前言:人類已經嘗試過多種探測系外行星宜居性的辦法,卻忘了一點:換位思考。科學家長期以來都堅持著「什麼樣的系外行星更像地球」的思路,但有一些人卻用了逆向思維,思考「如果地球是系外行星會是什麼樣」。當他們從這個角度出發進行研究,果然有了重大的突破……
長期以來,科學家們一直致力於尋找系外行星和地外生命,寄希望於能夠在遙遠的太空找到人類的下一個家園,或者宇宙中的同伴。
雖然目前的科技還不允許我們實地前往考察,但通過著強大的觀測設備,我們仍然能夠看到這些行星的冰山一角,推測出一些重要的信息。即便如此,我們也還是無法確定它們的宜居性和孕育生命的可能。
那麼,系外行星到底具備哪些特徵才宜居呢?我們看到什麼樣的系外行星,才可以寄予這樣的希望呢?
最近,一些科學家提出了一個有趣的角度,或許有助於我們回答這個問題。他們表示:我們有現成的星球可以研究,那就是地球。如果我們能夠換位思考,將地球當作是一顆系外行星來研究,發現它的特徵,或許可以成為研究系外行星的重要參考。
問題在於,我們又不可能真的飛到幾十甚至幾百光年以外去觀測地球,因此想法雖然很好,但執行起來卻很有難度。不過,科學家找到了一個非常巧妙的辦法,那就是通過月全食來研究地球。
所謂的月全食,就是月球進入地球的本影(umbral shadow)中,整體被地球遮住陽光而出現的現象。當地球上看到月全食的時候,月球上就會看到日全食。但是,和日食的時候太陽完全不可見所不同的是,即使處於月全食期間,我們仍然可以看到一輪暗紅色的月亮。這是因為,大約有0.1%的陽光在經過地球大氣層的時候,又被折射到月球表面,導致月球有微弱的光亮。
月全食也並非全都是暗紅色的,有的時候也會出現淡黃色、橙黃色、淺紅色等等顏色。月全食到底是什麼顏色,取決於月球在地球本影中的位置,以及地球大氣中懸浮顆粒和氣溶膠的數量等等因素。
這就是問題的有趣之處。
(圖片說明:暗紅色的月食)
科學家們敏銳地意識到:我們在研究系外行星的時候,也會探測其宿主恆星的光芒透過它的大氣層時所呈現的狀態,這和太陽透過地球大氣層射到月球上的光並沒有什麼不同。
來自科羅拉多大學(博爾德)和太空望遠鏡科學研究所的研究人員一想到這個創意,就興奮不已。在2019年1月的月全食(當時中國不可見)期間,他們就利用世界上最強大的哈勃太空望遠鏡進行了這方面的研究,在紫外光波段觀測了這次月全食。
(圖片說明:月食過程中的近紫外透射光譜,不同顏色代表的是不同的食相)
果然,在此期間,他們在對月全食的微弱光芒進行研究的時候,成功檢測出了地球大氣層中的臭氧。相信大家對於臭氧已經不陌生了,這種由3個氧原子構成的分子在地球大氣層中形成了一個保護層,保護著我們不被太陽的紫外線所傷害。
(圖片說明:地球在不同情況下的光譜,這有助於我們對系外行星光譜的宜居性分析)
這個發現很快得到了證實,一些地基望遠鏡也檢測到了同樣的結果。不過,對於地基望遠鏡來說,還要對那些從月球發射的光射回地球大氣層的變化進行修正,而哈勃這樣的太空望遠鏡則可以免去這一步的操作。
來自大氣和空間物理實驗室的研究人員Allison Youngblood告訴我們:「臭氧的發現非常重要,因為它是氧氣分子的光化學副產品,而氧氣分子自身又是生物的副產品。不過,除了臭氧之外,我們還需要其他的光譜信息,才能夠判斷一顆行星是否有生命存在。但是,這些信息未必能夠通過紫外光探測到。」
(圖片說明:2019年1月的月全食,拍攝於西班牙塔裡法的海灘)
另外,臭氧不能直接證明生命存在的原因還有一條,那就是臭氧也不是必須通過生命來合成。在有氮氣和陽光的情況下,氧氣轉化為臭氧的概率也會增加。不過,如果臭氧的含量隨著季節發生變化,那麼將很有可能與生物有關。
(圖片說明:氧氣和臭氧的瑞利散射模型)
除了臭氧之外,氧氣和甲烷也是比較重要的參考。這兩種物質的化學性質都比較活潑,尤其是氧氣,可以和許多物質自然發生反應。因此,如果沒有一個持續的化學機制,一顆星球上是很難長時間擁有大量氧氣的,而這種化學機制很可能就與生物有關,比如地球植物的光合作用。因此,如果能夠在系外行星的大氣中檢測到氧氣或者甲烷,對於我們來說同樣是個好消息。
和臭氧一樣,科學家通過月全食檢測到地球大氣層中的氧氣和甲烷,也得到了地基望遠鏡的驗證。這說明,這種研究方法有效、可靠,未來將成為我們尋找系外宜居行星的重要參考。
(圖片說明:系外行星凌日過程中的光譜變化)
另外,系外行星還可能有一種非常值得注意的現象,那就是研究人員所說的「紅色邊緣」。他們指出:這是植物進行光合作用的一個重要特徵。但是,雖然這個特徵可以極大地提升一顆行星擁有植物的概率,但檢測起來卻非常困難,
NASA戈達德太空飛行中心的Giada Arney指出:「光合作用很可能是最成功的一種新陳代謝手段,它有可能出現在任何行星上。因為它的能量來源就是光照,而所需的反應物——水和二氧化碳——都是由宇宙中最常見的元素構成的,這些必要的成分在宜居行星上應該十分常見。」
(圖片說明:月食下的哈勃望遠鏡,藝術圖)
2019年1月的成功,讓科學家們意識到了月全食可以幫助我們尋找地外生物。再下一次的月全食,會出現在2021年的5月26日。屆時,科學家有望再一次利用哈勃太空望遠鏡,把握住這次機會,進行更深入的探索,讓我們知道如果地球是一顆系外行星,看起來是什麼模樣。參照這個研究成果,我們將會更加確定已經發現的4000多顆系外行星中,到底有哪些是宜居甚至可能孕育了生命的。
到了明年10月份,NASA的下一代太空望遠鏡——詹姆斯·韋伯太空望遠鏡也將發射升空,它也將能夠把系外行星看得更加清晰,以更高的效率檢測系外行星的宜居性。同時,大型紫外可見光紅外望遠鏡LUVOIR也將可以在紫外波段對這些系外行星成像,幫助我們分析這些遙遠的星球大氣中含有哪些元素,可能在進行哪些化學反應。
(圖片說明:LUVOIR望遠鏡假想圖)
雖然我們的科技尚不足以直接去探索這些行星,但憑藉著巧妙的手段,我們依然可以獲得大量的有效信息。很難說發現地外生命和人類直接探測系外行星這兩個夢想,哪一個能夠先實現。
從目前的發展來看,或許我們可能會先發現宜居的系外行星或者生命吧。誰知道呢,沒準雖然外星人無法來到地球,但也通過同樣的方式在分析我們地球呢……