)據(jù)，但該實(shí)驗(yàn)是為土衛(wèi)六設(shè)計(jì)的，而土衛(wèi)六所處的環(huán)境與大多數(shù)系外行星的大氣完全不同。一些人則選擇使用普通煤煙霾的數(shù)據(jù)，煤煙霾的特性的確經(jīng)過了充分的研究，但也不太可能在系外行星上發(fā)現(xiàn)。馬里蘭大學(xué)帕克分校的天文學(xué)家伊莉莎 · 肯普頓（Eliza Kempton）表示：“我們的‘菜單’上基本就只有兩個選擇，除此之外就只能編了——我們只能猜測?！卞e誤的猜測就意味著可能會搞錯大氣的構(gòu)成。維蘭紐瓦說，多年來，有關(guān)系外行星霧霾的知識空缺一直是“房間里的大象”。

康奈爾大學(xué)的天文學(xué)家妮科爾·劉易斯（Nikole Lewis）說，系外行星學(xué)和行星學(xué)之間的脫節(jié)延緩了填補(bǔ)這一空缺的努力。美國宇航局提供的資助項(xiàng)目是彼此獨(dú)立、互不聯(lián)系的。“我們用來探索太陽系行星的基礎(chǔ)設(shè)施是不能立即轉(zhuǎn)移給探索系外行星用的，”她說，“基本而言，我們只能靠制造聲勢，才能夠進(jìn)行這些類型的實(shí)驗(yàn)?！?/p>

于是，路易斯開始自己營造聲勢。當(dāng)平坦得令人失望的系外行星光譜慢慢顯現(xiàn)出來時，劉易斯求助了讀研究生時的密友霍斯特，后者為了研究土衛(wèi)六，正剛開始建造自己的托林實(shí)驗(yàn)室。在一年的時間里，劉易斯致力于說服霍斯特改進(jìn)她的設(shè)置，使用不同的氣體混合物和更高的溫度，為亟待研究的系外行星目標(biāo)做準(zhǔn)備。最終，在2016年，該團(tuán)隊(duì)收到了來自美國宇航局一個新的系外行星研究項(xiàng)目的資金。她們準(zhǔn)備好要制造一點(diǎn)外星瀝青了。“我們知道這些實(shí)驗(yàn)將會非常非常困難，而且心里多少有點(diǎn)花了大錢之后的后悔情緒，”霍斯特笑著說，“我們?yōu)橥庑侨丝筛冻鎏嗔恕！?/p>

第一個挑戰(zhàn)是找出尚未被觀測到的大氣成分。首先，霍斯特和劉易斯將她們的研究范圍縮小到了超級地球，即質(zhì)量是地球2到10倍的系外行星。（超級地球是銀河系中最常見的行星類型，也是JWST的主要觀測目標(biāo)。）隨后，他們運(yùn)行模型來預(yù)測可能存在于一系列溫度和體積成分中的大氣氣體。她們得到了12種原型，這些原型都是氫氣、水蒸氣和二氧化碳等氣體的假設(shè)性組合，理論上能夠代表真實(shí)的系外行星環(huán)境。

然后，實(shí)驗(yàn)過程中也出現(xiàn)了障礙。首先，她們必須設(shè)法同時混合八到九種氣體，而其中許多氣體要么有毒、要么易燃，要么難以處理。接下來，不像模擬土衛(wèi)六環(huán)境那樣需要將氣體冷卻，她們必須將混合物加熱到520℃以上。最難搞的是富含水分的行星：它們可能是生命的避難所，但是對于研究科學(xué)家何超來說，這讓他痛苦不已，因?yàn)樗枰共煌５匕仙娴綄?shí)驗(yàn)室去更換干冰。在適當(dāng)?shù)膲毫ο拢蜏赜兄谒舭l(fā)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)箱?！拔也坏貌唤o這個實(shí)驗(yàn)當(dāng)保姆，”他說，“這可不是什么開心事?！?/p>

當(dāng)他打開某個閥門時，氣體混合物會沿著管道流下，繞著一個加熱線圈旋轉(zhuǎn)后，再流過一個水瓶大小的不銹鋼實(shí)驗(yàn)箱。在實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)，氣體被維持在輕壓力下，以模擬大氣層頂部的稀薄空氣。他會用紫外線照射實(shí)驗(yàn)箱以模仿星光，或是用等離子體放電源對其進(jìn)行輻照以模仿太陽風(fēng)暴和宇宙射線。3到5天后，他抽出氣體，打開手套式密閉室內(nèi)的實(shí)驗(yàn)箱。他需要用勺子刮下箱壁上的托林，放進(jìn)一個小瓶或碟子里。

研究小組本來擔(dān)心，這些設(shè)置上的修改可能無法制造出足夠她們研究的霧霾，也有可能會徹底毀掉設(shè)置。 “對薩拉來說，這是一次巨大的信念飛躍，”劉易斯說，“而它獲得了回報。”

研究人員使用顯微鏡、光譜儀和其他儀器測量了這些粒子的大小、光學(xué)性質(zhì)和密度。很明顯，這些金色和橄欖綠色的樣品，與薩根和卡哈模擬土衛(wèi)六時得到的褐色托林完全不同。部分實(shí)驗(yàn)在沒有添加甲烷的情況下也產(chǎn)生了霧霾——盡管長期以來，甲烷一直被認(rèn)為是這些大型有機(jī)分子的必要成分。另一個驚喜來自薩拉 · 莫蘭（Sarah Moran），莫蘭當(dāng)時是霍斯特的研究生，現(xiàn)在是亞利桑那大學(xué)的天文學(xué)家，她把樣本帶到了位于法國格勒諾布爾的行星學(xué)和天體物理學(xué)研究所。（去的路上，她祈禱自己不會因?yàn)樾欣钕淅锏摹邦伾幃惖墓殴址勰倍缓ｊP(guān)攔下。）在那里，莫蘭發(fā)現(xiàn)這些托林似乎含有氨基酸和堿基——構(gòu)成生命的基本成分。

這可能并非巧合——一些研究人員認(rèn)為，霧霾可能是啟動生命的關(guān)鍵因素。2017年，戈達(dá)德太空飛行中心的天體生物學(xué)家賈達(dá) · 阿尼（Giada Arney）模擬了早期地球上霧霾的行為，她認(rèn)為早期地球在“我們擁有地化數(shù)據(jù)的行星里，是我們最陌生的”。

人們認(rèn)為，在數(shù)十億年前的那個時候，地球的大氣主要由氮?dú)鈽?gòu)成，還有一些二氧化碳、甲烷和水蒸氣。這個配方會產(chǎn)出類似于土衛(wèi)六的有機(jī)霧霾和今天地球上的水云。阿尼運(yùn)行了氣候模型來模擬這些氣溶膠對類地行星的影響。她發(fā)現(xiàn)，霧霾不僅有復(fù)雜的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)，有些霧霾還能反射光線，幫忙防止行星過熱，而另一些霧霾則能夠減少行星表面高達(dá)97%的紫外線。這兩種效應(yīng)都可能讓系外行星變得更適宜居住。

她還發(fā)現(xiàn)，某些霧霾只有在大氣中含有大量甲烷時才會形成，而這個數(shù)量級的甲烷一定是由活的生物體產(chǎn)生的。阿尼說，這種霧霾本身可能就是一種生物特征，而這種特征也許是JWST能夠探測到的。但是她說，要想探測到它，沒有“一個內(nèi)容豐富翔實(shí)的霧霾光學(xué)特性資料庫”是不行的。

最終，她的心愿實(shí)現(xiàn)了。2023年1月10日，霍斯特和他的同事在arXiv上發(fā)布了一項(xiàng)研究，揭示了她們制造的兩種系外行星托林在整個JWST觀測波長范圍內(nèi)的光學(xué)特性。這兩種托林是在溫暖、富含水分的大氣層中產(chǎn)生的，這種大氣層產(chǎn)生的霧霾最多。

研究小組計(jì)劃制造更多的霧霾類似物，將它們的實(shí)驗(yàn)條件與即將收到的JWST的觀測結(jié)果進(jìn)行對比，并對產(chǎn)量最多的托林進(jìn)行編目。高說，系外行星天文學(xué)家們正迫切地想要得到他們手中的數(shù)據(jù)?！拔覀円呀?jīng)等了這數(shù)據(jù)幾十年了，真的，”他說，“薩拉的成果會立刻被世界各地的團(tuán)體用上?！?/p>

不過，霍斯特的實(shí)驗(yàn)只能探索無數(shù)可能的行星環(huán)境里的很小一部分。還好，她不是這場“托林游戲”里唯一的玩家。在美國宇航局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL），本杰明 · 弗勒里（Benjamin Fleury）正在探索更熱的系外行星上可能形成哪種霧霾，這類巨大的、近在咫尺的“熱木星”的溫度要超過1 200℃。在巴黎附近的大氣、周圍環(huán)境及宇宙觀測實(shí)驗(yàn)室（LATMOS），科學(xué)家們對土衛(wèi)六霧霾實(shí)驗(yàn)做了改進(jìn)——比如加入氧氣——以讓實(shí)驗(yàn)環(huán)境接近類地系外行星上可能存在的環(huán)境。

一些研究人員則在關(guān)注系外行星云，比如普渡大學(xué)的大氣科學(xué)家亞歷山德里婭 · 約翰遜（Alexandria Johnson），她在一間密封艙中制造和研究云。她想知道云和霧霾在系外行星上是如何相互作用的，例如，霧霾粒子是否可能通過提供氣體凝結(jié)所需的“成核位點(diǎn)”來促進(jìn)云的形成。大氣、周圍環(huán)境及宇宙觀測實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的行星學(xué)家托馬斯 · 戈蒂埃（Thomas Gautier）說，實(shí)驗(yàn)的多樣性是至關(guān)重要的?！皼]有誰會試圖宣稱我們做得比其他團(tuán)隊(duì)更好——每個團(tuán)隊(duì)的做法都不一樣，這是一件好事。”

不過，只有在大家有了共識、進(jìn)度一致的情況下，這樣劃分工作才會有所回報。得克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校的余馨婷最近發(fā)起了第一項(xiàng)跨實(shí)驗(yàn)室的托林比較研究，這項(xiàng)研究將使托林的生產(chǎn)和測量技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)業(yè)內(nèi)研究人員對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的信心。與此同時，美國宇航局艾姆斯研究中心的埃拉 · 夏馬-奧布萊恩（Ella Sciamma-O’Brien）正在建立一個集中數(shù)據(jù)庫，以便不同團(tuán)隊(duì)存放他們的光學(xué)測量結(jié)果。

隨著JWST的新觀測數(shù)據(jù)大量涌入，這類合作成果將會變得非常有用。JWST的觀測數(shù)據(jù)中也會包括對GJ1214b的觀測資料，這顆行星是這一切的始作俑者。2022年7月，肯普頓、克萊德伯格和她們的同事們花了40個小時在望遠(yuǎn)鏡上觀察它。她們?nèi)栽诜治鲇^測結(jié)果，但是，多虧了JWST的紅外成像技術(shù)和這些實(shí)驗(yàn)性霧霾的幫助，克萊德伯格期待著能夠破譯她那么久以來始終未能得見的大氣層。

“這顆行星有點(diǎn)像白鯨——我們已經(jīng)追尋它的秘密十多年了，”克萊德伯格說，“我想這次我們終于抓住它了?！?/p>

資料來源 Science