□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

行星照中覓生命

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻譯 程思淼

由于有植被覆蓋，地球上的大部分陸地從太空看去呈現(xiàn)綠色。但如果通過近紅外波段（比紅光波長稍長）觀察地球，就會看到一幅不同的景象。由于植物對近紅外光的反射率比對綠光要高得多，植被區(qū)在近紅外波段下比沙漠甚至冰蓋還要明亮得多。只要望遠(yuǎn)鏡的威力足夠強大，能夠分辨單個行星，那么天文學(xué)家也可以利用這一現(xiàn)象在近紅外波段尋找生命的痕跡。圖片來源：美國宇航局/約翰·霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室/華盛頓卡內(nèi)基科學(xué)研究所。

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大學(xué)科維理天文與天體物理研究所（KIAA）百人計劃學(xué)者。

行星照：探索地外生命的鑰匙

月上中秋節(jié)，瑩瑩如寶鑒。皓夜茫無邊，五星亦可見。無論是皎潔的滿月還是明亮的行星，它們自身都并不發(fā)光，我們之所以能夠看見它們，是因為它們反射了來自太陽的光——確切地說，是反射了太陽光中的一部分。

火星主要反射紅色的光，而月球反射的光呈現(xiàn)白色。由此我們可知，兩個天體表面的物質(zhì)并不相同。對于我們看見的行星、衛(wèi)星及其光環(huán)反射來自太陽的光的這種現(xiàn)象，天文學(xué)家稱之為“行星照”。

一顆行星或衛(wèi)星對不同顏色光的反射強度，向我們間接提供了它的表面和大氣成分的相關(guān)信息。仔細(xì)分析它的反射光譜，我們就能確定其大氣的化學(xué)組成，因為每一種氣體分子（如氧氣、二氧化碳等）都會在光譜中留下自己特別的痕跡。有些大氣成分，比如氧氣，對我們所知道的生命來說是必需的。通過研究系外行星反射其母恒星光的光譜，也許有朝一日，我們將會發(fā)現(xiàn)這些“生命分子”也存在于系外行星的大氣中。不僅如此，行星照也為人類探索宇宙中的其他生命形式打開了大門。

圖中，月亮的一部分被太陽照亮，另一部分則處在陰影里。但是，我們卻常常能用肉眼看到這個“陰影”。這部分其實是被地球表面（海洋、沙漠、森林、冰蓋、云層等）反射的陽光照亮的。從理論上來說，通過比較明暗兩部分的光譜，我們就能夠得到地球大氣的性質(zhì)。不過，實踐表明這是相當(dāng)困難的。圖片來源：Bob King。

行星照的性質(zhì)

我們觀測到的來自一顆遙遠(yuǎn)行星的光（這里指廣義的“光”，即電磁輻射，包括可見光、紅外線等），實際上是由來源不同的四種成分混合而成的：

1.來自行星的可見光主要是其反射母恒星的光。而到達我們望遠(yuǎn)鏡的反射光量，取決于行星與其母恒星之間的距離、行星被照亮部分的比例以及行星表面的反照率。

行星被照亮部分的比例取決于母恒星照射行星的角度。月亮相位的變化就是一個典型的例子：新月相位時我們只能看到月亮黑暗的一面；反之，在滿月相位時，月亮被我們看到的這一面就全都是亮的。

反照率取決于行星表面的物質(zhì)成分，其定義為“反射光照度與照射光照度之比，數(shù)值在0（完全不反射）到1（全部反射）之間”。觀測和研究行星光的這部分是比較容易的。行星的表面和大氣情況會對電磁波（光）產(chǎn)生影響，使反射光的顏色、光譜性質(zhì)與入射的恒星光有所不同（比如白色的陽光經(jīng)火星反射后變成了紅色）。通過比較兩種光譜，我們可以對行星表面和其大氣化學(xué)組成有所了解。

通過行星的光譜我們能夠了解其大氣成分的重要信息。地球與兩個鄰居——金星和火星——光譜的主要區(qū)別在于水蒸氣和臭氧的吸收線。由于臭氧只能存在于富含氧氣的大氣中，所以這張光譜圖是地球上存在生命的明顯線索！

注：“行星照”（planetshine），狹義指行星反射的太陽光照亮衛(wèi)星黑暗面的現(xiàn)象，比如月亮的“地照”。但本文中除“地照”外，涉及的“行星照”均取廣義解，不僅包括行星反射的光，還有我們觀測到的來自行星的一切輻射。

2.除了反射，所有的行星自身也都發(fā)出紅外輻射，又稱熱輻射。在紅外波段觀測到的行星輻射，幾乎全部都是這種黑體輻射（熱輻射的一種理想形式，即不反射、不透射的物體發(fā)出的熱輻射）。

宇宙中的每個天體都會發(fā)出由自身所具有的溫度產(chǎn)生的輻射，其輻射的強度和主要成分取決于溫度的高低：恒星表面十分熾熱，熱輻射主要集中在可見光；而行星則要冷得多，因而熱輻射主要是紅外線。同時，無大氣的行星（如水星）晝半球和夜半球溫差很大，而大氣層較厚的行星（如地球）全球溫度則基本保持恒定。對于有大氣的行星，其大氣成分對發(fā)出的紅外輻射的性質(zhì)也有很大影響，因為諸如二氧化碳、水蒸氣和臭氧等都會吸收特定波長的紅外線，阻礙地表輻射的紅外線逃逸到太空中去。在地球上，吸收地表輻射紅外線的主要是二氧化碳、甲烷和水蒸氣。大氣因吸收了這部分紅外線而被加熱，這一過程稱為“溫室效應(yīng)”。借助人造衛(wèi)星在太空中進行觀測，能夠清楚地看到哪些波段的紅外線被地球大氣吸收了。

3.行星上的一些自然現(xiàn)象，也會發(fā)出在太空中可以觀測到的光，比如閃電、極光等。這些現(xiàn)象只會出現(xiàn)在擁有大氣的行星上，而且在大部分已知擁有大氣的行星上也都確實出現(xiàn)過。另外，當(dāng)小行星或彗星與行星相撞時，也有可能觀測到非常短暫的閃光。由于這些現(xiàn)象太過暗弱，持續(xù)時間又非常短暫，所以要在太陽系以外的行星上觀測到這些現(xiàn)象，似乎還有很長一段路要走。

來自地球的輻射主要包括反射的太陽光（主要在可見光波段）和地球自身的熱輻射（主要在紅外波段）。一些自然現(xiàn)象也伴隨著發(fā)光，如極光（主要呈綠色）、火山和流星體或小行星的撞擊。另外，一些生物本身也會發(fā)光，而高度發(fā)展的文明體在夜晚制造的照明以及用于交流的無線電也可以在太空被探測到。圖片來源：歐洲空間局。

4.在來自行星的光中，或許最有趣的就是那些由生命產(chǎn)生的了。就地球來說，夜晚的人造光污染在太空中可以看得清清楚楚，而由衛(wèi)星、手機、電視/無線電發(fā)射塔等等發(fā)出的無線電波，甚至可以在距地球數(shù)光年之外的地方探測到。除此之外，地球發(fā)出的光線當(dāng)中，還有一小部分來自能夠發(fā)光的生物，如螢火蟲和熒光藻類。在地球上，由生命體產(chǎn)生的光線微乎其微，但系外行星上的情況是否也是如此，我們還不能斷言。

除了行星表面反射和發(fā)射的光，我們有時還可以觀測到穿過行星大氣的光。比如當(dāng)一顆系外行星運行到母恒星和觀測者之間，發(fā)生“凌星”（又稱行星掩星）的時候。此時，行星本身遮住了一部分恒星發(fā)出的光，但在行星的邊緣，會有很小一部分的恒星光穿過行星薄薄的大氣層，最后進入我們的望遠(yuǎn)鏡。行星大氣中的每種成分都會吸收某些特定波長的光，仔細(xì)分析這些穿過行星大氣的光，就能確定行星的某些性質(zhì)。

凌星現(xiàn)象在太陽系中也會發(fā)生，即內(nèi)行星運行到太陽前面，比如金星凌日、水星凌日。凌星發(fā)生時，恒星的總亮度被削弱。而凌星的發(fā)生是有規(guī)律的，因此，如果觀測一個軌道傾角合適的系外行星系統(tǒng)，我們就會發(fā)現(xiàn)它的亮度呈周期性的、短暫的下降。這種“凌星法”是現(xiàn)在尋找系外行星的主要方法之一。

目前，要觀測穿過系外行星大氣層的光線，最主要的困難在于，行星的直徑太小，凌星時只能遮住恒星圓面的很小一部分，而行星大氣層與行星直徑相比又要小得多，因此幾乎不可能探測到混合在大量恒星光中的微量“行星大氣光”。為了從背景中分離出這個微弱的信號，天文學(xué)家想出了一個聰明的辦法：他們在“凌星”時拍攝一條光譜，然后在行星被恒星擋在后面（即“恒星光”中不混有“行星照”）時也拍攝一條光譜，將兩者進行比較，于是兩條光譜之差就是我們所需要的行星光譜。雖然這個方法并非完美，但它卻是證認(rèn)系外行星大氣光譜為數(shù)不多的可行方法之一。目前，天文學(xué)家已經(jīng)用這種方法，發(fā)現(xiàn)了一些系外行星大氣中某些特定的原子和分子存在的證據(jù)。

歐洲空間局的“達爾文”計劃與美國宇航局的“類地行星搜索者”計劃致力于對系外行星進行直接成像，并獲取其光譜。這些項目旨在直接或間接地發(fā)現(xiàn)生命的證據(jù)。遺憾的是，由于兩個機構(gòu)在削減預(yù)算，目前兩個項目都處于停滯狀態(tài)。圖片來源：美國宇航局。

系外行星的成像與分光觀測

在不遠(yuǎn)的將來，利用目前正在策劃中的太空項目，如歐洲空間局的“達爾文”（Darwin）和美國宇航局的“類地行星搜索者”（Terrestrial Planet Finder），我們或許能夠第一次對太陽系外的類地行星直接成像。不過，雖然它們將是那時世界上最銳利的圖像，但僅僅根據(jù)它們大概也還不能分辨系外行星上陸地和海洋的輪廓。因此，這些太空項目將主要致力于觀測和分析系外行星的光譜。通過光譜，我們將能夠推斷其大氣（如果它們有大氣的話）與表面（如果它們的大氣和云層沒有把表面完全遮?。┑幕瘜W(xué)組成。我們或許還能在上面發(fā)現(xiàn)水蒸氣、二氧化碳、臭氧甚至氧氣。當(dāng)然，這些耗資不菲的太空項目的主要目標(biāo)之一，就是尋找系外行星大氣中生命的證據(jù)。

為了分析系外行星的大氣成分，首先，我們必須要能把來自行星與來自恒星的光分離開來。這在理論上并不困難，但實際做起來卻極為復(fù)雜，因為恒星的光比行星要亮上幾十億倍。另外，這些行星系統(tǒng)離我們十分遙遠(yuǎn)，因此兩個光源會看上去極為接近。直接用望遠(yuǎn)鏡分辨系統(tǒng)中的行星是不可能的，因為它旁邊強烈的恒星光將使接收粒子的探測器飽和溢出，獲得的圖像會變成白茫茫一大片。因此，望遠(yuǎn)鏡上需要裝備能夠遮擋恒星光的設(shè)備。（注：與日冕儀原理類似，相當(dāng)于人造一次日食，以觀測周圍暗弱的日冕。這不是簡單地在探測器上挖一個洞就能夠解決的。）對這樣得到的圖像進行細(xì)致的處理和分析，再加上一點運氣，最終或許能夠得到來自行星的“純凈”光，然后再對光譜進行分析，也許就能對其大氣組成得出些結(jié)論。

“生命的證據(jù)”：我們要找的是什么？

在太空中也能夠辨別地球上的生物。用葉綠素進行光合作用的綠色植物尤其明顯。不過，我們在這里是事先知道了植物是綠色的。如果我們發(fā)現(xiàn)一顆行星上有一個紫色的島呢？這是否可能是生命的痕跡？或者我們也可以研究大氣的性質(zhì)。二氧化碳和甲烷雖然可能來自動物，但如圖中所示，它們也可能由火山噴發(fā)進入大氣。氧氣和臭氧相對要好一些。不過這些物質(zhì)說到底只是與地球上的生命關(guān)系密切，系外行星上的生命也會制造這些物質(zhì)嗎？圖片來源：歐洲空間局。

十分遺憾，我們并不十分清楚自己要找什么，因為我們對地外生命的化學(xué)性質(zhì)還完全不了解。不過，我們對地球上的生命還是有些認(rèn)識的，所以我們至少可以去尋找那些與地球上差不多的生命的證據(jù)。

地球上的大部分二氧化碳和甲烷來源于動物（呼吸、沼氣發(fā)酵等），不過也有少數(shù)來自火山噴發(fā)。由于無機的火山活動也會向大氣中排放這些氣體（比如金星和火星），所以它們并不能作為生命存在的有力證據(jù)。相比之下，氧氣更能揭示生命的存在：它幾乎全部是由綠色植物和藻類產(chǎn)生。氧氣的氧化性很強，與各種物質(zhì)都能發(fā)生反應(yīng)，結(jié)合成新的化合物，如與氫氣結(jié)合成水，與碳結(jié)合成二氧化碳，與金屬結(jié)合成金屬氧化物（如鐵生銹）、與硅結(jié)合成硅酸鹽巖石等。因此，如果我們在一顆行星的大氣中發(fā)現(xiàn)了大量的氧氣，那就說明這顆行星上一定存在著持續(xù)產(chǎn)生大量氧氣的機制。要想做到這點，就我們現(xiàn)在所知，只有行星上具有廣泛的生態(tài)系統(tǒng)才可能。盡管氧氣的存在很難觀測，但它的副產(chǎn)物——臭氧卻可以在很遠(yuǎn)的距離外探測到。如果在系外行星上發(fā)現(xiàn)了臭氧，那將會是上面可能存在生命的重要提示！

行星的顏色也可以提供關(guān)于生命的線索。如果我們看一張在國際空間站上拍攝的地球照片，立刻就會注意到上面大塊的綠色區(qū)域，那就是地表的植被。更確切地說，我們看到的是葉綠素的顏色，正是這種分子在幫助綠色植物利用太陽光的能量。如果一顆系外行星也被這種綠色植被覆蓋，它的云層又不太厚的話，整個行星看上去無疑也會是綠色的。除此之外，地球上的綠色植物還在近紅外波段（波長比紅光稍長一點的電磁波）有極高的反射率，這在太空中可以很清楚地觀測到（見題圖）。在天文生物學(xué)上，地球植被區(qū)的這個特征被稱為“紅邊”（red edge），表現(xiàn)為與裸露的巖石區(qū)相比，有植被的地方在波長略超過人眼紅端（約700納米）的地方反射率急劇上升。未來的太空計劃一定會對這意義非凡的綠色和“紅邊”特征多加注意。地外行星的反射光是否也有此性質(zhì)，我們目前還沒觀測到；不過至少我們知道，綠色植被既然能夠存在于地球上，那么它也應(yīng)該能夠存在于其他的行星上。

系外生命？先在太陽系里試試看！

我們都知道，地球上到處生機勃勃，而金星和火星則是一片死氣沉沉。在已知的系外行星中，我們還沒有在哪一顆上發(fā)現(xiàn)任何與生命有關(guān)的東西。我們對它們的大氣進行細(xì)致的分析，但是我們怎么知道，自己所做的科學(xué)分析就是正確的呢？畢竟，我們還根本不知道外星的生物是什么樣子。地外生命可能與我們所知的地球生命完全不同——如果真是這樣，那么我們甚至連要在光譜中找什么都不知道。

1990年，旅行者1號飛船在60億千米遠(yuǎn)處回望太陽系，地球只是一個暗弱的淡藍色的點。迄今為止，在地照中尋找生命證據(jù)的努力都未能成功。地球尚且如此，在系外行星上尋找生命標(biāo)記物就更加困難了。圖片來源：美國宇航局。

囿于認(rèn)識的局限，也許我們最好還是只在系外行星上尋找那些與地球上相似的生命。通過觀察太陽系中行星的光譜，我們能夠?qū)ψ约核玫姆治鍪侄芜M行有效的測試。只有這樣做，我們才能最大程度地保證，不會把一些并非生命的特征誤認(rèn)作生命的信號（如在火星上發(fā)現(xiàn)了甲烷，然而火星上并沒有生命），或者是發(fā)生相反的情況。如果一切正常，我們應(yīng)該能夠在地球的光譜中發(fā)現(xiàn)生命的特征，而在金星和火星的光譜中則找不到。歷史上的科學(xué)家們就是這樣做的。

地照示意圖。圖片來源：歐南臺。

第一個這樣的實驗是由旅行者1號（Voyage-1）探測器執(zhí)行的。幾十年前，這艘飛船造訪了太陽系中的幾顆氣態(tài)巨行星，現(xiàn)在，它早已跨過冥王星的軌道，飛到太陽系的邊緣區(qū)域了。1990年，旅行者1號從遙遠(yuǎn)的外太陽系拍攝了地球的圖像。在圖像中，地球看上去是一個“淡藍色的點”。不過，旅行者1號上陳舊的探測器并沒有能對來自地球的光進行細(xì)致的分析。2003年，歐洲空間局的火星快車號（Mars Express）重復(fù)了這一工作。借助飛船上更加先進的探測器，也得益于火星離地球較近，火星快車號拍攝了地球的光譜，并且“發(fā)現(xiàn)”了很多與地球上生命有關(guān)的分子在大氣光譜中留下的痕跡。

另一邊，在地球上的科學(xué)家也通過觀測月亮，完成了與上述原理相同的實驗。也許很多讀者曾經(jīng)注意到，在月亮只有一部分被太陽照亮的時候，它沒有被太陽照亮的那一面，其實也并非完全黑暗不可見。這個現(xiàn)象稱為“地照”，因為照亮這部分暗面的不是太陽，而是地球！我們看到的“朦朧”的暗面，實際上是太陽發(fā)出的光經(jīng)過地球表面的反射，再由月亮將其反射進入我們眼睛的結(jié)果。因此，月球“亮面”與“暗面”光譜上的區(qū)別，就為我們提供了地球表面及大氣性質(zhì)的信息。經(jīng)地球反射照到月亮上的那部分陽光，可能是由深藍的太平洋，黃色的撒哈拉沙漠、綠色的巴西熱帶雨林，或者白色的南極冰蓋反射的，因此不同時候的地照，性質(zhì)也會有所不同。

世界各地的天文學(xué)家都試圖在“月之暗面”中發(fā)現(xiàn)這種地球反射的影響，但是結(jié)果并不理想，要說在“月光”中能看出地球上存在生命的證據(jù)，實在是很勉強。就算月亮到我們只有一光秒的距離，就算普通人用肉眼都能看到月亮“暗面”的亮光，科學(xué)家在這里卻怎么也找不到地球上有生命的證據(jù)?？墒堑厍蛏系教幎际巧?！

看來，要在幾十光年遠(yuǎn)的系外行星上發(fā)現(xiàn)生命存在的證據(jù)，我們真的還有很長的路要走……