【博科园-科学科普】超级望远镜即将面世，巨大的地面和天基观测站将能直接观察遥远行星的大气层。地球上有生命，地球的大气层告诉我们这个故事，所以也可以对太阳系外的行星做同样的事情吗？结果是有生物特征，在大气中的化学物质能得到答案，但在在其他行星上发现有生命，这真的很艰难。
对HD 189733的概念图。它看起来很漂亮也很蓝，但实际上它是一个噩梦般的世界，可能会有2千米/s的风在下雨。图片版权：ESO/M. Kornmesser
我（作者）得承认过去一直都很糟糕，在《天文学旧集》和《每周太空漫游》中，甚至在《太空指南》中，如果有生命存在的话，我曾说过如果能对一个遥远的世界的大气层进行采样就可以确信地说。只要探测大气中的臭氧或者甲烷甚至污染，你可能就会说“那里有生命”。未来的弗雷泽在这里是为了纠正过去的弗雷泽。虽然我钦佩他对寻找外星人的天真热情，但事实证明：一如既往的事情会比我们以前认为的更加困难。
实际上天体生物学家们正在努力找出一种可以用来表示生命存在的确凿证据。这是因为自然过程似乎有聪明的方法来愚弄我们。什么是潜在的生物特征，为什么它们有问题？需要什么来得到确认？从一个离家近的行星火星开始：近二十年来天文学家在火星大气中发现了大量的甲烷。在地球上甲烷来自于生物，比如细菌和放屁的牛。此外甲烷很容易被阳光分解，这意味着这不是数十亿年前遗留下来的远古甲烷。
2016年9月“好奇号”在火星拍摄的全景图片，从远处可以看到埃俄斯山的苍白轮廓。图片版权：NASA/JPL-Caltech/MSSS
火星上的一些过程是不断补充的。除了生命之外当岩石与热水相互作用时，甲烷还可以通过火山活动自然形成。美国国家航空和宇宙航行局试图用精神和机会的探测器来弄清这个问题的真相，人们期望好奇号应该有工具来找到甲烷的来源。在几个月的时间里“好奇号”确实探测到了地表上甲烷的增加，但这也引发了一场争论。事实证明探测器本身携带着甲烷，并可能污染了周围的区域。也许它探测到的甲烷来自于自身。
也有可能是一颗岩质陨石坠落在附近并释放了一些污染了结果的气体。欧洲航天局的ExoMars探测器于2016年10月抵达火星。尽管Schiaparelli着陆器被摧毁，但追踪气体轨道器在旅程中幸存下来，并开始详细地绘制火星大气的地图，寻找可能会释放甲烷的地方，到目前为止还没有得出决定性的结果。换句话说在火星上有一个轨道飞行器和登陆器，装备了探测火星上最微弱的甲烷气味的仪器。
ExoMars的入口下降和着陆演示模块，Schiaparelli从追踪气体轨道器(TGO)分离出来。图片版权：ESA
关于火星上的甲烷水平如何随着季节的变化而上升和下降，有一些非常有趣的线索表明了生命，但天体生物学家仍然不同意。要求需要特别的证据和所有的证据。一些望远镜已经可以测量环绕其他恒星运行的行星的大气层。在过去的十年里NASA的斯皮策太空望远镜一直在绘制各种世界的大气层。举个例子这是一张热木星HD 189733b的地图。
图片版权：美国国家航空航天局(NASA)的斯皮策温度图
这个地方很糟糕，但是要测量另一个星球的大气层，那真是太壮观了。通过测量恒星的化学物质来完成这一壮举，而行星在它前面经过，然后在没有行星的情况下测量它。这就能知道这颗星球有什么化学物质。还测量出hg - p -26b的大气层，这是一个相对较小的海王星大小的行星，环绕着附近的恒星运行，并且惊奇地发现在地球大气层中有水蒸气。
这是否意味着有生命？只要我们在地球上找到水就能找到生命。不，完全可以在没有生命的情况下获得水。当在2019年发射时，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将把这种大气感应带到下一个水平，让天文学家能够以更高的分辨率研究更多世界的大气层。
在TRAPPIST-1系统中新发现的行星之TRAPPIST-1f的可能表面。图片版权：NASA/JPL-Caltech
詹姆斯-韦伯太空望远镜的首批目标之一将是TRAPPIST-1系统，其六颗行星围绕着一颗红矮星的宜居带运行。韦伯应该能够探测到臭氧、甲烷和其他潜在生物特征。那么将如何看待一个遥远的世界，并确定那里的生命？来自德国航空航天中心的天体生物学家约翰·李·格伦菲尔(John Lee Grenfell)最近发表了一份报告：研究了所有可能存在的太阳系外行星生物特征，并回顾了它们可能是另一个世界生命迹象的可能性。
第一个目标是分子氧气或O2。现在正在呼吸，无论如何21%的呼吸，氧气将在另一个世界的大气中持续几千年，没有来源。它是通过光合作用在地球上产生的，但是如果颗行星被它的恒星破坏了，失去大气，那么氢气就会被吹进太空，分子的氧气会继续存在，但也不能肯定。那么臭氧呢？又叫O3，氧气通过大气中的化学过程转化为O3。这听起来像是一个不错的候选者，但问题是自然过程也会产生臭氧。
金星上有臭氧层，在火星上也有，甚至在太阳系的冰卫星上被探测到。有一氧化二氮（也叫笑气）。它是由土壤中的细菌产生的，有助于促进地球的氮循环。好消息是地球似乎是太阳系中唯一有一氧化二氮的世界。但是科学家们也已经开发出了这种化学物质是如何在地球早期的历史中产生的，那时它富含硫的海洋与地球上的氮相互作用。事实上，金星和火星都可能经历过类似的循环。换句话说可能会看到生命或者可能会看到一颗年轻的星球。
Ligeia Mare在NASA的卡西尼号宇宙飞船获得的数据中显示，是土星的卫星泰坦上第二大已知的液体。它充满了液态的碳氢化合物，如乙烷和甲烷，是泰坦的北极地区众多的海洋和湖泊之一。图片版权：NASA/JPL-Caltech/ASI/Cornell
还有甲烷，花了很多时间讨论的化学物质。正如所提到的地球上生命产生了甲烷，但它也在火星上，土卫六上有液态的甲烷。天体生物学家已经提出其他碳氢化合物，如乙烷、异戊二烯，但它们也有自己的问题。先进文明排放的污染物如何？天体生物学家称这些为“技术特征”，它们可以包括像氯氟烃，或核辐射，但是这些化学物质很难被发现。天文学家们建议应该寻找死亡的行星，只是为了设定一个基准线。
这将是位于可居住地带的世界，但显然，生命永远不会离开。只是岩石，水和非生物创造的大气层。问题是可能甚至无法确定一个世界是否已经死亡的方法。希望在大气中看到的化学物质，比如二氧化碳可以被海洋吸收，所以你甚至不能做出否定的确认。一种方法甚至可能根本不涉及扫描大气。地球上的植被反射了700-750纳米区域内的特定波长的光。天体生物学家称其为“红色边缘”，因为与其他表面相比，反射率增加了5X。
虽然今天没有望远镜来做这个，但是有一些非常聪明的想法，比如观察行星上的光如何反射到附近的卫星上并分析它，寻找系外行星地球反照。早在地球的早期历史中，由于太古代细菌的存在，它看起来会更紫一些。有一个完整的宇宙飞船和地面观测站即将上线，这将帮助我们进一步推进这个问题。欧空局的Gaia任务将绘制和描述银河系中1%的恒星，告诉我们那里有哪些恒星，以及探测数千颗行星以作进一步观察。
凌日系外行星测量卫星的概念图。图片版权：MIT
凌日系外行星的空间研究或称TESS，将于2018年发射，并将在银河系中发现跟多地球大小和更大的外行星。柏拉图2号任务将在可居住地带找到岩石世界，詹姆斯·韦伯将能够研究行星的大气层。同时还讨论了巨大的LUVOIR望远镜，它可以在本世纪30年代完成建造，并将这些观测带到下一个层次。还有更多的空间和地面观测站在工程中。当这下一代望远镜出现时，那些能够直接测量地球大小的环绕另一颗恒星运行的地球大气层的望远镜。
天体生物学家们将努力寻找一个生物指纹提供清晰的信号，表明那里有生命存在。而不是确定性，看起来将会有同样的挣扎来理解我们所看到的。天文学家们将会彼此不同意，开发新的技术和新的仪器来回答未解决的问题。这需要一段时间，不确定性将很难处理。但请记住，这可能是每个人都可以问的最重要的科学问题：人类在宇宙中是孤独的吗？答案值得期待。
知识：科学无国界，博科园-科学科普
参考：John Lee Grenfell: A Review of Exoplanetary Biosignatures.
