在今年 6 月份，天文學家失望地發現：詹姆斯?韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope，JWST) 未能在巖石星球 TRAPPIST-1C 周圍發現厚厚的大氣層。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 系統中的另一顆行星 TRAPPIST-1 B 也被發現有著類似的情況。這個擁有暗淡的紅色恒星的系統有著七個巖石行星，其中幾個位于宜居帶。宜居帶指的是一顆恒星周圍的一定距離范圍，在這個距離范圍內它們的表面可能存在液態水，其他世界的生命可能會在此繁衍生息。

如果說一個星球存在生命，那么我們需要什么工具來驗證它，這是一個困擾了天文學家許久的問題。如果生命存在，需要什么來發現它并不是一個新問題。但是多虧了詹姆斯韋伯太空望遠鏡，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信號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問題：檢驗到什么樣的化學信號才能說明外星生命存在。

" 你試圖僅利用關于一顆行星的極少信息，得出一個可能相當深刻的結論 —— 來改變我們對整個宇宙的看法。”華盛頓大學的行星科學家約書亞-克里桑森-托頓（Joshua Krissansen-Totton）說。

為了探測到這樣一個生物特征，科學家們必須找到一個巧妙的方法來處理他們收集到的有限的系外行星的信息。

背景中的化學物質

即使是包括 JWST 在內的最強大的望遠鏡，也幾乎從未真正 "看到" 過系外行星--總的來說，天文學家只能通過星體的閃爍來了解這些遙遠的世界。

天文學家不直接觀測行星，而是將望遠鏡對準恒星，等待行星 "凌日"，也就是等待它們從它們的恒星和望遠鏡之間穿過。當行星凌日時，一些恒星發出的光會穿過其大氣層，并根據大氣層中的化學物質，以特定的波長的變化來使恒星變暗。由此產生的恒星亮度的波峰和波谷就像是凌日行星的化學條形碼。

也許在這些像條形碼一樣的行星光譜信號中收集生物存在信息的最直接方法是，探測這些信號中是否存在由生命產生的氣體的化學信號。有?段時間，科學家們認為地球上因光合作??豐富的氧?是?種獨?的?物特征。但氧氣也可能產生于其他過程，例如太陽光可以分解地球大氣中的水。

這個問題對于其他氣體來說同樣存在，生物產生的大多數氣體在沒有生命的情況下也會產生。因此，如今的科學家傾向于結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產生。它本身并不是一個令人信服的生物特征。但是，同時發現甲烷和氧氣 "將是非常令人興奮的"，哈佛大學的行星科學家羅賓-沃茲沃斯（Robin Wordsworth）說；如果沒有生命存在，很難產生這種組合。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，也很難解釋在發現甲烷的同時發現適量的其他氣體（如二氧化碳）的原因。

對系外行星大氣層隨時間變化的觀測也可能提供有價值的背景信息，從而進一步確認星球生物特征。例如，2018 年的研究表明臭氧濃度的季節性變化可能是生命的指紋。

異常，而非假設

當然，"如果你要尋找氧氣或甲烷等特定某種氣體，那么就已經假設了其他地方的生命類型，" 克里桑森-托頓說。因此，一些科學家以未知生物特征為前提，假定外星生物化學與地球生物化學沒有相似之處來進行研究。

一個可能的反映未知生物特征指標是系外行星大氣層的化學 "異常" 程度--科學家稱之為化學不平衡。

接近平衡的大氣層在化學上是無趣的，就像實驗室里一個封閉的氣體燒瓶。當然，沒有哪顆行星會真的像實驗室里的燒瓶一樣無趣。恒星可以為行星大氣中的化學反應提供動力，火山活動等地質過程也會加劇不平衡，從而加劇大氣中的某種化學異常。

生命的存在也會使行星偏離平衡狀態。假設外星生命會產生某種氣體，它們就會使行星的大氣遠離平衡狀態。然而，克里桑森-托頓說，僅僅不平衡 "并不是一個明確的指標"。

2016 年，他和同事們計算了太陽系中每顆行星和土衛六大氣層的熱失衡狀況。通過比較可以發現地球的大氣是極端的--但是前提是在計算中考慮海洋的影響。如果忽略大氣與海洋的相互作用，地球大氣層實際上比火星大氣層更加接近平衡狀態。

但是即使這些異常可能并不指向生物存在，發現某系外行星大氣層遠離平衡狀態仍然說明一些有趣的事情正在發生，"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，耶魯大學的科學哲學家大衛-金尼（David Kinney）與圣達菲研究所的生物物理學家克里斯-肯佩斯（Chris Kempes）合作，試圖開發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。

如果不對外星生命做任何假設，那么幾乎所有氣體都可以在適當的環境中成為生物特征。2016 年，麻省理工學院天體物理學家薩拉-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器學習算法，開發出了他們的評估方法，以篩選觀測中的異常數據。這樣一種方法就可以精確地評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行評分與比較。

金尼和肯佩斯認為，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基本假設：宇宙中的生命是罕見的，它們會在行星大氣中留下痕跡，沒有生命就很難模仿這些痕跡。當然，這些假設可能會被證明是錯誤的，金尼說。但是 "如果我們想不做任何假設，" 他補充到，" 那么我認為將很難取得任何形式的科學進步，更不用說在這個不確定性如此嚴重的領域了。

首先要了解無生命系統

為了減少這種不確定性，科學家們需要能夠準確排除任何潛在?物特征的??命解釋。這需要對外星地質和??化學有透徹的了解。因此，一些科學家認為，相比于關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?普朗克天文學研究所的勞拉?克雷德伯格（Laura Kreidberg）說:“我認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。”他與華茲華斯共同撰寫了?篇關于巖石系外行星天文學的概述，發表在 2022 年《天文學和天體物理學年度評論》上。

這些 JWST 能夠觀測到的潛在巖石行星是否會有大氣層是一個更加值得考慮的問題。在望遠鏡的觀測范圍內，只有紅矮星（如 TRAPPIST-1）才有宜居帶行星。這些恒星有一個令人討厭的特點，那就是噴射出強烈的輻射，許多科學家認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定保持大氣層，那么潛在宜居世界的數量就會大大減少。

如果我們能觀測到足夠多的巖質系外行星，"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非常強大的東西就是統計數據。”

"生物特征" 這個詞可能會讓?認為它對應一種直接且確鑿的證據。但是，克里桑森-托頓說，" 系外行星生命的發現需要的是證據的逐步積累 "。隨著證據的不斷積累，科學家們可以開始以更加嚴格的方式檢驗他們關于巖質行星的假設，或許還可以重新評估這些假設。

" 天文學本質上是一門發現科學 " 克賴德伯格說，“即使我們擁有極其周密的計劃、框架和系統，一旦我們開始獲取數據并觀測事物，一切都會變得天翻地覆。”

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：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Elise Cutts

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總結

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