地球“指纹”指引人类探寻下一个家园

代小佩

2019年09月24日  来源：科技日报

太阳系外是否有生命？寻找这个问题的答案犹如寻觅一座圣杯。

目前，天文学家已发现4000多颗系外行星，研究这些行星的重要目标之一，就是找到另一个适宜人类居住的星球，为未知的将来寻找下一个家园。

加拿大麦吉尔大学物理系教授尼古拉斯·考恩和学生伊芙琳·麦克唐纳花了10多年时间观测地球大气，探求地球“指纹”。他们表示，在寻找类地系外行星时，可以利用地球“指纹”锁定目标。日前，他们的研究结果发布在《皇家天文学会月刊》上。

什么是地球“指纹”？为何能帮助我们寻找系外行星上的生命？这种方法可靠吗？

光谱特征中的生物标志

地球“指纹”是指地球大气的光谱。“大气不同成分在特定温度、压强下，会产生独特的光谱特征。”中科院紫金山天文台副研究员陈果告诉科技日报记者。

如何获得大气光谱？天文学家使用的是凌星法。凌星指的是系外行星从它们的宿主恒星前面经过，导致恒星星光出现跌落。在凌星时刻，恒星的一小部分光线被行星大气层筛过，行星大气层中的成分便在光谱中留下了特有的“指纹”。“通过比较凌星前后的光谱，就可以推测行星大气中可能存在哪些分子。”南京大学天文与空间科学学院教授周礼勇告诉科技日报记者。

地球“指纹”中包含了甲烷和臭氧成分，这被称为生物标志。对此，陈果解释道：“臭氧和甲烷这两种分子在自然条件下会产生化学反应，从而导致甲烷或者臭氧减少。所以，除非有外力干预，否则我们不会看到臭氧和甲烷长期稳定地共存。而外力干预的途径之一，就是存在生命活动产生的生化过程，这一过程能不断地补充大气中的臭氧或者甲烷。因此，观测到臭氧和甲烷共存，是确认某一星球上存在生命特征的途径之一。”

如果在大气的光谱中发现水蒸气，则可能意味着这个星球具有独特的温度、压强条件，以及液态水存在的可能。“而从目前人类认知来说，液态水是生命赖以生存的基本条件之一。因此，发现水蒸气是寻找生命迹象的第一步。”

同样，氧气也是目前人类生存的基本条件之一。若能发现臭氧，则这个星球很可能存在氧气。臭氧层还能吸收临近恒星的紫外辐射，这对生物免受过量紫外辐射，维持宜居环境极为重要。

“如果能够在一颗系外类地行星的‘指纹’中发现类似地球凌日光谱的生物标志，那在很大程度上说明了这个系外类地行星很可能也存在着生命。”陈果表示。

寻找路灯下的萤火虫

知道地球大气成分并不难，为何我们还要用凌星光谱的方法来获得其“指纹”？

“正是因为我们不需要凌日光谱就能知道地球大气成分，才能很好地去验证凌日、乃至凌星光谱在研究行星大气组成时的适用性和可靠性。”陈果说，凌星光谱更多的目的还是在研究系外行星大气的组成，进而寻找宜居的系外行星。

但这一方法存在局限性。凌星法的本质是研究凌星造成的恒星星光变化。“但造成恒星星光变化的因素不仅只有行星大气，还有可能来自恒星本身的活动。就像太阳的黑子、亮斑等，这些都有可能‘污染’测量凌星光谱。此外，凌星光谱局限于研究晨昏线的大气，并且难以深入到非常底层的大气层。”陈果告诉记者。

周礼勇也谈到，系外行星距离地球比较远，所以当它们掠过宿星表面时，我们很难区分哪一部分光线是从行星大气中穿透过来的。“你能想象，在1000公里以外寻找路灯下的一只萤火虫有多难吗？用凌星光谱探测大气成分比这更难。”

不过，即使我们在一颗星球的光谱中看到生物标志，也并不能就此断言其一定存在着生命；看不到“生物标志”，也未必没有存在生命的可能性。因为生命本身很复杂，适宜生命存在的条件也没有绝对标准。“只能说凌星光谱给我们提供了窥探生命痕迹的一个视角。”周礼勇说。

（实习记者 代小佩）