韦伯太空望远镜发现外星生命迹象的四种方法

新的韦伯太空望远镜改变对系外行星的研究，即是那些围绕太阳以外的恒星运行的世界。 很快就会获得对太阳系以外岩石行星，一些可能类似于地球条件的第一次深入了解。 这些遥远的世界之一可能拥有生命。 但我们能检测到它吗？

我们或许能够在这颗行星的大气层成分中发现生命迹象。 我们可以使用一种称为透射光谱的技术，将光按照波长进行划分，在星光穿过行星大气层时寻找不同气体的踪迹。

一些星光吸收气体可能显示地球上存在生命。 我们称这些为生物印记。

1.氧气和臭氧

氧气可能是最明显的生物印记。 植物制造它，生物呼吸它，岩石记录显示，随着生命的进化，地球大气中的水平发生巨大变化。 我们呼吸的氧气是 O₂，两个氧原子粘在一起。 但是使用韦伯太空望远镜也可以观察到氧气的另一种形态，就是O₃或者叫做臭氧。

那么，如果我们检测到这些气体中的一种或两种，就完成任务吗？ 不幸的是没有。 另一种可能产生大量大气氧气的情况是行星正在经历失控的温室效应。 一旦行星的温度足以使到它的水海洋蒸发，由此产生的大气中的水蒸气就会在反馈循环中产生温室效应，将行星加热到与生命不兼容的水平。

最终，地球变得足够热，水分子可以分解成氢和氧。 氢分子很轻，可以移动得足够快，很容易逃脱地球的重力，而更缓慢的氧气往往会粘在周围，随时探测到并欺骗那些毫无戒心的天文学家。

2. 磷化氢和氨水

目前寻找生命的重点可能主要集中在系外行星上，但最近也有离我们更近的事态发展。 磷化氢，是一种天然存在于以氢为主的大气中的气体，如气态巨行星木星和土星的大气，最近在金星的大气中发现。 有趣的是，磷化氢也认为是一种潜在的生物印记。

在地球上，磷化氢是由微生物产生，例如在动物的肠道中。 如果不存在生命，我们不会期望磷化氢大量出现在以二氧化碳为主的类似金星的大气中。 也就是说，我们还不能排除金星上的其它磷化氢来源。

恶臭的氨是另一种潜在的生物特征气体，也是由地球上的动物产生的。 像磷化氢一样，它在气态巨行星上普遍存在，但在没有生命的情况下，预计不会出现在岩石世界上。

然而，探测遥远系外行星大气中的磷化氢或氨可能具有挑战性，两者在地球上的浓度都只有十亿分之几。 因此，除非潜在的外星人比地球上的动物更臭，否则我们可能不会很快发现他们。

3. 甲烷加二氧化碳

具有明确生物特征的单个气体很少见，因此如果我们想检测生命，最好寻找一个成功的组合。 地球上放屁的动物产生的大量甲烷，加上二氧化碳，将是一个很好的暗示，显示正在发生一些事情。

如果有足够的氧气可用，那么碳更喜欢与氧气一起作为二氧化碳（CO₂，一个碳原子和两个氧原子）而不是形成甲烷（CH₄，一个碳原子和四个氢原子）。 在含有丰富氧气的环境中，任何存在于甲烷分子中的碳都会迅速抛弃其氢伙伴，转而使用几个备用氧。

因此，看到大量甲烷和二氧化碳共存意味着某种东西，可能是细菌正在不断地产生甲烷。

4. 化学失衡

我们可以将上述论点应用于不应该愉快共存的任何气体组合。 生命破坏环境的化学平衡，因为他会利用化学反应产生能量。

在地球上，氧气转化为二氧化碳，但在不同类型的大气中，有不同的化学物质可供使用，生命会使用其它过程来实现相同的目标。 例如，生活在地球海洋深处的热液喷口周围的产甲烷细菌从矿物和化合物中获取化学能。 寻找不平衡让我们对其它地方的生活可能是什么样子保持开放的态度。

如果我们发现外星生命的讯号会发生什么？

韦伯太空望远镜已经超出了我们对系外行星大气观测的预期。 然而，尽管它很强大，但温度温和、大气以氮或二氧化碳为主的岩石行星仍然难以使用透射光谱进行研究。 我们预期从这些行星发出的信号比我们在热气巨行星大气中成功观测到的号要弱得多。

如果我们有幸在一颗岩石系外行星（例如 TRAPPIST-1e）的大气中观察到吸收星光的气体，我们仍然必须测量这些气体的存在量才能得出有意义的结论。 这并不简单，因为信号有机会重叠并且需要仔细解开。

即使我们确实检测到并准确测量到一种可能的生物特征气体，我们也不能声称已经检测到外星生命。 韦伯太空望远镜只是开辟了一个新的、丰富的行星大气实验室，当我们探索时，我们无疑会发现我们之前的许多假设都有机会证明是错误。

每当我们发现一些不寻常的东西时就对外星人下结论还为时过早。 韦伯太空望远镜生物印记检测将是一个有趣的提示，承诺要做更多的工作。 作为一名天文学家，这些事情已经足够令人兴奋。

【图：欧洲南方天文台; 文：节译自物理学机构网页】

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