发现外星生命总共分几步?

作者: Elise Cutts

来源: 中科院物理所

发布日期: 2023-10-10 12:53:55

本文探讨了如何通过詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)探测系外行星的大气层来寻找外星生命的迹象。文章详细介绍了探测生物特征的挑战,包括如何区分由生命产生的气体和非生命过程产生的气体,以及如何通过观测系外行星的大气层变化来确认生物特征。此外,文章还强调了理解无生命行星的化学和地质过程对于寻找外星生命的重要性。

在今年6月份,天文学家失望地发现:詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope,JWST)未能在岩石星球TRAPPIST-1C周围发现厚厚的大气层。TRAPPIST-1C是一颗位于TRAPPIST-1星系的系外行星,TRAPPIST-1星系是最有可能寻找到外星生命的星系。在此之前,TRAPPIST-1系统中的另一颗行星TRAPPIST-1B也被发现有着类似的情况。

这个拥有暗淡的红色恒星的系统有着七个岩石行星,其中几个位于宜居带。宜居带指的是一颗恒星周围的一定距离范围,在这个距离范围内它们的表面可能存在液态水,其他世界的生命可能会在此繁衍生息。

如果说一个星球存在生命,那么我们需要什么工具来验证它,这是一个困扰了天文学家许久的问题。如果生命存在,需要什么来发现它并不是一个新问题。但是多亏了詹姆斯韦伯太空望远镜,这些问题终于能够得到解决。

在接下来的几年里,JWST能够探测在遥远星系中几颗可能孕育有生命的星球的大气层。而隐藏在这些星球的大气层中的化学信号有可能是太阳系以外生命的最初迹象。而这又带来了另一个问题:检验到什么样的化学信号才能说明外星生命存在。

为了探测到这样一个生物特征,科学家们必须找到一个巧妙的方法来处理他们收集到的有限的系外行星的信息。

即使是包括JWST在内的最强大的望远镜,也几乎从未真正“看到”过系外行星——总的来说,天文学家只能通过星体的闪烁来了解这些遥远的世界。天文学家不直接观测行星,而是将望远镜对准恒星,等待行星“凌日”,也就是等待它们从它们的恒星和望远镜之间穿过。当行星凌日时,一些恒星发出的光会穿过其大气层,并根据大气层中的化学物质,以特定的波长的变化来使恒星变暗。

由此产生的恒星亮度的波峰和波谷就像是凌日行星的化学条形码。

也许在这些像条形码一样的行星光谱信号中收集生物存在信息的最直接方法是,探测这些信号中是否存在由生命产生的气体的化学信号。有一段时间,科学家们认为地球上因光合作用丰富的氧气是一种独特的生物特征。但氧气也可能产生于其他过程,例如太阳光可以分解地球大气中的水。这个问题对于其他气体来说同样存在,生物产生的大多数气体在没有生命的情况下也会产生。

因此,如今的科学家倾向于结合具体情况来综合考虑这些气体,而不是将单一气体视为生物特征。

为了减少这种不确定性,科学家们需要能够准确排除任何潜在生物特征的非生命解释。这需要对外星地质和大气化学有透彻的了解。因此,一些科学家认为,相比于关注行星是否适合居住,研究明显没有生命的行星将有助于我们寻找外星生命。德国马克斯·普朗克天文学研究所的劳拉·克雷德伯格(Laura Kreidberg)说:“我认为在我们开始提出宜居性问题之前,我们需要首先了解行星的许多非常基本的东西。”

如果我们能观测到足够多的岩质系外行星,“我们就能更深入地了解生物特征的含义,”华兹华斯说。“系外行星带给我们的一非常强大的东西就是统计数据。”科学家们于1992年首次证实系外行星的存在,自此之后,发现的系外行星越来越多。“生物特征”这个词可能会让人们认为它对应一种直接且确凿的证据。但是,克里桑森-托顿说,“系外行星生命的发现需要的是证据的逐步积累”。

随着证据的不断积累,科学家们可以开始以更加严格的方式检验他们关于岩质行星的假设,或许还可以重新评估这些假设。

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