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开普勒太空望远镜旨在寻找系外行星，它首次观测到的两颗地球大小的系外行星，很有可能存在液态水。德国海德堡马克斯·普朗克天文研究所天体物理学家丽萨·柯廷安（Lisa Kaltenegger）研究表明，这些行星可能适合生命，甚至可能被无边无际的海洋包围。但她需要更深入的观察才能确定。
她的首要任务（寻找外星生命），正在进入一个前所未有的阶段。除了像地外无线电广播这类突如其来的信号之外，大多数天文学家相信，我们近期在宇宙中遇到其他生命的最好机会是探测到漂浮在系外行星大气中的生物特征气体。随着詹姆斯·韦伯太空望远镜的头几个月的观测，这样的发现已经成为可能。
在接下来的几年里，韦伯将仔细观察少数几个被认为最可能适合居住的岩石世界，帮助研究人能辨别出这些行星是否有大气层。最乐观的是，韦伯可能会在其中一颗行星上探测到二氧化碳、氧气和甲烷的比例。这些可能表明地外生态系统的存在。要找到生物特征，需要研究人员从极少的光子中提取确定性。这需要对一颗行星的星光、岩石和空气之间的相互作用模型进行足够精确的模拟。如果做错了，后果不堪设想。 行星梦想家在1995年发现第一颗系外行星之后，对生物特征的搜索就立即开始了。与此同时，太空机构也开始行动起来。1996年，美国国家航空航天局局长丹·戈尔丁公布了一项计划，要求建立大规模的太空天文台，称为“类地行星发现者”，可以对系外行星进行详细的光谱测量，将它们的光分解成不同的颜色，以了解它们的化学组成。 1990年，NASA的旅行者号探测器在萨根的要求下，从海王星轨道外拍下了一张照片，把地球缩小为一个悬浮在太空中的淡蓝色小点。如果我们能看到另一个浅蓝色的点在黑暗中闪烁呢？
欧洲航天局也启动了生命发现任务（达尔文，Darwin），当时24岁的柯廷安进入了工作组。她的任务是考虑该任务在设计上的权衡，并起草达尔文的望远镜阵列应该扫描的行星的。 但在21世纪初，大西洋两岸寻找外星人的大型望远镜的设想都破灭了。达尔文任务在2007年宣告失败。另一个是科学上的怀疑：当时，天文学家不知道银河系中有多少恒星拥有岩质行星，并可能拥有稳定、温和的气候。 2009年发射的开普勒太空望远镜显示，这一比例约为五分之一。开普勒太空望远镜随后发现了数千颗系外行星。然而，自从开普勒发射以来，资金问题让天体生物学家的梦想变得越来越小。像达尔文这样的天文台本可以分辨出一颗恒星旁边的岩质行星的信号，就像一只萤火虫在探照灯周围飞舞。 西格尔和哈佛天文学家迪米塔尔·萨塞洛夫在2000年设想了另一种方法，一种即使来自行星和恒星的光混合在一起，也能探测到系外行星大气层的方法。首先，望远镜寻找“过境”的行星，从地球的角度看，它们从恒星前面穿过，这会导致星光轻微减弱。这些凌日现象包含了丰富的信息。在凌日过程中，恒星的光谱会产生起伏和摆动，因为一些星光会穿过行星周围的大气层，而大气层中的分子会吸收特定频率的光。对光谱波动的巧妙分析揭示了高空化学作用。2002年，哈勃太空望远镜开始测试这项技术，在一颗遥远的气态巨行星周围发现了钠蒸汽。
2010年后，开普勒发现地球大小的行星很常见，它甚至发现了一些可能适合居住的行星。不过，开普勒发现的系外行星太远，无法进行良好的后续研究。与此同时，2016年天文学家发现，距离地球最近的恒星比邻星可能有一颗地球大小的宜居行星。 2009年，当时在哈佛大学的柯廷安和她的合作者韦斯利·特劳布丰富了这一领域。她们考虑了外星文明需要什么才能探测到地球上的生物特征气体。他们意识到，像韦伯这样的望远镜在每次凌日过程中只能看到来自大气气体的微小信号，因此，为了获得统计上的确定性，天文学家需要观察数十次甚至数百次凌日，这将花费数年时间。根据这一认识，天文学家开始在较暗、较冷的红矮星附近的近轨道上寻找行星，那里的大气信号较少被恒星光淹没，凌日重复更频繁。
2017年，天文学家宣布在一颗名为TRAPPIST-1的红矮星周围发现了7颗岩质行星。然后在9月，又发现了SPECULOOS-2系统。这些恒星离我们很近。它们又暗又红。它们都有多个岩质行星。今年夏天，韦伯太空望远镜建成并运行得比预期的还要好。在接下来的五年里，它将花相当大的时间仔细观察这些由岩石组成的球体，这些球体围绕着它们恒星旋转。 外星生物2015年，柯廷安成为卡尔·萨根研究所的创始主任，此前她曾在哈佛大学任职，后来在海德堡大学开设了自己的第一个实验室。 20年来，由于在21世纪初的达尔文任务中产生的一种挥之不去的怀疑，一直是柯廷安思考的重点。当时的目标是将多岩石的温带行星的光谱与从远处看地球的光谱进行比较，寻找明显的信号，比如广泛的光合作用导致的氧气过剩。柯廷安的反对理由是，在地球存在的最初20亿年里，它的大气中没有氧气。然后又过了10亿年的时间氧气才积累到高水平。这种生物特征的最高浓度不是在今天的地球光谱中，而是在白垩纪晚期的一个短暂窗口期，当时原始鸟类在天空中追逐巨型昆虫。 柯廷安担心，如果没有一个好的理论模型来解释地球的光谱是如何变化的，大型的行星寻找任务很容易就会错过一个 有生命的世界。她需要把地球想象成一颗随着时间进化的系外行星。为了做到这一点，她采用了地球科学家詹姆斯·卡斯汀开发的全球气候模型，它不仅可以分析地球的时间，还可以分析完全不同的外星场景。 除了她的大气模型，柯廷安还花了十年的时间在地球上搜寻，以收集一些天体生物学家的公共数据库。如果天文学家确实设法在系外行星光谱中发现一个异常的波动，她的数据库可能提供破译它的关键。
例如，在一次去黄石国家公园的旅行中，柯廷安惊叹于热池塘表面五颜六色的微生物浮层。这使得她和同事们在培养皿中培养了137种细菌，然后发表了它们的光谱。受到另一位同事在北极钻探冰芯工作的启发，柯廷安的团队分离出80种喜欢寒冷的微生物，这些微生物与冰星球上可能进化出的微生物类似，并于今年3月发布了这些光谱的参考数据库。 其他的世界可能是生物荧光的。在地球上，珊瑚等生物荧光生物通过吸收紫外线并将其作为可见光重新发射，来保护自己免受紫外线的伤害。考虑到像TRAPPIST-1这样的红矮星系统中的行星沐浴在紫外线辐射中，柯廷安认为那里的外星生命可能会进化出类似的过程。 地图上的第一个点第一批生物特征将是微小的、模棱两可的信号。2020年秋天，西格尔的研究小组宣布，他们在金星的上层大气中发现了一种名为磷化氢的不同寻常的化合物。金星是一颗闷热、酸洗的行星，通常被认为是无菌的。在地球上，磷化氢通常由微生物产生。虽然某些非生物过程也可以在特定条件下产生这种化合物，但该团队的分析表明，这些过程不太可能发生在金星上。在他们看来，这使得微小漂浮的金星生物成为一个合理的解释。
一些专家重新分析了金星的数据，得出的结论是，磷化氢信号只是海市蜃楼：这种化学物质根本就不存在。 寻找系外行星生物特征的下一阶段取决于韦伯对TRAPPIST-1行星的揭示。在它们的天空中看到真正的生物信号可能是不太可能的。但该望远镜可以探测到二氧化碳和水蒸气的比例，这与基于地球和金星的模型预测的比例一致。这将证实，建模者对哪些地球化学循环在银河系中起作用，以及哪些世界可能真正适合居住有了良好的处理能力。发现更意想不到的东西将有助于研究人员修正他们的模型。 更糟糕的可能性是，这些行星根本没有大气层。众所周知，像TRAPPIST-1这样的红矮星会发射太阳耀斑，可以剥离除光秃秃的岩石之外的一切。
到本十年的下半叶，来自多个行星凌日的数据将会堆积起来，足以让天文学家不仅寻找这些星球上的化学物质，还可以研究特定分子是如何随季节变化而变化的。到那时，补充的观测可以加入到数据中。从2027年开始，几座规模惊人的新天文台将向宇宙开放，其中包括所有天文台中最大的——位于智利的超大望远镜。 所有这些仪器仍然达不到生物特征搜寻者真正想要的东西。不过话说回来，早期系外行星科学家一直都是梦想家。科学一直是一项代际活动。她坐在萨根的办公室里，勾勒出一个具体的场景。一个遥远未来的旅行者走在像企业号这样的即将起飞的宇宙飞船的桥上，准备前往一个新世界。柯廷安说，“在我的脑海里，我看到他们和这张古老的星象图在一起。”这张古老的地图将标记出候选的有生命的行星的位置。它可能已经过时了，只是出于感情的原因而被带来。“但我想成为在这张地图上画出第一个点的人。” |
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