詹姆斯·韦伯太空望远镜证明了其在寻找外星生命方面的价值

亚利桑那大学天文学特聘教授Chris Impey和该校天文学和行星科学教授Daniel Apai是研究系外行星和天体生物学的两位研究人员。在很大程度上要感谢像詹姆斯·韦伯这样强大的下一代望远镜，像他们这样的科学家将很快能够测量围绕其他恒星运行的行星的大气层的化学构成。两位研究人员希望能在这些系外行星中的一颗或多颗上检测到生命的化学特征。

可居住的系外行星

生命可能存在于我们太阳系中有液态水的地方--比如木星的卫星欧罗巴的海洋或火星的地下水层中。然而，在这些地方寻找生命是非常困难的，因为它们很难到达，探测生命需要发送一个探测器来收集和返回物理样本。

许多天文学家认为，在围绕其他恒星运行的行星上很有可能存在生命，而且这有可能是首次发现地外生命的地方。

根据理论计算，仅在银河系就有大约3亿颗潜在的宜居行星，在距离地球仅30光年的范围内有几颗宜居的地球大小的行星--基本上是人类的银河系邻居。迄今为止，天文学家已经发现了5000多颗系外行星，包括数百颗潜在的宜居行星，使用的是测量行星如何影响其附近恒星的间接方法。虽然这些测量可以给天文学家提供关于系外行星的质量和大小的基本信息，但它们并不能提供更多其他信息。

寻找生物特征

为了探测一个遥远星球上的生命，天体生物学家将检查与一个星球的表面或大气相互作用的星光。如果大气层或表面被生命改造过，光线可能带有线索，称为"生物特征"。

在其存在的前一半时间里，地球拥有一个没有氧气的大气层，尽管它拥有简单的单细胞生命。在这个早期时代，地球的生物信号是非常微弱的。这种情况在24亿年前发生了突变，当时一个新的藻类家族进化了。这些藻类使用一种产生自由氧的光合作用过程--没有与任何其他元素化学结合的氧气。从那时起，地球上充满氧气的大气层就在穿过它的光线上留下了强烈的、容易检测的生物特征。

当光从一个材料的表面反弹或通过一个气体时，某些波长的光比其他波长的光更有可能留在气体或材料的表面上被捕获。这种对光的波长的选择性捕获是物体呈现不同颜色的原因。叶子是绿色的，因为叶绿素特别擅长吸收红色和蓝色波长的光。当光线照射到叶子上时，红色和蓝色的波长被吸收，剩下的大部分绿光被反弹到你的眼睛里。

缺少的光的模式是由光与之相互作用的材料的特定成分决定的。正因为如此，天文学家可以通过测量来自行星的光的具体颜色来了解系外行星的大气层或表面的组成情况。

这种方法可以用来识别某些与生命有关的大气气体的存在--如氧气或甲烷--因为这些气体在光线中留下了非常具体的特征。它也可以用来检测一个星球表面的特殊颜色。例如，在地球上，植物和藻类用于光合作用的叶绿素和其他色素会捕捉特定波长的光。这些色素产生了特有的颜色，可以通过使用敏感的红外相机来检测。如果你看到这种颜色从一个遥远的星球的表面反射出来，它将有可能标志着叶绿素的存在。

太空和地球上的望远镜

为了探测来自潜在可居住的系外行星的光线的这些微妙变化，需要一个极其强大的望远镜。就目前而言，唯一能够完成这一壮举的望远镜是新的詹姆斯·韦伯太空望远镜。由于它在2022年7月刚刚开始科学运作，韦伯对气态巨型系外行星WASP-96b的光谱进行了读取。尽管光谱显示存在水和云层，但像WASP-96b这样大而热的行星不太可能承载生命。

然而，这一早期数据表明，詹姆斯·韦伯望远镜能够探测到来自系外行星的光线中微弱的化学特征。在新的几个月里，韦伯将把它的镜子转向TRAPPIST-1e，这是一颗可能适合居住的地球大小的行星，距离地球仅有39光年。

韦伯可以通过研究行星在其宿主恒星面前经过时的生物特征，并捕捉穿过行星大气层的星光，来寻找生物特征。但是韦伯并不是为了寻找生命而设计的，所以该望远镜只能仔细检查最近的几个潜在的宜居世界。它也只能检测大气层中二氧化碳、甲烷和水蒸气水平的变化。虽然这些气体的某些组合可能表明有生命存在，但韦伯无法探测到未结合的氧气的存在，而这是生命的最强信号。

未来更强大的太空望远镜的领先概念包括计划阻挡行星宿主星的亮光，以显示从行星反射回来的星光。这个想法类似于用你的手挡住阳光，以便更好地看到远处的东西。未来的太空望远镜可以使用小型的、内部的面具或大型的、外部的、类似雨伞的航天器来做这件事。一旦星光被阻挡，研究从一个星球上反弹的光线就变得更加容易。

目前还有三个巨大的地面望远镜正在建设中，它们将能够搜索生物特征：大麦哲伦望远镜、三十米望远镜和欧洲极大望远镜。每一个都比地球上现有的望远镜强大得多，这些望远镜也许能够探测最近的世界的大气层中的氧气，尽管地球的大气层扭曲了星光，这是一个障碍。

这到底是生物学还是地质学？

即使使用未来几十年最强大的望远镜，天体生物学家也只能探测到那些已经被生命完全改变的世界所产生的强烈的生物特征。

不幸的是，陆地生命释放的大多数气体也可以由非生物过程产生--奶牛和火山都释放甲烷。光合作用会产生氧气，但是阳光也会，当它把水分子分裂成氧气和氢气时。在寻找遥远的生命时，天文学家很有可能会检测到一些假阳性。为了帮助排除假阳性，天文学家将需要充分了解一个感兴趣的行星，以了解其地质或大气过程是否可以模仿生物特征。

下一代的系外行星研究有可能通过证明生命存在所需的非凡证据的标准。詹姆斯·韦伯空望远镜发布的第一份数据让研究人员感受到了即将到来的令人兴奋的进展。