地球“指纹”指引人类探寻下一个家园

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。