作为新一代太空望远镜，詹姆斯·韦伯望远镜（JWST）正以超越以往任何时代的强大探测能力协助人类探索宇宙深处。
自2022年1月在太空安装以来，韦伯望远镜已将至少6颗可能适合居住的行星带入天文学家的视野，为在系外行星大气层中寻找生命踪迹带来了新的希望。 如今，人类太空探索正进入寻找太阳系外生命的新阶段。
随着系外行星探测的不断深入，我们或许终于能够回答这个困扰人类已久的老问题：宇宙中我们是孤独的吗？
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▲艺术家对系外行星 TRAPPIST-1f 表面的渲染。 （来源：视觉中国）
最近，詹姆斯·韦伯太空望远镜在木星和火星之间的小行星带发现了一颗罕见的彗星，其周围出现了水蒸气。 这是人类首次在主小行星带中探测到水蒸气。 韦伯行星项目副科学家斯蒂芬妮·米拉姆表示，这一发现可以帮助人类了解是否存在其他类地行星。
这是韦伯望远镜发射一年多后的又一重大发现。 此前，根据其拍摄的高清深空图像，科学家们在一颗名为WASP 96b的系外行星的大气层中检测到了水蒸气。 这一探测结果首次证明，这台强大的望远镜可以从宇宙深处向我们返回大量此前未确定的信息，包括太阳系外行星大气成分的精确细节。
这些发现预示着寻找外星生命的伟大时代的到来。 它让天文学家认识到人类已经拥有更强大的深空探索能力，可以窥视更遥远的外星天空。 最终，我们将有机会从来自宇宙深处的微弱信号中发现地球以外可能存在生命的信息。
尽管寻找外星生命并不像想象的那么容易，但天文学家已经在计划下一步的行动。 他们筛选出了最有希望的系外行星，并使用强大的韦伯望远镜观测这些系外行星的大气层。 与此同时，他们也在重新思考如何寻找生命痕迹，评估寻找外星生命的可能性和前景。 德国海德堡马克斯·普朗克天文学研究所的劳拉·克雷德伯格说：“我们正处于激动人心的新旅程的开始。”
▲韦伯太空望远镜探索太空的示意图。 （来源：NASA官网）
外星大气可能是由红色和蓝宝石组成的云
不同的原子和分子吸收不同波长的光。 通过光谱技术，天文学家可以观察和分析系外行星大气的成分，并从中了解大量信息。
2002年，系外行星大气探测项目首次取得成功。 当时，加州理工学院的 David Charbonneau 和他的同事通过哈勃望远镜观测到了一颗名为 HD290458b 的巨型气态恒星。 这颗行星也被称为“奥西里斯”（埃及神话中的冥王星）。 哈勃发现，当行星经过恒星表面时，恒星的光在被钠吸收的波长处稍微变暗； 当行星离开恒星表面时，这种效应消失了——这意味着 HD290458b 的大气层中存在某种东西。 存在钠。
从那时起，天文学家继续探测和分析系外行星的大气层。 最初的目标是阻挡大量恒星光线的行星，例如距离恒星最近的大型热气恒星。 经过多年的探测，天文学家对构成这些系外行星大气层的元素和分子有了初步的了解。
直到 2017 年，天文学家才意识到光谱学在探测和分析太阳系外行星方面的真正力量。
系外行星WASP-121b是一颗巨大的气体行星，被称为“热版木星”，距离地球约850光年，比木星大1.81倍。 当时，英国埃克塞特大学的托马斯·米卡尔-埃文斯和他的同事通过哈勃望远镜和红外斯皮策太空望远镜对这颗行星进行了观察和分析。 他们在其大气中发现了水蒸气——这是首次在系外行星中发现水蒸气。
天文学家并没有就此止步。 在对WASP-121b的整个轨道进行大约31小时的观察后，研究小组发现了一些不寻常的迹象。
在 WASP-121b 上，恒星的日面非常热，以至于它会将水分子分解成氢、氧和羟基分子。 而当席卷整个星球的巨大热浪将它们吹到黑夜的另一边，远离恒星时，那里的极低温度将氢、氧和羟基分子重新合成为水。 这成为另一个恒星系统中天气现象的第一个证据。
现供职于德国马克斯·普朗克天文研究所的米卡尔·埃文斯表示，天文学家现在可以通过观察昼夜半球水分子光谱特征的变化来追踪行星上的天气现象。 鉴于WASP-121b正面和背面的温差如此之大，研究小组推测，一些简单的矿物，例如刚玉（氧化铝），会在行星的热面上蒸发和汽化，而在行星的热面上凝结。冷的一面。 一团云状的东西。 氧化铝是红宝石和蓝宝石的组成部分，这意味着WASP-121b上的云可能是由红宝石和蓝宝石粉尘构成的。
目前，利用光谱分析来探测和分析外星天空的技术还存在一定的局限性。 克雷德伯格表示小行星发现水迹象，尽管有哈勃望远镜和斯皮策望远镜等太空望远镜以及其他地面望远镜的帮助，但天文学家对外星大气层的了解只触及了表面。
▲系外行星GJ 486b是一颗岩质恒星，围绕着距离地球仅26光年的处女座红矮星运行。 天文学家利用韦伯望远镜，通过观察水蒸气经过母星时光谱的变化来发现水蒸气的迹象。 虽然这些可能是行星大气层的证据，但水蒸气也可能来自恒星。 （来源：NASA官网）
在“光谱指纹”中探索生命存在的线索
韦伯望远镜可以为我们提供前所未有的帮助。 它在三个主要方面超越了其前辈。
首先是它在太空中的位置。 这架距离地球轨道150万公里的太空望远镜可以将探测器更准确地瞄准观测目标，增强对微弱信号的探测。
其次，韦伯望远镜的镜面直径为6.5米，比哈勃望远镜2.4米直径的镜面大得多，因此可以收集更多的光线，揭示更多微弱信号的细节。
第三，观察红外光谱的能力是其最大的优势，因为一些分子很容易与这些红外波长的光相互作用。 “如果你想观察分子对光的吸收，红外是最好的光谱区。” 美国马里兰大学的德里克·戴明说。 韦伯望远镜的镜面直径比以前的红外望远镜（如斯皮策望远镜）大7.5倍以上。
所有这些都意味着韦伯望远镜为天文学家探测系外行星大气层提供了有力的帮助。 天文学家第一次获得了描述系外行星天气真实细节的图像。 这些信息将成为寻找外星生命迹象的最佳方式。
天文学家一直在寻找像地球这样有大气层的较小的岩石行星，而行星绕恒星运行的轨道最好位于更适合生命存在的宜居带，具有合适的温度条件以及行星上存在液态水。表面。 但质量较小的岩质行星往往缺乏足够的引力，只能保留相对稀薄的大气层。
这些恶劣的条件极大地缩小和限制了可能孕育生命的候选行星的范围。 克雷德伯格说：“在宜居带内以及韦伯望远镜可以探测到的范围内，这样的行星不超过10颗。”
还有许多更复杂的因素使得寻找外星生命变得更加困难。 比如恒星中存在大量的红矮星，它们的体积相对较小，温度也相对较低。 宜居带将非常靠近恒星，因此红矮星系统中的行星更难保持大气层。
一个典型的例子是 TRAPPIST-1。 这是一颗距离地球约40光年的超冷红矮星。 它的表面温度还不到太阳的一半，因此宜居带距离恒星非常近。 这个恒星系统中有七颗已知的岩石行星。 虽然其中三四颗正好处于宜居带，但并不能保证它们有大气层——它们可能都只是暴露在太空中的岩石行星。
这颗红矮星现在非常寒冷，但情况却与它刚形成时完全相反：星际气体团块在自身重力作用下收缩，在收缩过程中猛烈释放出大量高能辐射。 较小的恒星的引力较弱，收缩时间较长，与较大的恒星相比，在较长的时间内释放出大量的能量。 在如此长的时间内，释放的能量足以吹走附近正在形成的行星的大气层。
克雷德伯格非常了解这种情况。 因此，他利用韦伯望远镜探测了TRAPPIST-1行星系统，观察行星在轨道上运行时表面和背面的差异，并通过了解昼夜温差来确定是否存在大气层。这个星球的。 如果有大气层，通常昼夜温差不会很大，但如果没有大气层，热量无法保留，昼夜温差就会很大。
▲韦伯太空望远镜获取“光谱指纹”示意图。
一旦确定存在大气层，天文学家就可以利用光谱分析来寻找生命的线索。 根据我们对地球生命的了解，其存在的最佳线索是寻找氧气和甲烷的“光谱指纹”。
一切生物体都需要呼吸，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。 另一方面，植物吸入二氧化碳并呼出氧气。 动物在消化食物的代谢过程中，还会产生其他废气，例如甲烷。 所有这些气体都会在行星的大气层中积聚，产生一些可检测的特征。
氧气对于地球上的生命来说是不可或缺的。 地球上最早的微生物通过光合作用获得能量，并产生氧气并作为废气排出体外，就像今天的植物一样。 如果在系外行星上发现氧气和甲烷共存小行星发现水迹象，这可能是生命存在的最好证据。 地球大气中同时存在氧气和甲烷两种气体，这是地球上生物过程的结果。 如果没有生物过程的持续补充，这些气体最终将通过化学反应从大气中消失。
打破规则，寻找更好的生活标记
TRAPPIST-1e 行星为天文学家提供了探测外星生命的绝佳机会。 “如果我们真的很幸运，这个星球上的大气成分正如我们所预料和预期的那样，并且有了像韦伯这样完美而强大的探测工具，我们就可以继续收集大量的信息，剔除无用的信息。” 雷德伯格说，在寻找和识别生物标记之前，首先要确定的是大气中是否存在云以及星光的影响。
“如果我们能找到意想不到的生物标记，那将是非常令人兴奋的。我们想象的岩石行星就像地球一样，有坚硬的固体表面，加上一层薄薄的大气层，但实际上系外行星可能不是这样的，”戴明说。
例如，戴明想看看像海王星这样的系外行星上可能存在什么。 这些行星的直径约为地球的五倍，主要由冰物质组成。 太空望远镜在许多恒星周围发现了许多类似海王星的行星。 有趣的是，其中一些行星已经迁移到离恒星足够近的地方，以至于它们的表面被海洋覆盖。 这样，从地球表面来看，就有了适合生命生存的条件。 这些巨大的系外行星与海王星类似，具有更厚的大气层和更高的温度，使韦伯望远镜更容易探测到它们。
▲GJ 1214b艺术概念图。 韦伯望远镜的观测发现，这颗“迷你海王星”可能拥有闷热的大气层，这是银河系中非常常见的行星类型。 （来源：NASA官网）
新一代研究人员正在提出越来越多的创新想法来寻找生物标志物。 例如，科罗拉多大学博尔德分校的研究人员 Justin Wang 提议寻找聚羟基烷基酯（PHA）分子。 聚羟基脂肪酸酯是一类大量存在于微生物细胞（尤其是细菌细胞）中的高分子聚酯，也被称为“生态塑料”。 无论它出现在哪里，似乎都表现出一些鲜明的特征。
“我发现很多微生物都使用PHA，这就是为什么这些微生物能够在极其恶劣的环境中生存。” Justin Wang认为，极端环境是大多数其他生命无法生存的地方，因此生态塑料分子正是人们寻找的可能存在于极端环境中的分子。
他认为此类搜索可以在火星等行星上进行，机器人可以在那里收集灰尘样本进行分析。 虽然他不确定 PHA 是否会在行星的大气层中积聚以形成可检测的特征，但这个想法无疑增加了找到生物标志物的几率。 也许我们对生物标志物的定义和我们寻找的范围太窄了。
目前最有可能适宜居住的行星
科学家通过探测系外行星的大气层来寻找宜居行星。 以下是迄今为止发现的最有希望的宜居行星。
LHS 1140b
惠普尔天文台于 2017 年发现。 这是一个密度是地球6.48倍、半径是地球1.64倍的超级地球。 对它的大气层的探测表明，它的表面温度可能与地球非常相似。
特拉普派斯特-1d
2016年和2017年的公告称，TRAPPIST-1恒星有七颗行星绕其运行，其中至少三颗可能位于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。
特拉普斯特-1e
TRAPPIST-1e的物理特性与地球非常相似，半径是地球的0.91倍，质量是地球的0.77倍。 如果这颗行星有像地球一样稀薄的大气层，那么表面温度可能会与我们的非常相似。
特拉普派斯特-1f
TRAPPIST-1f的质量约为地球的0.68倍，半径与地球相似。 它位于恒星宜居带的外缘内，需要适度的温室效应才能将其表面温度提高到与地球相似的水平。
K2-18b
2015年，美国宇航局开普勒太空望远镜发现位于其母星宜居带的K2-18b大气层中含有水蒸气。 这颗恒星的质量是地球的8倍，半径是地球的2.6倍。 它要么是一颗“超级地球”岩石恒星，要么是一颗气态“迷你海王星”。
LP791-18c
LP791-18c 是 NASA 凌日系外行星勘测卫星 (TESS) 于 2019 年发现的另一颗超级地球/迷你海王星。 它的半径是地球的2.3倍，质量是地球的5.95倍，位置接近恒星宜居带的内边缘。