果壳网:无法星际穿越,天文学家如何确认外星
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发布时间：2024-08-19 17:12
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时间：2024-08-22 14:25
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无法星际穿越，天文学家如何确认外星生命？
在宇宙的其他地方搜寻生命，即将进入一个新的纪元：借助未来技术上更加先进的望远镜，科学家将有机会研究潜在宜居行星的大气。人类还没有找到可行的方案前往这些行星展开近距离研究，但包围在这些行星周围的化学混合物，或许能够揭示生命的存在。
没有任何一种单一成分能够成为外星生命存在的“确凿证据”；没有任何一种大气混合物能够明确宣称，“这里有东西活着！”（至少，科学家知道的还没有。）在遥远的距离上搜寻生命存在的证据，需要承担一个沉重的负担：任何看起来像是生命的迹象，实际上都有可能是某些精巧到连科学家都没有想到的非生物过程产生的。
因此，除了考虑外星行星上的生命看起来会是什么样子以外，科学家还必须考虑到各种可能产生同样标记的非生物过程。现在，科学家正绞尽脑汁，想出可能产生这些“误报”的实例。只有这样，当观测数据真正开始出现的时候，我们才不至于会一步踏错。因为，比在宇宙的其他地方找不到生命更糟糕的唯一一件事情，或许就是我们以为自己找到了，然后又发现其实并没有。
氧气和生命
科学家还在继续搜寻潜在的宜居星球。理想情况下，他们期望寻找看起来很像地球的行星：由岩石构成，差不多同样大小，绕着一颗类似于太阳的恒星旋转，表面温度不热不冷允许水以液态形式存在。（到目前为止，还没有一颗行星符合这些要求，不过有一颗还挺有希望的。）然而，如果科学家有机会一窥这样一颗行星的大气，甚至模模糊糊能够看到它的表面，这些科学家又该如何断定，这颗行星是宜居的，甚至已经有生命存在呢？
正是这个问题，推动了虚拟行星实验室（VPL）的成立。这是一个多学科、多方向的研究团体，由来自20家不同研究机构的50名研究者构成。美国华盛顿大学天文学教授维多利亚·梅多斯（Victoria Meadows）是VPL的首席科学家。
“关于行星上的自然过程，我们真正了解多少？我们能够在行星尺度上，将它们与生物过程区分开来吗？”梅多斯说，“这是一个挑战，是人类面临的最大挑战之一。能够进行这样的观测是一回事，能够理解这些观测告诉我们的是什么，则是另一回事。”
“我认为这才是VPL的哲学：我们必须预先做一些科学研究，尽最大努力找出我们该去搜寻什么样的迹象，必须要做怎样的测量，而最重要的是，我们会被哪些信号如何欺骗？”
许多年来，人们一直认为氧气是在其他行星上寻找生命的关键。地球的大气层含有大量氧气，几乎完全由生物产生。因此，氧气也被当成是所谓的“生物标记”（biosignature）。植物当然会呼出氧气，不过科学家认为，大部分氧气来自于某些特定种类的细菌，它们在地球上已经生活了至少20亿年。
梅多斯说，“氧气很久以前就被推上了宝座，被当成是最确凿的生物标记。”
然而，过去5、6年里，梅多斯和其他在VPL工作的科学家已经提出了4种不同的方法，能够在一颗潜在宜居的行星上，通过与生物完全无关的过程，在大气层里累积出可观的氧气。
我们曾以为自己掌握了完美的生物标记，“而现在，我们必须要更加小心谨慎一点。”梅多斯说，通过研究这些误报，科学家能够弄清楚，需要哪些信息才能够排除误报。
举例来说，非常热的行星或许会有氧气存在于它们的大气之中，这是阳光将水分子拆分成氢和氧而形成的。因此，在行星大气中检测出大量水蒸气，是辨别出氧气这种来源过程的一个好办法。
梅多斯说，“研究这些误报让我们知道，想要减少误报，就必须选择这一类目标，而不能只选择这一种，还必须寻找氧气以外的类似气体。”
艺术家画笔下的开普勒452b，这是最新发现的一颗有可能非常类似于地球的太阳系外行星。随着科学家采集到更多有关太阳系外行星的信息，他们必须学会如何解释他们的发现。
尽管氧气本身不能直接指示生命存在，氧气和甲烷放在一起，却有可能行得通。在地球的大气中，这些气体主要都由生命产生。除此之外，这些气体还倾向于消灭对方，因此必须有什么东西定期补充才行。
“这就好比大学生和比萨饼，”VPL成员、NASA戈达德航天飞行中心研究员肖恩·多玛格尔－戈尔德曼（Shawn Domagal-Goldman）说，“如果在同一个房间里同时看见大学生和比萨饼，你就会知道，附近一定有比萨饼外卖车，或者有一家比萨店。因为大学生总是会非常迅速地消耗掉比萨饼。这些生物标记也是一样：最快的产生渠道就是生物。”
多玛格尔－戈尔德曼说，他还没有找到任何有说服力的误报，能够解释大气中既有氧气又有甲烷的情况，至少解释不了浓度高到在星际距离上都能检测出来的情况。“所以现在，这是我们远距离检测生命最强有力的生物标记，至少对下一代望远镜来说确实如此。”
尽管增加了复杂的误报情形，但在一颗潜在宜居行星的大气中找到氧气，对于科学家来说，仍然算得上是一件梦想成真的事情。氧气是地球上已知的生命产生出来的数十万不同的化学物质中被研究得最为透彻的生物标记。（生命产生的绝大多数其他化学物质数量都较少，不可能在星际距离上被检测出来。）
“如果检测到氧气，我们肯定会手舞足蹈，而且我们知道接下来应该要做什么，”美国麻省理工学院的行星科学及物理学教授莎拉·西格（Sara Seager）说。“［找到了氧气］我们知道接下来该怎么做。我们知道可能会有哪些误报，我们会重点研究这些情况。如果有了所需的望远镜，我们能够做更多的观测。我们将做好所有的准备。”
不过，考虑到其他行星上的生命可能产生与地球上的生命形式完全不同的化学平衡，做出如此直观发现的可能性似乎不会太高。
“问题在于，我们不能预先给出任何保证。我是说，我们必须观测行星，看看那里有些什么，”西格说，“有些事情会变得非常显而易见，而大多数事情完全不会如此。所以，问题不在于我们知道什么，更多地是在于我们的运气会有多好。”
未来的望远镜
在全职研究行星及其大气数年之后，多玛格尔－戈尔德曼入职了美国航空航天局（NASA），开始花一部分时间在科学界和设计制造望远镜的人们之间担任联络。科学界对于要在太阳系外行星大气中寻找什么有了更好的理解之后，他把那些愿望清单转交给工程师，工程师研究之后再告诉他，哪些才是技术和资金上有可能做到的。
他正在参与的一个项目，是提议要在“宽场红外巡天望远镜”（WFIRST）上添加一个被称为“遮星伞”（starshade）的装置。这台望远镜将用来研究太阳系外行星和暗能量。遮星伞将遮挡一颗遥远恒星的星光，使望远镜能够更容易看到行星反射的星光。（这就好比用一顶帽子遮挡住阳光，我们就更容易看清地面上的物体。）WFIRST望远镜预计在21世纪20年代中前期发射升空。
宽场红外巡天望远镜上可能会安装一台遮星伞，以便更容易地看见太阳系外行星反射的星光。图片来源：pepinieres-paysdaix.com
韦布空间望远镜（JWST），被称为哈勃望远镜的继认者，预计2018年发射升空，也将提供关于太阳系外行星的全新信息。凌星外星行星巡天卫星（TESS）则会接下开普勒空间望远镜的班，在宇宙中找到成千上万颗新的太阳系外行星。
这些望远镜没有一台是专业打造用来观测太阳系外行星大气的，虽然科学家说，它们中的每一台都有可能提供少数潜在宜居外星行星的大气数据。（为了让这些望远镜能够进行大气测量，行星和恒星必须要以正确地方式连成一线，因此很难说它们能够采集到多少样本。）因此，科学界早就期望拥有这样一台望远镜，能够采集至少数十颗潜在宜居行星的大气数据了。
目前被称为“高清空间望远镜”（HDST）的空间天文台，将有能力拍摄超清晰的太空图片，分辨率达到哈勃望远镜的25倍。最近一份关于这台新望远镜的报告承诺，它将研究数十颗在液态水可以存在的距离上环绕恒星旋转的岩石行星的大气。按照暂定的时间流程，这台望远镜可能在21世纪30年代发射升空。
“有了JWST和TESS，我们肯定有机会发现一些东西，但注定会十分艰难，”西格说，“只有HDST能给这个问题下一个定论。”
研究团队表示，完成HDST观测目标所需的技术是可以达成的，但目前仍在开发之中。检测一颗太阳系外行星的大气极其困难，也非常费钱，而且这些数据也可能太过复杂，无法让科学家对行星上是否存在生命给出任何确定的答案。但是除非星际旅行成为现实，或者某个外行智慧文明主动现身，研究太阳系外行星的大气可能是人类在我们的太阳系外找到生命存在的唯一机会。
“所以，我们才在做这件事。我是说，我们每天都在为此而奋斗。每一天，我都以这样或者那样的方式在为TESS出力。” 西格说，“我们这么做，只是因为我们相信，机会是有的。”
作者：Calla Cofield
来源：果壳
链接：https://www.guokr.com/article/440581/
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时间：2024-08-22 15:40
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时间：2024-08-22 15:35
无法星际穿越，天文学家如何确认外星生命？
在宇宙的其他地方搜寻生命，即将进入一个新的纪元：借助未来技术上更加先进的望远镜，科学家将有机会研究潜在宜居行星的大气。人类还没有找到可行的方案前往这些行星展开近距离研究，但包围在这些行星周围的化学混合物，或许能够揭示生命的存在。
没有任何一种单一成分能够成为外星生命存在的“确凿证据”；没有任何一种大气混合物能够明确宣称，“这里有东西活着！”（至少，科学家知道的还没有。）在遥远的距离上搜寻生命存在的证据，需要承担一个沉重的负担：任何看起来像是生命的迹象，实际上都有可能是某些精巧到连科学家都没有想到的非生物过程产生的。
因此，除了考虑外星行星上的生命看起来会是什么样子以外，科学家还必须考虑到各种可能产生同样标记的非生物过程。现在，科学家正绞尽脑汁，想出可能产生这些“误报”的实例。只有这样，当观测数据真正开始出现的时候，我们才不至于会一步踏错。因为，比在宇宙的其他地方找不到生命更糟糕的唯一一件事情，或许就是我们以为自己找到了，然后又发现其实并没有。
氧气和生命
科学家还在继续搜寻潜在的宜居星球。理想情况下，他们期望寻找看起来很像地球的行星：由岩石构成，差不多同样大小，绕着一颗类似于太阳的恒星旋转，表面温度不热不冷允许水以液态形式存在。（到目前为止，还没有一颗行星符合这些要求，不过有一颗还挺有希望的。）然而，如果科学家有机会一窥这样一颗行星的大气，甚至模模糊糊能够看到它的表面，这些科学家又该如何断定，这颗行星是宜居的，甚至已经有生命存在呢？
正是这个问题，推动了虚拟行星实验室（VPL）的成立。这是一个多学科、多方向的研究团体，由来自20家不同研究机构的50名研究者构成。美国华盛顿大学天文学教授维多利亚·梅多斯（Victoria Meadows）是VPL的首席科学家。
“关于行星上的自然过程，我们真正了解多少？我们能够在行星尺度上，将它们与生物过程区分开来吗？”梅多斯说，“这是一个挑战，是人类面临的最大挑战之一。能够进行这样的观测是一回事，能够理解这些观测告诉我们的是什么，则是另一回事。”
“我认为这才是VPL的哲学：我们必须预先做一些科学研究，尽最大努力找出我们该去搜寻什么样的迹象，必须要做怎样的测量，而最重要的是，我们会被哪些信号如何欺骗？”
许多年来，人们一直认为氧气是在其他行星上寻找生命的关键。地球的大气层含有大量氧气，几乎完全由生物产生。因此，氧气也被当成是所谓的“生物标记”（biosignature）。植物当然会呼出氧气，不过科学家认为，大部分氧气来自于某些特定种类的细菌，它们在地球上已经生活了至少20亿年。
梅多斯说，“氧气很久以前就被推上了宝座，被当成是最确凿的生物标记。”
然而，过去5、6年里，梅多斯和其他在VPL工作的科学家已经提出了4种不同的方法，能够在一颗潜在宜居的行星上，通过与生物完全无关的过程，在大气层里累积出可观的氧气。
我们曾以为自己掌握了完美的生物标记，“而现在，我们必须要更加小心谨慎一点。”梅多斯说，通过研究这些误报，科学家能够弄清楚，需要哪些信息才能够排除误报。
举例来说，非常热的行星或许会有氧气存在于它们的大气之中，这是阳光将水分子拆分成氢和氧而形成的。因此，在行星大气中检测出大量水蒸气，是辨别出氧气这种来源过程的一个好办法。
梅多斯说，“研究这些误报让我们知道，想要减少误报，就必须选择这一类目标，而不能只选择这一种，还必须寻找氧气以外的类似气体。”
艺术家画笔下的开普勒452b，这是最新发现的一颗有可能非常类似于地球的太阳系外行星。随着科学家采集到更多有关太阳系外行星的信息，他们必须学会如何解释他们的发现。
尽管氧气本身不能直接指示生命存在，氧气和甲烷放在一起，却有可能行得通。在地球的大气中，这些气体主要都由生命产生。除此之外，这些气体还倾向于消灭对方，因此必须有什么东西定期补充才行。
“这就好比大学生和比萨饼，”VPL成员、NASA戈达德航天飞行中心研究员肖恩·多玛格尔－戈尔德曼（Shawn Domagal-Goldman）说，“如果在同一个房间里同时看见大学生和比萨饼，你就会知道，附近一定有比萨饼外卖车，或者有一家比萨店。因为大学生总是会非常迅速地消耗掉比萨饼。这些生物标记也是一样：最快的产生渠道就是生物。”
多玛格尔－戈尔德曼说，他还没有找到任何有说服力的误报，能够解释大气中既有氧气又有甲烷的情况，至少解释不了浓度高到在星际距离上都能检测出来的情况。“所以现在，这是我们远距离检测生命最强有力的生物标记，至少对下一代望远镜来说确实如此。”
尽管增加了复杂的误报情形，但在一颗潜在宜居行星的大气中找到氧气，对于科学家来说，仍然算得上是一件梦想成真的事情。氧气是地球上已知的生命产生出来的数十万不同的化学物质中被研究得最为透彻的生物标记。（生命产生的绝大多数其他化学物质数量都较少，不可能在星际距离上被检测出来。）
“如果检测到氧气，我们肯定会手舞足蹈，而且我们知道接下来应该要做什么，”美国麻省理工学院的行星科学及物理学教授莎拉·西格（Sara Seager）说。“［找到了氧气］我们知道接下来该怎么做。我们知道可能会有哪些误报，我们会重点研究这些情况。如果有了所需的望远镜，我们能够做更多的观测。我们将做好所有的准备。”
不过，考虑到其他行星上的生命可能产生与地球上的生命形式完全不同的化学平衡，做出如此直观发现的可能性似乎不会太高。
“问题在于，我们不能预先给出任何保证。我是说，我们必须观测行星，看看那里有些什么，”西格说，“有些事情会变得非常显而易见，而大多数事情完全不会如此。所以，问题不在于我们知道什么，更多地是在于我们的运气会有多好。”
未来的望远镜
在全职研究行星及其大气数年之后，多玛格尔－戈尔德曼入职了美国航空航天局（NASA），开始花一部分时间在科学界和设计制造望远镜的人们之间担任联络。科学界对于要在太阳系外行星大气中寻找什么有了更好的理解之后，他把那些愿望清单转交给工程师，工程师研究之后再告诉他，哪些才是技术和资金上有可能做到的。
他正在参与的一个项目，是提议要在“宽场红外巡天望远镜”（WFIRST）上添加一个被称为“遮星伞”（starshade）的装置。这台望远镜将用来研究太阳系外行星和暗能量。遮星伞将遮挡一颗遥远恒星的星光，使望远镜能够更容易看到行星反射的星光。（这就好比用一顶帽子遮挡住阳光，我们就更容易看清地面上的物体。）WFIRST望远镜预计在21世纪20年代中前期发射升空。
宽场红外巡天望远镜上可能会安装一台遮星伞，以便更容易地看见太阳系外行星反射的星光。图片来源：pepinieres-paysdaix.com
韦布空间望远镜（JWST），被称为哈勃望远镜的继认者，预计2018年发射升空，也将提供关于太阳系外行星的全新信息。凌星外星行星巡天卫星（TESS）则会接下开普勒空间望远镜的班，在宇宙中找到成千上万颗新的太阳系外行星。
这些望远镜没有一台是专业打造用来观测太阳系外行星大气的，虽然科学家说，它们中的每一台都有可能提供少数潜在宜居外星行星的大气数据。（为了让这些望远镜能够进行大气测量，行星和恒星必须要以正确地方式连成一线，因此很难说它们能够采集到多少样本。）因此，科学界早就期望拥有这样一台望远镜，能够采集至少数十颗潜在宜居行星的大气数据了。
目前被称为“高清空间望远镜”（HDST）的空间天文台，将有能力拍摄超清晰的太空图片，分辨率达到哈勃望远镜的25倍。最近一份关于这台新望远镜的报告承诺，它将研究数十颗在液态水可以存在的距离上环绕恒星旋转的岩石行星的大气。按照暂定的时间流程，这台望远镜可能在21世纪30年代发射升空。
“有了JWST和TESS，我们肯定有机会发现一些东西，但注定会十分艰难，”西格说，“只有HDST能给这个问题下一个定论。”
研究团队表示，完成HDST观测目标所需的技术是可以达成的，但目前仍在开发之中。检测一颗太阳系外行星的大气极其困难，也非常费钱，而且这些数据也可能太过复杂，无法让科学家对行星上是否存在生命给出任何确定的答案。但是除非星际旅行成为现实，或者某个外行智慧文明主动现身，研究太阳系外行星的大气可能是人类在我们的太阳系外找到生命存在的唯一机会。
“所以，我们才在做这件事。我是说，我们每天都在为此而奋斗。每一天，我都以这样或者那样的方式在为TESS出力。” 西格说，“我们这么做，只是因为我们相信，机会是有的。”
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来源：果壳
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