在今年 6 月份，天文學(xué)家失望地發(fā)現(xiàn)：詹姆斯?韋伯太空望遠(yuǎn)鏡 (James Webb Space Telescope，JWST) 未能在巖石星球 TRAPPIST-1C 周圍發(fā)現(xiàn)厚厚的大氣層。TRAPPIST-1C 是一顆位于 TRAPPIST-1 星系的系外行星，TRAPPIST-1 星系是最有可能尋找到外星生命的星系。
在此之前，TRAPPIST-1 系統(tǒng)中的另一顆行星 TRAPPIST-1 B 也被發(fā)現(xiàn)有著類似的情況。這個(gè)擁有暗淡的紅色恒星的系統(tǒng)有著七個(gè)巖石行星，其中幾個(gè)位于宜居帶。宜居帶指的是一顆恒星周圍的一定距離范圍，在這個(gè)距離范圍內(nèi)它們的表面可能存在液態(tài)水，其他世界的生命可能會(huì)在此繁衍生息。
如果說一個(gè)星球存在生命，那么我們需要什么工具來驗(yàn)證它，這是一個(gè)困擾了天文學(xué)家許久的問題。如果生命存在，需要什么來發(fā)現(xiàn)它并不是一個(gè)新問題。但是多虧了詹姆斯韋伯太空望遠(yuǎn)鏡，這些問題終于能夠得到解決。在接下來的幾年里，JWST 能夠探測在遙遠(yuǎn)星系中幾顆可能孕育有生命的星球的大氣層。而隱藏在這些星球的大氣層中的化學(xué)信號(hào)有可能是太陽系以外生命的最初跡象。而這又帶來了另一個(gè)問題：檢驗(yàn)到什么樣的化學(xué)信號(hào)才能說明外星生命存在。
" 你試圖僅利用關(guān)于一顆行星的極少信息，得出一個(gè)可能相當(dāng)深刻的結(jié)論 —— 來改變我們對(duì)整個(gè)宇宙的看法。”華盛頓大學(xué)的行星科學(xué)家約書亞-克里桑森-托頓（Joshua Krissansen-Totton）說。
為了探測到這樣一個(gè)生物特征，科學(xué)家們必須找到一個(gè)巧妙的方法來處理他們收集到的有限的系外行星的信息。
背景中的化學(xué)物質(zhì)
即使是包括 JWST 在內(nèi)的最強(qiáng)大的望遠(yuǎn)鏡，也幾乎從未真正 "看到" 過系外行星--總的來說，天文學(xué)家只能通過星體的閃爍來了解這些遙遠(yuǎn)的世界。
天文學(xué)家不直接觀測行星，而是將望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)恒星，等待行星 "凌日"，也就是等待它們從它們的恒星和望遠(yuǎn)鏡之間穿過。當(dāng)行星凌日時(shí)，一些恒星發(fā)出的光會(huì)穿過其大氣層，并根據(jù)大氣層中的化學(xué)物質(zhì)，以特定的波長的變化來使恒星變暗。由此產(chǎn)生的恒星亮度的波峰和波谷就像是凌日行星的化學(xué)條形碼。
也許在這些像條形碼一樣的行星光譜信號(hào)中收集生物存在信息的最直接方法是，探測這些信號(hào)中是否存在由生命產(chǎn)生的氣體的化學(xué)信號(hào)。有?段時(shí)間，科學(xué)家們認(rèn)為地球上因光合作??豐富的氧?是?種獨(dú)?的?物特征。但氧氣也可能產(chǎn)生于其他過程，例如太陽光可以分解地球大氣中的水。
這個(gè)問題對(duì)于其他氣體來說同樣存在，生物產(chǎn)生的大多數(shù)氣體在沒有生命的情況下也會(huì)產(chǎn)生。因此，如今的科學(xué)家傾向于結(jié)合具體情況來綜合考慮這些氣體，而不是將單一氣體視為生物特征。
例如，無論生命是否存在甲烷均會(huì)產(chǎn)生。它本身并不是一個(gè)令人信服的生物特征。但是，同時(shí)發(fā)現(xiàn)甲烷和氧氣 "將是非常令人興奮的"，哈佛大學(xué)的行星科學(xué)家羅賓-沃茲沃斯（Robin Wordsworth）說；如果沒有生命存在，很難產(chǎn)生這種組合。同樣，最近克里桑森-托頓（Krissansen-Totton）及其同事的研究表明，如果沒有生命，也很難解釋在發(fā)現(xiàn)甲烷的同時(shí)發(fā)現(xiàn)適量的其他氣體（如二氧化碳）的原因。
對(duì)系外行星大氣層隨時(shí)間變化的觀測也可能提供有價(jià)值的背景信息，從而進(jìn)一步確認(rèn)星球生物特征。例如，2018 年的研究表明臭氧濃度的季節(jié)性變化可能是生命的指紋。
異常，而非假設(shè)
當(dāng)然，"如果你要尋找氧氣或甲烷等特定某種氣體，那么就已經(jīng)假設(shè)了其他地方的生命類型，" 克里桑森-托頓說。因此，一些科學(xué)家以未知生物特征為前提，假定外星生物化學(xué)與地球生物化學(xué)沒有相似之處來進(jìn)行研究。
一個(gè)可能的反映未知生物特征指標(biāo)是系外行星大氣層的化學(xué) "異常" 程度--科學(xué)家稱之為化學(xué)不平衡。
接近平衡的大氣層在化學(xué)上是無趣的，就像實(shí)驗(yàn)室里一個(gè)封閉的氣體燒瓶。當(dāng)然，沒有哪顆行星會(huì)真的像實(shí)驗(yàn)室里的燒瓶一樣無趣。恒星可以為行星大氣中的化學(xué)反應(yīng)提供動(dòng)力，火山活動(dòng)等地質(zhì)過程也會(huì)加劇不平衡，從而加劇大氣中的某種化學(xué)異常。
生命的存在也會(huì)使行星偏離平衡狀態(tài)。假設(shè)外星生命會(huì)產(chǎn)生某種氣體，它們就會(huì)使行星的大氣遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)。然而，克里桑森-托頓說，僅僅不平衡 "并不是一個(gè)明確的指標(biāo)"。
2016 年，他和同事們計(jì)算了太陽系中每顆行星和土衛(wèi)六大氣層的熱失衡狀況。通過比較可以發(fā)現(xiàn)地球的大氣是極端的--但是前提是在計(jì)算中考慮海洋的影響。如果忽略大氣與海洋的相互作用，地球大氣層實(shí)際上比火星大氣層更加接近平衡狀態(tài)。
但是即使這些異?？赡?strong>并不指向生物存在，發(fā)現(xiàn)某系外行星大氣層遠(yuǎn)離平衡狀態(tài)仍然說明一些有趣的事情正在發(fā)生，"某種事件正以一種值得研究的奇妙方式改變大氣層"，克里桑森-托頓說。
最近，耶魯大學(xué)的科學(xué)哲學(xué)家大衛(wèi)-金尼（David Kinney）與圣達(dá)菲研究所的生物物理學(xué)家克里斯-肯佩斯（Chris Kempes）合作，試圖開發(fā)出了一種檢測可能的未知生物特征的新方法。他們的想法很簡單：要尋找生命，就要尋找最奇特的行星。
如果不對(duì)外星生命做任何假設(shè)，那么幾乎所有氣體都可以在適當(dāng)?shù)沫h(huán)境中成為生物特征。2016 年，麻省理工學(xué)院天體物理學(xué)家薩拉-西格（Sara Seager）及其同事提出了一份約 1.4 萬種分子的清單，作為可能的生物特征。金尼（Kinney） 和 肯佩斯（Kempes） 利用這份清單以及機(jī)器學(xué)習(xí)算法，開發(fā)出了他們的評(píng)估方法，以篩選觀測中的異常數(shù)據(jù)。這樣一種方法就可以精確地評(píng)定系外行星的大氣層的 "異常性"，并可以將假想的不同戲外行星大氣層進(jìn)行評(píng)分與比較。
金尼和肯佩斯認(rèn)為，一組行星中最奇特的大氣最有可能孕育生命。這樣的推論基于以下幾個(gè)基本假設(shè)：宇宙中的生命是罕見的，它們會(huì)在行星大氣中留下痕跡，沒有生命就很難模仿這些痕跡。當(dāng)然，這些假設(shè)可能會(huì)被證明是錯(cuò)誤的，金尼說。但是 "如果我們想不做任何假設(shè)，" 他補(bǔ)充到，" 那么我認(rèn)為將很難取得任何形式的科學(xué)進(jìn)步，更不用說在這個(gè)不確定性如此嚴(yán)重的領(lǐng)域了。
首先要了解無生命系統(tǒng)
為了減少這種不確定性，科學(xué)家們需要能夠準(zhǔn)確排除任何潛在?物特征的??命解釋。這需要對(duì)外星地質(zhì)和??化學(xué)有透徹的了解。因此，一些科學(xué)家認(rèn)為，相比于關(guān)注行星是否適合居住，研究明顯沒有生命的行星將有助于我們尋找外星生命。
德國馬克斯?普朗克天文學(xué)研究所的勞拉?克雷德伯格（Laura Kreidberg）說:“我認(rèn)為在我們開始提出宜居性問題之前，我們需要首先了解行星的許多非常基本的東西?！彼c華茲華斯共同撰寫了?篇關(guān)于巖石系外行星天文學(xué)的概述，發(fā)表在 2022 年《天文學(xué)和天體物理學(xué)年度評(píng)論》上。
這些 JWST 能夠觀測到的潛在巖石行星是否會(huì)有大氣層是一個(gè)更加值得考慮的問題。在望遠(yuǎn)鏡的觀測范圍內(nèi)，只有紅矮星（如 TRAPPIST-1）才有宜居帶行星。這些恒星有一個(gè)令人討厭的特點(diǎn)，那就是噴射出強(qiáng)烈的輻射，許多科學(xué)家認(rèn)為這些輻射將不可避免地帶走任何可能宜居行星的大氣層，這可能就是 TRAPPIST-1 B 和 TRAPPIST-1 C 大氣層稀少或甚至不存在的原因。
紅矮星也是銀河系中最常見的恒星--因此，如果它們的巖石行星無法穩(wěn)定保持大氣層，那么潛在宜居世界的數(shù)量就會(huì)大大減少。
如果我們能觀測到足夠多的巖質(zhì)系外行星，"我們就能更深入地了解生物特征的含義，" 華茲華斯說。" 系外行星帶給我們的一個(gè)非常強(qiáng)大的東西就是統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。”
"生物特征" 這個(gè)詞可能會(huì)讓?認(rèn)為它對(duì)應(yīng)一種直接且確鑿的證據(jù)。但是，克里桑森-托頓說，" 系外行星生命的發(fā)現(xiàn)需要的是證據(jù)的逐步積累 "。隨著證據(jù)的不斷積累，科學(xué)家們可以開始以更加嚴(yán)格的方式檢驗(yàn)他們關(guān)于巖質(zhì)行星的假設(shè)，或許還可以重新評(píng)估這些假設(shè)。
" 天文學(xué)本質(zhì)上是一門發(fā)現(xiàn)科學(xué) " 克賴德伯格說，“即使我們擁有極其周密的計(jì)劃、框架和系統(tǒng)，一旦我們開始獲取數(shù)據(jù)并觀測事物，一切都會(huì)變得天翻地覆?！?/p>
作者：Elise Cutts
翻譯：九一 & K.Collider（
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原文鏈接：What would signal life on another planet?
本文來自微信公眾號(hào)：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Elise Cutts
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