2022-11-18 15:01:28 来源:参考消息网 责任编辑:余诗泉

参考消息网11月18日报道 英国《新科学家》周刊11月12日发表题为《詹姆斯·韦布空间望远镜如何在系外行星大气中发现地外生命迹象》的文章,作者是斯图尔特·克拉克。全文摘编如下:

2022年7月詹姆斯·韦布空间望远镜的首批观测结果公布。美丽的深空图像令人叹为观止,而一同公布的图表看上去很不起眼,容易受到忽视。但在很多天文学者眼中,只有一条简单曲线的图表同样动人心魄:它预示着探索地外生命进入新时代。

探测到水蒸气

这份图表显示,在一颗名为WASP 96b的系外行星的大气中明白无误地探测到水蒸气。这首次证明这台强大的望远镜能够实现很多人所怀疑的东西,即从太阳系以外的星球大气构成中捕捉精确细节。

正如部分深空图像之美俘获了公众的想象,这份前所未见的图表因为其高品质也让天文学者激动不已。忽然间,显然我们真的能用不同以往的方式一窥外星天空。我们终于有了一线希望,去捕捉能证明别处也存在生命的微妙信号——尽管这并不容易。

现在,天文学者在勾画下一步行动。他们已经圈定最有希望的行星,目前正在依次安排詹姆斯·韦布空间望远镜的观测时间,以此研究这些行星的大气层,再次思考需要寻找什么样的生命迹象,并评估成功的可能性。

德国马克斯·普朗克天文学研究所的劳拉·克雷德伯格说:“我感觉我们即将开启一段真正激动人心的旅程。”

系外行星的大气层中包含各种线索能揭示这颗行星由什么构成。我们研究这些大气层时使用了一种名为光谱分析的技术,该技术利用的原理是不同原子和分子吸收的光波长不同。

韦布带来的机会

然而直到最近,对外星天空进行光谱分析的技术也有其局限性。克雷德伯格说:“即使凭借强大的哈勃空间望远镜、斯皮策空间望远镜和陆地望远镜,对于能从这些大气层中发现什么,我们的了解只有一点点。我们只看到了冰山的一小角。”

在詹姆斯·韦布空间望远镜的帮助下,我们能更深入了解。这是因为詹姆斯·韦布空间望远镜在三大方面超过了之前的空间望远镜。首先是它在太空中的位置,詹姆斯·韦布空间望远镜远离地球轨道,其传感器能精确校准目标,即使对微弱信号也能加强探测。其次,詹姆斯·韦布空间望远镜的主镜直径长达6.5米,较哈勃空间望远镜直径2.4米的主镜迈出一大步,这使得詹姆斯·韦布空间望远镜收集的光线要多得多,也能揭示更暗弱的细节。不过,其最大优势或许在于能探测整个红外光谱。这是一大利好,因为分子喜欢与红外光相互作用。

所有这一切意味着,天文学者首次真正有机会看到岩质系外行星的大气层细节。岩质系外行星通常被认为是找到潜在生命迹象的最佳选择。

可行目标的困境

我们正在寻找的是有拥有大气层的小型岩质行星,而且像地球一样,它们要恰好位于恒星周围的宜居带内,那里的温度使得行星地表能存在液态水。问题是,较小的行星引力也较小,大气层也相对稀薄。(例如,地球的大气层厚度只占地球半径的不到1%。)因此,如果我们想用詹姆斯·韦布空间望远镜探测这些行星的大气层,它们必须相对靠近地球。

仅这些标准就大大缩减了可行目标的数量。克雷德伯格说:“既要处于宜居带、又要詹姆斯·韦布空间望远镜能观测到的岩质行星,绝对不到10颗。”

即便如此,还有让问题更复杂的因素。每个目标行星都围绕自己的小红矮星运行,这些恒星比太阳温度低,因此它们的宜居带比太阳近得多,这可能使行星难以保留大气层。一个典型例子就是“特拉普派-1”红矮星,这颗超冷红矮星距离地球约40光年,有7颗已知岩质行星。其表面温度不到太阳的一半,因此,尽管它的行星中有三四颗都位于宜居带,但不能保证这些行星有大气层。克雷德伯格说:“它们可能都是光秃秃的岩石。”

考虑到所有这些因素后,克雷德伯格将利用詹姆斯·韦布空间望远镜分别观测行星面对和背对“特拉普派-1”红矮星的情形。她的想法是确定行星的昼夜温差,这反过来能说明每颗行星是否都有大气层。大气层往往能让热量有效分布于行星四周,昼夜温度通常相差不大。如果没有大气层,裸露的岩石会在白天升温,然后在夜间直接将能量辐射到太空中,从而形成不同的温度。

一旦我们知道行星拥有大气层,就该试着在一段光谱中寻找生命特征了。基于我们对地球的了解,寻找的最佳目标是氧气和甲烷的光谱指纹。

如果在系外行星的大气层中同时看到氧气和甲烷,那将是我们目前所能想到最接近“扣篮得分”的情形。在地球上这两种气体由生物产生,否则就不会在大气中共存。如果没有来自生物源源不断的补充,它们就会相互反应,从大气中消失。

“特拉普派-1”红矮星的行星是最有可能探测到生物特征的目标。完美的条件会增加这种可能性,但实际上似乎不太可能。完美条件的列表很长。克雷德伯格说:“如果我们真的、真的幸运,这颗行星的大气构成和我们的预期完全一致,詹姆斯·韦布空间望远镜的表现又非常完美,让我们能一次又一次、一次又一次地积累起数据以过滤噪音影响,而且大气中既没有云层,也没有来自恒星光谱的污染。我们已经知道这不现实。所有这些条件都必须具备,我们才能祈祷确定生物特征。”

跳出固有思维

这样说听起来几乎没希望了,但这种评估是基于我们对地球生命的了解。美国马里兰大学的德雷克·戴明说:“真正令人欣喜的是,我们在某个没有预料到的地方看到了生物特征。每个人想到的都是岩质行星,像地球这样拥有坚固的表面和稀薄的大气层,但也许不是。”

例如,他希望看看类似海王星的系外行星。海王星的直径大约是地球的5倍,主要由冰冻物质构成,在其他恒星周围发现了众多海王星级的行星。值得关注的是,其中有些行星迁移到离恒星足够近的地方,以至于整个被海洋覆盖——这在地表上是生命的绝佳场所。而且由于其大气层更大,这样海王星级的行星应该会让詹姆斯·韦布空间望远镜的工作更容易。

说到生物特征,新一代研究人员开始跳出固有思维。美国科罗拉多大学博尔德分校的贾斯廷·王(音)提出寻找一种名为聚羟基脂肪酸酯(PHA)的分子。这是一个完全由微生物组成的聚酯家族。因此,可以把它们看成是生物塑料。无论它们在哪里出现,似乎都有一些鲜明的特性。

王说:“我发现很多种微生物都使用PHA。我还发现对于很多嗜极生物来说,生物塑料是解释它们为何能在那种环境中存活的原因。”天体生物学者听到这番话会特别激动,因为正如其名,嗜极生物生活在地球上大多数其他生命都觉得有害的恶劣环境中。所以,或许生物塑料正是我们应该寻找的那种分子。

这种观点提出了一种可能性:对于正在寻找的生物特征,以及为了寻找生物特征所观测的地方,迄今为止我们的思维可能太狭隘了。

当研究人员利用詹姆斯·韦布空间望远镜持续探索附近的系外行星时,我们可能遇到非常大的惊喜。下一次美国国家航空航天局和欧洲航天局对着一条波浪线大做文章时,可能是因为我们已经回答了一个重大而又古老的问题:宇宙中只有我们吗?

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