地球“指紋”指引人類探尋下一個家園
2019年09月24日09:58

  來源:科技日報

  太陽系外是否有生命?尋找這個問題的答案猶如尋覓一座聖盃。

  目前,天文學家已發現4000多顆系外行星,研究這些行星的重要目標之一,就是找到另一個適宜人類居住的星球,為未知的將來尋找下一個家園。

  加拿大麥吉爾大學物理系教授尼古拉斯·考恩和學生伊芙琳·麥克唐納花了10多年時間觀測地球大氣,探求地球“指紋”。他們表示,在尋找類地系外行星時,可以利用地球“指紋”鎖定目標。日前,他們的研究結果發佈在《皇家天文學會月刊》上。

  什麼是地球“指紋”?為何能幫助我們尋找系外行星上的生命?這種方法可靠嗎?

  光譜特徵中的生物標誌

  地球“指紋”是指地球大氣的光譜。“大氣不同成分在特定溫度、壓強下,會產生獨特的光譜特徵。”中科院紫金山天文台副研究員陳果告訴科技日報記者。

  如何獲得大氣光譜?天文學家使用的是淩星法。淩星指的是系外行星從它們的宿主恒星前面經過,導致恒星星光出現跌落。在淩星時刻,恒星的一小部分光線被行星大氣層篩過,行星大氣層中的成分便在光譜中留下了特有的“指紋”。“通過比較淩星前後的光譜,就可以推測行星大氣中可能存在哪些分子。”南京大學天文與空間科學學院教授周禮勇告訴科技日報記者。

  地球“指紋”中包含了甲烷和臭氧成分,這被稱為生物標誌。對此,陳果解釋道:“臭氧和甲烷這兩種分子在自然條件下會產生化學反應,從而導致甲烷或者臭氧減少。所以,除非有外力幹預,否則我們不會看到臭氧和甲烷長期穩定地共存。而外力幹預的途徑之一,就是存在生命活動產生的生化過程,這一過程能不斷地補充大氣中的臭氧或者甲烷。因此,觀測到臭氧和甲烷共存,是確認某一星球上存在生命特徵的途徑之一。”

  如果在大氣的光譜中發現水蒸氣,則可能意味著這個星球具有獨特的溫度、壓強條件,以及液態水存在的可能。“而從目前人類認知來說,液態水是生命賴以生存的基本條件之一。因此,發現水蒸氣是尋找生命跡象的第一步。”

  同樣,氧氣也是目前人類生存的基本條件之一。若能發現臭氧,則這個星球很可能存在氧氣。臭氧層還能吸收臨近恒星的紫外輻射,這對生物免受過量紫外輻射,維持宜居環境極為重要。

  “如果能夠在一顆系外類地行星的‘指紋’中發現類似地球淩日光譜的生物標誌,那在很大程度上說明了這個系外類地行星很可能也存在著生命。”陳果表示。

  尋找路燈下的螢火蟲

  知道地球大氣成分並不難,為何我們還要用淩星光譜的方法來獲得其“指紋”?

  “正是因為我們不需要淩日光譜就能知道地球大氣成分,才能很好地去驗證淩日、乃至淩星光譜在研究行星大氣組成時的適用性和可靠性。”陳果說,淩星光譜更多的目的還是在研究系外行星大氣的組成,進而尋找宜居的系外行星。

  但這一方法存在局限性。淩星法的本質是研究淩星造成的恒星星光變化。“但造成恒星星光變化的因素不僅只有行星大氣,還有可能來自恒星本身的活動。就像太陽的黑子、亮斑等,這些都有可能‘汙染’測量淩星光譜。此外,淩星光譜局限於研究晨昏線的大氣,並且難以深入到非常底層的大氣層。”陳果告訴記者。

  周禮勇也談到,系外行星距離地球比較遠,所以當它們掠過宿星表面時,我們很難區分哪一部分光線是從行星大氣中穿透過來的。“你能想像,在1000公里以外尋找路燈下的一隻螢火蟲有多難嗎?用淩星光譜探測大氣成分比這更難。”

  不過,即使我們在一顆星球的光譜中看到生物標誌,也並不能就此斷言其一定存在著生命;看不到“生物標誌”,也未必沒有存在生命的可能性。因為生命本身很複雜,適宜生命存在的條件也沒有絕對標準。“只能說淩星光譜給我們提供了窺探生命痕跡的一個視角。”周禮勇說。

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