北京時間 11 月 11 日消息，據(jù)國外媒體報道，卡爾?薩根將地球稱為“暗淡藍(lán)點(diǎn)”，但使地球如此獨(dú)一無二的顏色其實(shí)不是藍(lán)色、而是綠色。
地球表面被綠色植被和藍(lán)藻細(xì)菌覆蓋，它們可以吸收大量紅光，同時反射大量來自太陽的可見光與紅外光。植物反射的光線與吸收的光線之間的這種反差形成了所謂的“紅邊”效應(yīng)，成為了地球生命獨(dú)有的一項特征。我們可以在地球的天體光譜中觀察到紅邊的存在。由于植物會吸收大量紅光，但極少吸收紅外光，因此該波段的光譜曲線會呈現(xiàn)出一道“陡坡”。地球上方的衛(wèi)星會利用這一特征追蹤植被生長狀態(tài)，天體生物學(xué)家或許也可以在其它行星上尋找這種特征，將其作為生命存在的跡象之一。
在《天文學(xué)與太空科學(xué)前沿》最近刊登的一項新研究中，科學(xué)家利用了多種光合作用的化學(xué)與物理模型，找到了在不同恒星周圍、最適宜植物吸收的最佳波長。
地球上的生命通過一種名叫“葉綠素 a”的化學(xué)物質(zhì)與陽光進(jìn)行互動。該物質(zhì)可以捕捉光線、用于光合作用。它們吸收的光線可以被植物用作生物過程中所需的能量。生物學(xué)家認(rèn)為，植物之所以依賴葉綠素 a，是因?yàn)樗苁箯年柟庵形盏哪芰孔畲蠡瑫r使進(jìn)行光合作用所需的能量最小化，從而使植物的能量產(chǎn)出率達(dá)到最高水平。
但如果太陽發(fā)出的光線顏色不同呢？葉綠素 a 還會是最適合這項任務(wù)的化學(xué)物質(zhì)嗎？大概率不會，因?yàn)橐蕾嚻渌阈巧L的植物也需要根據(jù)對應(yīng)的光線進(jìn)行調(diào)整，盡可能增大能量效率。這就意味著，如果我們要在其它恒星周圍的行星上尋找紅邊效應(yīng)，很可能會一無所獲，因?yàn)檫@些行星上不一定是“紅”邊，可能是藍(lán)邊，可能是另一種色調(diào)的紅邊，甚至可能不在可見光范圍內(nèi)。
▲ 圖中可以看出不同恒星周圍植物吸收的哪種光線最多。其中 F 型恒星最明亮，M 型恒星最黯淡。
這項新研究的研究人員由 NASA 艾姆斯研究中心、NASA 戈達(dá)德太空飛行中心、以及華盛頓大學(xué)的科學(xué)家構(gòu)成。他們考慮了多種因素，比如恒星光線中各個波長上的光量、類似地球的大氣造成的影響、以及細(xì)胞進(jìn)行光合作用的能量消耗。他們的目標(biāo)是，弄清未來的望遠(yuǎn)鏡是否應(yīng)當(dāng)將“紅”邊視為系外生命存在的跡象、對其展開搜尋。
利用一系列化學(xué)與物理方程，他們建立了多個模型，確定不同類型恒星周圍植物進(jìn)行光合作用的最佳波長。然后將這些模型的結(jié)果與地球植被相比較，重建了菠菜等植物的吸收光譜。通過將這些模型套用到菠菜等我們熟知的植物上，他們可以檢驗(yàn)自己的計算正確與否。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在比太陽更明亮、更熾熱的恒星周圍（比如溫度比太陽高一半的 F 型恒星，植物傾向于吸收能量更高的光線，從而產(chǎn)生“藍(lán)邊”；而在溫度比太陽低的恒星周圍（比如 K 型和 M 型恒星），植物吸收的則主要是能量較低的光線，產(chǎn)生的邊顏色更紅、甚至接近紅外光。
有趣的是，除了溫度最低的一類恒星之外（溫度只有太陽的一半、甚至更低），這些模型產(chǎn)生的邊全部處于可見光范圍內(nèi)。雖然光譜范圍很大，但最適合植物產(chǎn)生能量的光線依然集中在小小的可見光波段。研究人員在模型中還發(fā)現(xiàn)，無論在哪種恒星周圍，植物的生長都不會受能量多少的限制，反倒是土地、營養(yǎng)物質(zhì)等因素造成的影響更大些。
這些模型在此前研究的基礎(chǔ)上有所改進(jìn)?？茖W(xué)家此前認(rèn)為，利用不同類型恒星的詳細(xì)光譜，恒星發(fā)出的光線可以建立為一個簡單的曲線模型。此外，他們之前一直在地球大氣的基礎(chǔ)上進(jìn)行推斷，但系外行星的大氣成分可能與地球截然不同。由于大氣會吸收恒星發(fā)出的部分光線，大氣也會對行星表面植物吸收的光線造成影響。
雖然還有更多、更復(fù)雜的因素可以添加到這些模型中，比如不同的大氣成分、不同的葉片形狀等，但此次研究已經(jīng)為搜索外星植物奠定了很好的基礎(chǔ)。在未來幾十年間，利用 HabEx 和 LUVOIR 等下一代太空望遠(yuǎn)鏡，這些信息說不定真的能幫助科學(xué)家找到外星植被。這兩臺太空望遠(yuǎn)鏡應(yīng)當(dāng)能為我們提供類地行星的大氣光譜信息，甚至還可能在系外行星上發(fā)現(xiàn)紅邊（或藍(lán)邊）效應(yīng)。
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