地球“指紋”指引人類探尋下一個家園

太陽系外是否有生命？尋找這個問題的答案猶如尋覓一座圣杯。

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，他們的研究結果發布在《皇家天文學會月刊》上。

什么是地球“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？

光譜特征中的生物標志

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征。”中科院紫金山天文臺副研究員陳果告訴科技日報記者。

如何獲得大氣光譜？天文學家使用的是凌星法。凌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。在凌星時刻，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”。“通過比較凌星前后的光譜，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，這被稱為生物標志。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，除非有外力干預，否則我們不會看到臭氧和甲烷長期穩定地共存。而外力干預的途徑之一，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征的途徑之一。”

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’中發現類似地球凌日光譜的生物標志，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

知道地球大氣成分并不難，為何我們還要用凌星光譜的方法來獲得其“指紋”？

“正是因為我們不需要凌日光譜就能知道地球大氣成分，才能很好地去驗證凌日、乃至凌星光譜在研究行星大氣組成時的適用性和可靠性。”陳果說，凌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。凌星法的本質是研究凌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‘污染’測量凌星光譜。此外，凌星光譜局限于研究晨昏線的大氣，并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。“你能想象，在1000公里以外尋找路燈下的一只螢火蟲有多難嗎？用凌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志，也并不能就此斷言其一定存在著生命；看不到“生物標志”，也未必沒有存在生命的可能性。因為生命本身很復雜，適宜生命存在的條件也沒有絕對標準。“只能說凌星光譜給我們提供了窺探生命痕跡的一個視角。”周禮勇說。

（實習記者 代小佩）