如果外星人在观测地球，他们看到的地球可能是这样的

在过去的十年里，人类对系外行星的研究已经相当成熟。在此期间，我们发现了目前已知的超过4000颗系外行星中的大多数。该过程也开始从发现过程转变为表征。更重要的是，下一代天文望远镜仪器将可以对大量有关系外行星的表面和大气层进行研究。

这自然引出了一个问题：如果外星人也正研究我们的星球，那么足够先进的外星物种会看到什么呢？利用地球的多波长数据，加州理工学院的一组科学家能够构建一幅外星观察者看到地球的图片。除了满足我们好奇心之外，这项研究还可以帮助天文学家在未来重建“类地球”系外行星的表面特征。

该团队研究的结果名为《地球作为系外行星：二维外星人地图》，已经刊登在《科学杂志》上，团队也计划在《天体物理学杂志快报》上发表。该研究由Siteng Fan领导，包括来自加州理工学院地质和行星科学部（GPS）和NASA喷气推进实验室的多名研究人员共同进行。

艺术家对系外行星大气层的影响与其与恒星的相互作用有所反应描绘。图片来源：NASA，ESA和G. Bacon（STScI的）

在寻找太阳系以外潜在的可居住行星时，科学家们不得不采取间接方法。鉴于我们无法直接观察大多数系外行星的大气成分或表面特征（即直接成像），科学家们只能找到类似于地球的现象。

首先，目前的系外行星研究尚未找出对可居住性的最低要求。目前也有一些提议的标准，但我们不确定它们是足够的还是必要的。其次，即使有了这些标准，目前的观测技术也不足以证实其可居住，特别是在类似地球的系外行星上，因为难以探测和观察。

鉴于地球是我们所知道的唯一能够支持生命的行星，该团队也认为地球的远程观测可以作为遥远文明所观察到的可居住的系外行星的替代。“地球是我们所知道的唯一孕育生命的行星，”范说。“研究地球在远方观察者的图像会给我们找到潜在的可居住的系外行星指明了方向。”

在Hale望远镜的1.5米部分使用Vortex coronagraph直接拍摄外星人围绕恒星HR8799。图片来源：NASA / JPL-Caltech / Palomar天文台

地球气候最重要的元素之一（对其表面上的所有生命至关重要）是水循环，它有三个不同的阶段。这些包括大气中存在水蒸气，冷凝水和冰粒云，以及水面上存在的水体。

这些存在可以被认为是可居住性的潜在迹象，甚至可以从远处观察到的生命迹象（也就是生物印记）。因此，能够识别系外行星的表面特征和大气层对于判断是否可居住至关重要。

为了确定地球在遥远星系观测的图像，该团队编制了9740张由美国宇航局深空气候观测站（DSCOVR）卫星拍摄的地球图像。在两年的时间内（2016年和2017年），每隔68到110分钟拍摄一次图像，并设法捕获多个波长的地球大气反射光。

然后，Fan和他的同事将图像组合成一个随时间绘制的10点反射光谱，将其整合到地球磁盘上。这有效地再现了地球的样子，如果他们要在两年内观察地球，那么观察者要离他们很多光年。

在其100周年纪念活动中，国际天文学联合会（IAU）正在组织全球竞赛，该竞赛允许世界上任何国家为选定的系外行星及其主星提供流行的名称。

使用Caltech开发的新方法可以更清晰地识别表面特征 图片来源：IAU / L. 至Calçada

“我们发现地球光线曲线的第二个主要成分与照明半球的陆地分数密切相关（r ^ 2 = 0.91），”范说。“结合观察几何，重建地图成为一个线性回归问题。”

轮廓图

在分析了得到的曲线并将它们与原始图像进行比较后，研究小组发现曲线的哪些参数对应于陆地和云层。然后，他们挑选出与陆地区域最密切相关的参数，并将其调整为地球的24小时旋转，这为他们提供了一个轮廓图（如上所示）。

黑线代表表面特征参数，大致对应于主要大陆的海岸线。它们进一步以绿色着色，以粗略表示非洲（中），亚洲（右上），北美和南美（左）和南极（下）。它们之间的区别代表地球的海洋，较浅的部分用红色表示，而较深的部分用蓝色表示。

这些特征表示遥远的系外行星的光线曲线时，可以让天文学家评估系外行星是否具有海洋，云和冰盖等所有必要的“地球生命”（也称为可居住的）存在的元素。

“对这项工作中的光线曲线的分析对于确定系外行星的地质特征和气候系统具有重要意义。我们发现地球光线的变化主要是云和陆地/海洋，它们对地球上的生命都至关重要。因此，具有这种特征的类似地球的系外行星将更有可能出现生命。“

类地行星。图片来源：JPL

在整洁的未来，像詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）这样的下一代仪器将允许迄今为止最详细的系外行星测量。此外，基于地面的那都到网上，在未来十年仪器-像极大型望远镜（ELT），将三十米望远镜（TMT），以及巨型麦哲伦望远镜 （GMT） -预计将能够  直接成像研究的较小的岩石行星，它们靠近恒星运行。

在有助于解决地表特征和大气条件的研究的帮助下，天文学家可能最终能够自信地说出哪些系外行星是可居住的，哪些不是能居住。地球2.0（或几个地球）的发现可能就在不久的将来！

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