通過跨學(xué)科的方法尋找Looking for地外生命

田也

當(dāng)前，尋找地外生命正在經(jīng)歷一場創(chuàng)新的浪潮。對系外行星的發(fā)掘經(jīng)歷了過去20年的黃金時代，現(xiàn)在是時候開始確定下一步計劃了：確定哪些已知系外行星可能具備生命存在的條件。

2017年12月13日，在路易斯安那州新奧爾良舉辦的美國地球物理學(xué)聯(lián)盟秋季會議上，來自美國航空航天局和兩所大學(xué)的科學(xué)家向大家展示了跨越天體物理學(xué)、地球科學(xué)、太陽物理學(xué)和行星科學(xué)的最新研究成果，證明了在尋找地外生命的過程中跨學(xué)科研究方法的重要性。

美國航空航天局戈達(dá)德太空飛行中心的天體生物學(xué)家吉亞達(dá)·阿尼說：“宇宙中潛在的宜居天體越來越多。目前，我們知道的系外行星數(shù)以千計，但因為無法直接觀測到它們，所以對它們的了解還非常有限?！?img alt="" src="https://cimg.fx361.com/images/2018/02/09/fdts201801fdts20180113-1-l.jpg" style="">

目前，科學(xué)家主要通過間接方法識別和研究系外行星，這些方法可以告訴他們觀測對象是否為類地行星，或者與其母恒星的距離。但如果科學(xué)家要確定該行星是否宜居，或者是否適合生命生存，僅靠那些信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，科學(xué)家必須直接觀測系外行星本身才行。

“直接成像儀器和任務(wù)的設(shè)計正在進行中，”阿尼解釋說，“同時，我們已經(jīng)通過手頭現(xiàn)有的工具進行研究并取得了相當(dāng)進展?！彼麄冋诮㈦娔X模型來模擬宜居行星可能的樣子，以及它們與母恒星之間的相互作用。為了驗證他們的模型，科學(xué)家將目光投向太陽系的行星，以此作為類比，與將來可能會發(fā)現(xiàn)的系外行星進行比較。當(dāng)然，也包括地球本身，畢竟這是我們最為了解的星球，也是目前所知唯一的宜居星球。

阿尼說：“在我們探尋其他世界的生命時，整體意識對科學(xué)家來說非常重要。也就是說，要從多學(xué)科的角度來進行思考。我們需要多學(xué)科的研究，將系外行星看作是由多次天體物理、行星和恒星活動過程所形成的復(fù)雜世界，而不僅僅是天空中一個遙遠(yuǎn)的點?！?h3> 將地球視為系外行星進行研究

人類首次收集到的系外行星的直接影像看起來只是一些模糊的像素而已，即使距離我們最近的影像也不例外。從像素不高的幾張照片中，人們?nèi)绾文芰私庖活w行星上的生命信息？

加州大學(xué)河濱分校系外行星專家斯蒂芬·凱恩利用美國航空航天局設(shè)在國家海洋和大氣管理局的深空氣候觀測臺（DSCOVR）上的地球多色成像相機，提出了一種解決問題的方法。凱恩解釋說，他和同事采用了DSCOVR的高分辨率圖像（通常用于記錄地球的全球氣候模式和其他與氣候有關(guān)的事件），并將其降解為幾個像素的圖像，再通過噪聲濾波器，試圖模擬系外行星任務(wù)中可能出現(xiàn)的干擾。

凱恩說：“我們從少數(shù)幾個像素中提取盡可能多的地球信息。如果我們能夠?qū)Φ厍驕?zhǔn)確地做到這一點，那么我們也可以對其他恒星周圍的行星做到這一點。

DSCOVR每隔半小時拍攝一張照片，已經(jīng)連續(xù)拍攝兩年了。它拍攝的3萬多張照片是現(xiàn)存連續(xù)拍攝時間最長的系列地球全景照片。通過觀測地球表面陸地與海洋交替時的光線變化，凱恩可以逆向推算出地球的反照率、黃赤交角、旋轉(zhuǎn)速度，甚至季節(jié)變化。這些數(shù)據(jù)無法通過直接測量系外行星而獲得，但對一顆星球的生命具有至關(guān)重要的作用。

尋找“金星”們

與科學(xué)家將地球作為宜居星球進行研究的方法相同，他們還將研究對象擴大到太陽系的其他行星，尤其是那些他們比較熟悉的行星，以此作為反面案例，研究該行星為何不適合居住。

凱恩也研究了地球的姊妹星——金星。金星地表溫度高達(dá)480℃，大氣層中有硫酸形成的不透明的云，氣壓為90個大氣壓。作為距離如此之近的兩個鄰居，地球和金星卻有著如此截然不同的生命環(huán)境。凱恩對此非常感興趣，想在其他星系尋找類“地球—金星”版本，以此作為識別潛在的宜居行星的方法。

凱恩解釋說，他通過界定“金星區(qū)”，試圖從美國航空航天局的開普勒數(shù)據(jù)庫中找出那些與金星相似的星球。這一區(qū)域里的行星日射能量（即某一特定行星從其母恒星那里獲得的光照數(shù)量）對大氣腐蝕及溫室氣體循環(huán)起到關(guān)鍵作用。

“地球和金星的命運與其大氣層息息相關(guān)?！?凱恩說，“我們試圖通過尋找相似的行星來了解它們的演變過程，希望能弄明白一顆發(fā)展中的行星有多大可能一步步走向金星式的地獄景象?！?h3> 模擬恒星與行星之間的相互作用

與此同時，戈達(dá)德太空飛行中心科學(xué)家凱瑟琳·加西亞·塞奇則專注于研究行星與母恒星之間的相互作用?？茖W(xué)家必須同時考慮母恒星的質(zhì)量和行星的電磁環(huán)境（可以為行星遮擋來自恒星的有害輻射）是如何阻礙或幫助建立宜居環(huán)境的。比如，地球磁場可以保護大氣層不受惡劣太陽風(fēng)的影響。太陽在持續(xù)不斷地向外發(fā)射帶電物質(zhì)，這種物質(zhì)可以在一個被稱為電離層逃逸的過程中將氣體從大氣層中剝離。

加西亞·塞奇描述了科學(xué)家對比鄰星b的相關(guān)研究。比鄰星b距離地球4光年，是位于恒星比鄰星（Proxima Centauri，是一顆紅矮星）宜居帶上的一顆系外行星。但是，位于宜居帶，即與母恒星距離適宜、水可以以液態(tài)形式存在于星球表面，并不意味著必然適宜居住。

科學(xué)家現(xiàn)在還無法得知比鄰星b是否被磁化，但他們可以通過電腦模擬類地系外行星在比鄰星近軌道上如何保護其大氣層不受頻繁而強烈的恒星風(fēng)暴的影響。這種風(fēng)暴對特定行星空間環(huán)境的影響被統(tǒng)稱為空間天氣。

“我們需要了解一顆行星的空間天氣環(huán)境，來判斷該星球是否宜居，”加西亞·塞奇說，“如果恒星太活躍， 就會侵蝕行星可保持液態(tài)水的大氣層。但紫外線帶來的也并非全是壞處：有跡象表明，恒星紫外線能夠啟動產(chǎn)生生命的過程。”

紅矮星是銀河系中最常見的恒星之一。像比鄰星這樣的紅矮星會發(fā)出高能量的紫外輻射，電離其行星大氣層中的氣體。在這個過程中，新形成的電子會得到足夠的能量，使其很容易沿著磁場線脫離行星的引力跑到外太空去。

根據(jù)美國航空航天局錢德拉X射線天文臺的觀測數(shù)據(jù)，科學(xué)家計算出了比鄰星的平均輻射量。在比鄰星b的軌道上，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)這顆類地行星受到的高能紫外線輻射強度是地球的幾百倍。

加西亞·塞奇與同事設(shè)計了一個計算機模型來研究比鄰星b軌道上的類地行星——擁有跟地球一樣的大氣層、磁場和重力——能否保持住其大氣層。他們研究了導(dǎo)致電離層逃逸的三個因素：恒星輻射、中性大氣的溫度以及逃逸發(fā)生地區(qū)極地的大小。

研究表明，在極端情況下，比鄰星b 在1億年中丟失的大氣相當(dāng)于整個地球的大氣那么多，而1億年與比鄰星b40億年的壽命相比，只是很小的一部分。即使在最好的情況下，這顆系外行星的生命中也有20億年是在大氣流失中度過的。

火星，研究系外行星的實驗室

當(dāng)加西亞·塞奇研究被磁化的行星時，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的行星科學(xué)家戴維·布萊恩將目光投向火星——一顆沒有磁場的行星。

“想要研究系外行星，火星是個很好的實驗室，”布萊恩說，“我們可以借助火星來思考一顆尚未被觀測到的系外巖石行星可能具備的特性?！?/p>

布萊恩使用美國航空航天局“火星大氣和揮發(fā)性進化”（MAVEN）任務(wù)觀測到的數(shù)據(jù)，提出了這樣一個問題：如果火星圍繞另一類恒星運轉(zhuǎn)的話，它可能會進化成什么樣子？問題的答案為我們提供了有關(guān)巖石行星（不同于地球）如何在不同情形下進行不同演化的信息。

據(jù)稱，火星上曾經(jīng)有水和大氣層，可能會為類地生命提供宜居環(huán)境，但是隨著時間的推移，火星在各種化學(xué)和物理進程中丟失了大部分大氣層。自2013年MAVEN任務(wù)開始以來，也在火星上觀測到了類似的大氣層損失。

布萊恩是MAVEN任務(wù)的聯(lián)合研究人員，他和同事將MAVEN的成果應(yīng)用到假想的類火星模型上。這顆假想的行星圍繞M級恒星——俗稱紅矮星——做軌道運動。在這一假想中，這顆行星受到的紫外線輻射量是現(xiàn)在火星的5倍至10倍，這反過來又加速了大氣逃逸的速度。計算表明，在這種情況下，行星損失的帶電粒子將是平時的3倍至5倍，中性粒子的損失量則是平時的5倍至10倍。

這樣的大氣損失率表明，行星在一顆安靜的M 級恒星的宜居帶邊緣運行時，其宜居時間將會縮短到原來的1/20至1/5。

“但是我們不會放棄尋找圍繞M級紅矮星的巖石行星，”布萊恩說，“我們選擇的是最壞的情況?；鹦鞘穷w小行星，沒有磁場，所以太陽風(fēng)很容易就吹走其大氣層。而且我們選擇的這顆行星不是處于地質(zhì)活躍期，因此也就不可能從內(nèi)部產(chǎn)生大氣層。如果改變上述任何一個因素，這樣一顆星球的環(huán)境應(yīng)該還不錯?！?/p>

在尋找可能擁有生命的星球的過程中，對我們需要尋找和識別該星球的哪些特征來說，每一項研究都為這個難題添磚加瓦。隨著更加清晰的觀測系外行星計劃的執(zhí)行，這些跨學(xué)科研究將為我們識別那些宜居星球打好堅實的基礎(chǔ)。