作为新一代空间望远镜，詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）正在以逾越以往任何年代的强壮勘探才干，帮忙人类勘探世界深处。
自2022年1月在太空就位至今，韦伯望远镜至少已将6颗潜在宜居行星带入地理学家的视界，为从系外行星大气层中寻觅生命踪影带来了新的期望。现在，人类的世界探究正进入一个寻觅太阳系外生命的全新阶段。
跟着对系外行星勘探的不断深入，终究咱们或许能够答复那个困惑人类良久的陈旧问题：咱们在世界中是孤单的吗？
——编者
▲艺术家对系外行星TRAPPIST-1f外表姿态的构画。（图源：视觉我国）
日前，詹姆斯·韦伯空间望远镜在木星和火星之间的小行星带中发现了一颗稀有的彗星，并且在其周围呈现了水蒸气。这是人类初次在首要小行星带中勘探到水蒸气。韦伯行星副项目科学家史蒂芬妮·米拉姆表明，这一发现能够协助人类了解是否存在其他类似地球的行星。
这是韦伯望远镜升空一年多来的又一项严重发现。此前，依据它拍摄到的高清深空图画，科学家从一颗名为WASP 96b的系外行星大气层中勘探到了水蒸气。这一勘探成果初次证明，这台强壮的望远镜能够从世界深处为咱们传回许多之前无法确认的信息，包含太阳系以外行星大气层构成的准确细节。
这些发现预示着寻觅外星生命的一个巨大年代的到来。它让地理学家意识到，人类现已具有了更强壮的世界深空勘探才干，能够窥探到更悠远的外星天空。终究，咱们将有时机从世界深处传来的弱小信号中发现地球之外或许有生命存在的信息。
尽管要找到外星生命并没有幻想中那么简略，但地理学家已在方案下一步举动。他们筛选出最有期望有生命存在的系外行星，使用强壮的韦伯望远镜观测这些系外行星的大气层。与此一起，他们也在从头考虑怎么寻觅生命踪影，并对找到地外生命的或许性和远景进行评价。德国海德堡马克斯·普朗克地理研讨所的劳拉·克雷德伯格说：“咱们正处于激动人心的新旅程的起点。”
▲韦伯空间望远镜勘探太空艺术示意图。 （图源：NASA官网）
外星大气层或以红蓝宝石为云
不同的原子和分子会吸收不同波长的光。经过光谱技能，地理学家可对系外行星大气的组分进行观测剖析，从中了解许多信息。
2002年，勘探系外行星大气层方案初次取得了成功。其时，美国加州理工学院的戴维·沙博诺和他的搭档经过哈勃望远镜对名为HD290458b的巨大气体星进行观测。这颗星球也被称为“奥西里斯”（埃及神话中的冥王）。哈勃望远镜看到，当行星经过恒星外表时，恒星光线在被钠吸收的波长上稍有变暗；当行星脱离恒星外表时，这种影响就消失了——这意味着HD290458b的大气中有钠存在。
从那时起，地理学家对系外行星大气层进行了继续的勘探和剖析。开始的方针是那些阻挡了适当多恒星光线的行星，例如与恒星离得最近、体积又巨大的火热气体星。经过多年勘探，地理学家对组成这些系外行星大气层的元素和分子有了开始了解。
直到2017年，地理学家才领会到了光谱学在勘探剖析太阳系外行星中的实在强壮力气。
系外行星WASP-121b是一颗巨大的气态行星，被称为“火热版木星”，离地球约850光年，比木星大1.81倍。其时，英国埃克塞特大学的托马斯·米卡尔－埃文斯和他的搭档经过哈勃望远镜和红外线斯皮策太空望远镜对这颗行星进行观测剖析。他们发现，其大气层中有水蒸气——这是初次在系外行星中发现水蒸气。
地理学家没有停步于此。在观测了WASP-121b的完好轨迹运转之后（运转一圈约31个小时），研讨团队发现了一些不同寻常的痕迹。
在WASP-121b行星上，面临恒星处于白日的一面极为火热，足以将水分子分解成氢、氧和氢氧基分子。而当横扫整个星球的巨大热浪将它们吹往背对恒星、处于黑夜的另一面时，那里的极点低温则将氢、氧和氢氧基分子从头合成为水。这成为另一个恒星系中存在气候现象的首个依据。
现在在德国马普地理研讨所作业的米卡尔·埃文斯表明，地理学家现在可经过调查水分子在白日半球和黑夜半球的光谱特征改变，盯梢了解行星上的气候现象。鉴于WASP-121b行星正面和反面的温差如此之大，研讨团队估测，一些简略的矿物质，如刚玉（氧化铝），在星球火热的一面会蒸腾气化，而在冰冷的一面则会凝结成云状物的一团。氧化铝是红宝石和蓝宝石的基本成分，这意味着WASP-121b行星上的云层或许由红宝石和蓝宝石粉尘构成。
现在，使用光谱剖析法勘探剖析外星天空的技能还存在必定约束。克雷德伯格表明，尽管有哈勃、斯皮策等太空望远镜，以及其他地上望远镜的协助，但地理学家对外星大气层的了解还仅仅冰山一角。
▲系外行星GJ 486b是一颗岩石星，它环绕一颗间隔地球只要26光年的室女座红矮星运转。凭借韦伯望远镜，地理学家经过调查它从母恒星经过的光谱改变，检测到了水蒸气的痕迹。尽管这些或许是行星存在大气的依据，但这些水蒸气也或许来自恒星。（图源：NASA官网）
“光谱指纹”中探寻生命存在的头绪
韦伯望远镜能够给咱们供给史无前例的协助，它首要在三个方面超越了其长辈。
首先是它在太空中的方位，这台远离地球轨迹150万千米的空间望远镜可将勘探器更准确地对准观测方针，以增强对弱小信号的勘探。
其次，韦伯望远镜的镜面直径达6.5米，远超哈勃望远镜直径2.4米的镜面，因而能够搜集更多光线，然后提醒更多信号弱小的细节。
第三，红外光谱观测才干是它的最大优势，由于一些分子很简略与这些红外波长的光发生相互效果。“假如想要观测分子对光线的吸收，红外线是最佳光谱区域。”美国马里兰大学的德雷克·戴明说。韦伯望远镜的镜面直径比之前的红外望远镜（如斯皮策望远镜）大7.5倍以上。
一切这些都意味着，韦伯望远镜为地理学家勘探系外行星大气层供给了强壮助力。地理家初次获得了描绘系外行星气候实在细节的图片材料，这些信息将成为寻觅外星生命痕迹的最佳途径。
地理学家一直在寻觅像地球这样有大气层掩盖的较小岩石星球，并且行星环绕恒星运转的轨迹最好坐落比较适合生命生计的宜居带内，且温度条件适合、行星外表有液态水的存在。但质量较小的岩石行星往往缺少满足的引力，只能留住相对淡薄的大气层。
这些苛刻条件极大缩小和约束了或许有生命存在的候选星球的规模。“在宜居带内，并且在韦伯望远镜能够勘探到的规模内，这样的星球不会超越10个。”克雷德伯格说。
还有许多更为杂乱的要素导致寻觅地外生命难度添加。例如，恒星中数量较多的红矮星，其巨细相对较小，温度相对较低，宜居带就会离恒星很近，因而红矮星恒星体系中的行星比较难以留住大气层。
一个典型比如是TRAPPIST-1。这是一颗间隔地球约40光年的超冷红矮星，其外表温度不到太阳的一半，因而宜居带离恒星很近。该恒星系中已知有7颗岩石行星，尽管有三四颗正好在宜居带内，但并不能保证它们有大气层存在——它们或许都仅仅暴露于太空中的岩石星球。
这颗红矮星现在十分冷，但它在刚构成时的景象却正好相反：一团团星际气体在本身引力效果下缩短，在缩短进程中强烈开释出许多高能量辐射能。较小恒星的引力较弱，缩短时刻较长，开释能量狂潮的时刻要比较大体积的恒星更长。在这么长的时段内，其开释的巨大能量足以将邻近正在构成的行星上的大气层轰飞。
克雷德伯格对这种状况十分了解。所以，他使用韦伯望远镜对TRAPPIST-1行星系进行了勘探，调查它们在轨迹上运转时行星外表和反面有什么不同，经过了解行星白日与黑夜的温差状况，确认是否有大气层存在。若有大气层存在，白日与黑夜的温度一般不会相差很大，但假如没有大气层，就无法留住热量，白日与黑夜就会有显着的温差。
▲韦伯空间望远镜获取“光谱指纹”示意图。
一旦确认有大气层的存在，地理学家就可使用光谱剖析法来寻觅生命存在的头绪。依据咱们对地球生命的了解，生命存在的最佳头绪是寻觅氧和甲烷的“光谱指纹”。
一切生命有机体都需求呼吸，吸入某种气体或物质能量，呼出废气。动物吸入的能量气体是氧气，呼出的废气是二氧化碳，而植物正好相反，吸入二氧化碳，呼出氧气。动物在消化食物的推陈出新进程中，还会发生其他废气，如甲烷。一切这些气体都会在行星大气层中堆集起来，发生一些可勘探的特征。
氧气是地球生命不可或缺的生计条件，地球上最早的微生物经过光合效果获取能量，并发生作为抛弃气体排出的氧气，就像现在的植物相同。假如在系外行星上发现有氧气和甲烷共存，或许是生命存在的最好依据。地球上氧气和甲烷这两种气体一起呈现在大气中，便是地球生物进程发生的成果。假如没有生物进程继续不断地弥补，终究这些气体就会经过化学反应在大气层中消失。
打破惯例寻觅更佳生命标志物
TRAPPIST-1e行星为地理学家勘探地外生命供给了绝佳的时机。“假如咱们真的十分走运，而这颗行星上的大气层构成也正如咱们的料想和等待，再加上有韦伯这样如此完美强壮的勘探利器，咱们能够不断搜集许多信息，除掉无用信息。”克雷德伯格说，首先要确认的是大气层中是否存在云以及恒星星光的影响，然后才是寻觅和辨认生物标志物。
“假如咱们能找到意料之外的生物标志物，那将会是实在令人高兴的作业。咱们幻想中的岩石星球都像地球相同，是一个有着坚固固体外表的星球，外加一层薄薄的大气层，但事实上系外行星或许并不是这个姿态。”戴明说。
例如，戴明很想看看，类似海王星的系外行星上会有些什么。这些行星的直径大约是地球的五倍，首要由冰状物质组成。空间望远镜已在不少恒星周围发现了许多类似海王星的行星。风趣的是，这些行星有些现已迁移到离各自恒星满足近的当地，以至于这些星球外表都被海洋掩盖。这样，从星球外表看，已有了适合生命生计的条件。这些类似于海王星的巨大系外行星具有更厚的大气层、更高的温度，也更便利韦伯望远镜对它们进行勘探。
▲GJ 1214b艺术概念图。韦伯望远镜的观测发现，这颗“迷你海王星”或许具有炽热的大气层，这是银河系中很常见的一种行星。（图源：NASA官网）
关于寻觅生物标志物的作业，新一代研讨人员有了越来越多打破惯例的新主意。例如，美国科罗拉多大学博尔德分校研讨员贾斯汀·王提出寻觅聚羟基烷酯（PHAs）分子，聚羟基脂肪酸是微生物细胞（特别是细菌细胞中）许多存在的一种高分子聚酯，也被称为“生态塑料”。它不管呈现在哪里，好像都会显示出一些显着的特征。
“我发现许多微生物都会用到PHA，这也是这些微生物能够在极点恶劣环境中生计的原因。”贾斯汀·王以为，极点环境是大多数其他生命无法生计的，所以生态塑料分子正是人们要寻觅的在极点环境中或许存在的分子。
他觉得，这类寻觅作业可在火星等星球上进行，机器人能够在那里搜集尘土样本进行剖析处理。尽管他不能必定PHAs是否会在行星大气层中堆集起来构成可勘探的标志物，但这一主意无疑添加了找到生物标志物的几率。或许一直以来，咱们关于生物标志物的界说以及寻觅的规模都过于狭隘了。
现在最具潜力的宜居行星
科学家经过勘探系外行星大气层来寻觅宜居星球，以下是现在发现的最有期望的宜居行星。
LHS 1140b
2017年由惠普尔地理台发现。这是一个密度比地球大6.48倍的超级地球，半径是地球的1.64倍。对其大气层勘探成果表明，它的外表温度与地球或许十分类似。
TRAPPIST-1d
2016年和2017年宣告的音讯称，TRAPPIST-1恒星有7颗行星绕轨迹运转，其间至少有3颗或许坐落这颗超冷红矮星的宜居带内。TRAPPIST-1d的半径是地球的0.78倍，质量是地球的0.3倍。
TRAPPIST-1e
TRAPPIST-1e的物理特征与地球十分类似，其半径是地球的0.91倍，质量是地球的0.77倍。假如这颗行星像地球相同具有薄薄的一层大气层，外表温度或许与咱们的地球十分类似。
TRAPPIST-1f
TRAPPIST-1f的质量约为地球的0.68倍，半径与地球适当，正好坐落恒星宜居带的外缘内，需求适度的温室效应才干将其外表温度提高到类似于地球的水平。
K2-18b
2015年，美国宇航局的开普勒太空望远镜发现坐落母恒星宜居带内的K2-18b的大气层中含有水蒸气。这颗星星的质量是地球的8倍，半径是地球的2.6倍，它要么是一个“超级地球”岩石星，要么是一个气态的“迷你海王星”。
LP791-18c
LP791-18c是另一个超级地球/迷你海王星，由美国宇航局的凌日系外行星勘察卫星（TESS）于2019年发现。它的半径是地球的2.3倍，质量是地球的5.95倍，方位接近恒星宜居带内缘。
作者：方陵生/编译
修改：许琦敏
责任修改：任荃
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