如何确定系外行星存在生命
作者:小松研吾
2018-09-17 15:46:33

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科幻电影里的外星生命。

 

系外行星距离我们非常遥远,因此,直接去往行星表面进行探测是十分困难的。那么,姑且先假定系外行星或者它的卫星上有生命存在,再去试着寻找这些“生命存在”的证据怎么样?

 

通过大气寻找“生命标记”

 

探测系外行星的大气成分,是确定这颗行星上是否有生命存在的一种方法。地球的大气中,有约20%的氧气,这些氧气几乎全部都是植物通过光合作用产生的。实际上,如果地球上的植物不能持续产生氧气的话,大气中这些氧气很快就会消失殆尽,因为氧气很容易和其他物质发生反应。科学家们由此推测,如果在系外行星的大气中发现了氧气的话,就可以作为这颗行星上可能存在植物的证据,这种标志着生命存在的证据被称为“生物标记”。

然而,“近期最新的研究表明,行星上有着各种各样产生氧气的方法,即使是没有生命存在的天体,也可能形成含有氧气的大气”。日本东京大学从事系外行星观测研究的成田宪保博士如是说。

例如,如果行星表面有大量的液态水和氧化钛存在的话,就可以为大气持续供给氧气,而氧化钛在地球等太阳系的岩质行星和卫星上储量很丰富。在氧化钛和液态水接触的状态下,进一步受到中心恒星的紫外线照射,水分子就会分解产生氧原子,氧原子进一步发生反应生成氧气分子。

成田博士表示:如果某个系行星上有着和南美玻利维亚的乌尤尼盐湖一样广大的浅水水域,同时那里还有丰富的含有氧化钛矿物存在的话,即使没有生命,可能也能产生氧气。

此外,来自中心恒星的紫外线和X射线有时也能产生氧气。拥有液态水的行星,大气中应当也会含有水蒸气,这些水蒸气在紫外线和X射线的照射下,会分解产生氢原子和氧原子。氢原子因为比较轻,会直接散逸到宇宙空间中,剩下氧原子相互反应生成氧气分子。所以,仅仅发现了氧气,并不能证明“确实有生命存在”。

因此,我们还得去寻找其他的生命存在可能产生的物质,比如甲烷。地球的大气中也含有甲烷,这些甲烷几乎全部是微生物产生的,火星探测也着力于试图寻找甲烷。虽然火山活动等生命以外的原因也会向大气中释放甲烷,但如果大气中同时富含氧气和甲烷的话,存在生命的可能性就非常高了。

 

借助恒星的光分析大气成分

 

我们如何才能知道遥远的系外行星大气的成分呢?从地球看去,当系外行星从中心恒星面前飞过时,我们可以通过研究穿过行星大气层的恒星的光来了解行星大气的成分。如果大气中含有氧气或者甲烷等物质,这些物质会吸收特定波长的光,因此,只要确认了这些穿过行星大气的光在哪些波长发生了吸取,就能知道这颗行星的大气中是否含有氧气或者甲烷了。

通过多个望远镜的观测,人们对系外行星大气成分的探测正在不断推进中。本世纪20年代,预计会有“30米望眼镜”(TMT)和“欧洲极大望远镜”(E-ELT)两个口径超过30米的超大型望远镜完工。通过这些望远镜的观测,人们有望进一步详细探明更多系外行星的大气成分。

 

植物存在的证据——红边

 

除了研究大气的成分之外,我们还可以通过研究中心恒星发出的光经过行星反射之后的光谱特征来探寻植物存在的证据。地球上植物的光合作用会吸收大量可见光,但不参与光合作用的近红外线会被大量反射出来,这一特征被称为“红边”。如果在分析某颗系外行星的反射光时发现了“红边”现象,科学家们就会认为这颗行星上很可能有类似地球上那些会进行光合作用的生物存在。

但地球上的植物之所以会利用可见光来进行光合作用,很重要的一个原因可能是太阳原本发出的可见光就足够多。那么,比太阳温度低的红矮星周围的行星会怎么样?红矮星发出的红外光比可见光多,所以在红矮星周围的行星上诞生的植物很可能压根就不像地球上的植物那样通过可见光来进行光合作用,而是利用红外线来进行光合作用的。因此,这些行星反射的光中“红边”出现的位置(波长)可能会更偏向红外光的方向。

然而,日本天体生物学中心的泷泽兼二博士等人的研究表明:红矮星的行星和地球有着同样的红边位置,因为即使是红矮星,最初进行光合作用的生物应当也是从水中诞生的。由于水会吸收红外线,于是水中诞生的生物应当也只能利用可见光来进行光合作用,因此这些生物登上陆地之后,在反射光谱图像中显示出的红边位置和地球一样的可能性非常高。由于地球的大气层会吸收近红外线,因此,想要探测系外行星的红边,必须得用高性能的空间望远镜才行。NASA计划于本世纪二三十年代发射Habex和LUVOIR两枚新型空间望远镜,在这些望远镜的帮助下,人类有望在不远的将来进一步探明系外行星上是否确实有生命存在。

(徐蒙译,摘自《Newton科学世界》)

(编辑:李树泉 责编:赵宇清)

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