行星照中觅生命

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 程思淼

行星照中觅生命

□ 文 柯文采(Thijs Kouwenhoven) / 翻译 程思淼

由于有植被覆盖，地球上的大部分陆地从太空看去呈现绿色。但如果通过近红外波段（比红光波长稍长）观察地球，就会看到一幅不同的景象。由于植物对近红外光的反射率比对绿光要高得多，植被区在近红外波段下比沙漠甚至冰盖还要明亮得多。只要望远镜的威力足够强大，能够分辨单个行星，那么天文学家也可以利用这一现象在近红外波段寻找生命的痕迹。图片来源：美国宇航局/约翰·霍普金斯大学应用物理实验室/华盛顿卡内基科学研究所。

柯文采（Thijs Kouwenhoven）北京大学科维理天文与天体物理研究所（KIAA）百人计划学者。

行星照：探索地外生命的钥匙

月上中秋节，莹莹如宝鉴。皓夜茫无边，五星亦可见。无论是皎洁的满月还是明亮的行星，它们自身都并不发光，我们之所以能够看见它们，是因为它们反射了来自太阳的光——确切地说，是反射了太阳光中的一部分。

火星主要反射红色的光，而月球反射的光呈现白色。由此我们可知，两个天体表面的物质并不相同。对于我们看见的行星、卫星及其光环反射来自太阳的光的这种现象，天文学家称之为“行星照”。

一颗行星或卫星对不同颜色光的反射强度，向我们间接提供了它的表面和大气成分的相关信息。仔细分析它的反射光谱，我们就能确定其大气的化学组成，因为每一种气体分子（如氧气、二氧化碳等）都会在光谱中留下自己特别的痕迹。有些大气成分，比如氧气，对我们所知道的生命来说是必需的。通过研究系外行星反射其母恒星光的光谱，也许有朝一日，我们将会发现这些“生命分子”也存在于系外行星的大气中。不仅如此，行星照也为人类探索宇宙中的其他生命形式打开了大门。

图中，月亮的一部分被太阳照亮，另一部分则处在阴影里。但是，我们却常常能用肉眼看到这个“阴影”。这部分其实是被地球表面（海洋、沙漠、森林、冰盖、云层等）反射的阳光照亮的。从理论上来说，通过比较明暗两部分的光谱，我们就能够得到地球大气的性质。不过，实践表明这是相当困难的。图片来源：Bob King。

行星照的性质

我们观测到的来自一颗遥远行星的光（这里指广义的“光”，即电磁辐射，包括可见光、红外线等），实际上是由来源不同的四种成分混合而成的：

1.来自行星的可见光主要是其反射母恒星的光。而到达我们望远镜的反射光量，取决于行星与其母恒星之间的距离、行星被照亮部分的比例以及行星表面的反照率。

行星被照亮部分的比例取决于母恒星照射行星的角度。月亮相位的变化就是一个典型的例子：新月相位时我们只能看到月亮黑暗的一面；反之，在满月相位时，月亮被我们看到的这一面就全都是亮的。

反照率取决于行星表面的物质成分，其定义为“反射光照度与照射光照度之比，数值在0（完全不反射）到1（全部反射）之间”。观测和研究行星光的这部分是比较容易的。行星的表面和大气情况会对电磁波（光）产生影响，使反射光的颜色、光谱性质与入射的恒星光有所不同（比如白色的阳光经火星反射后变成了红色）。通过比较两种光谱，我们可以对行星表面和其大气化学组成有所了解。

通过行星的光谱我们能够了解其大气成分的重要信息。地球与两个邻居——金星和火星——光谱的主要区别在于水蒸气和臭氧的吸收线。由于臭氧只能存在于富含氧气的大气中，所以这张光谱图是地球上存在生命的明显线索！

注：“行星照”（planetshine），狭义指行星反射的太阳光照亮卫星黑暗面的现象，比如月亮的“地照”。但本文中除“地照”外，涉及的“行星照”均取广义解，不仅包括行星反射的光，还有我们观测到的来自行星的一切辐射。

2.除了反射，所有的行星自身也都发出红外辐射，又称热辐射。在红外波段观测到的行星辐射，几乎全部都是这种黑体辐射（热辐射的一种理想形式，即不反射、不透射的物体发出的热辐射）。

宇宙中的每个天体都会发出由自身所具有的温度产生的辐射，其辐射的强度和主要成分取决于温度的高低：恒星表面十分炽热，热辐射主要集中在可见光；而行星则要冷得多，因而热辐射主要是红外线。同时，无大气的行星（如水星）昼半球和夜半球温差很大，而大气层较厚的行星（如地球）全球温度则基本保持恒定。对于有大气的行星，其大气成分对发出的红外辐射的性质也有很大影响，因为诸如二氧化碳、水蒸气和臭氧等都会吸收特定波长的红外线，阻碍地表辐射的红外线逃逸到太空中去。在地球上，吸收地表辐射红外线的主要是二氧化碳、甲烷和水蒸气。大气因吸收了这部分红外线而被加热，这一过程称为“温室效应”。借助人造卫星在太空中进行观测，能够清楚地看到哪些波段的红外线被地球大气吸收了。

3.行星上的一些自然现象，也会发出在太空中可以观测到的光，比如闪电、极光等。这些现象只会出现在拥有大气的行星上，而且在大部分已知拥有大气的行星上也都确实出现过。另外，当小行星或彗星与行星相撞时，也有可能观测到非常短暂的闪光。由于这些现象太过暗弱，持续时间又非常短暂，所以要在太阳系以外的行星上观测到这些现象，似乎还有很长一段路要走。

来自地球的辐射主要包括反射的太阳光（主要在可见光波段）和地球自身的热辐射（主要在红外波段）。一些自然现象也伴随着发光，如极光（主要呈绿色）、火山和流星体或小行星的撞击。另外，一些生物本身也会发光，而高度发展的文明体在夜晚制造的照明以及用于交流的无线电也可以在太空被探测到。图片来源：欧洲空间局。

4.在来自行星的光中，或许最有趣的就是那些由生命产生的了。就地球来说，夜晚的人造光污染在太空中可以看得清清楚楚，而由卫星、手机、电视/无线电发射塔等等发出的无线电波，甚至可以在距地球数光年之外的地方探测到。除此之外，地球发出的光线当中，还有一小部分来自能够发光的生物，如萤火虫和荧光藻类。在地球上，由生命体产生的光线微乎其微，但系外行星上的情况是否也是如此，我们还不能断言。

除了行星表面反射和发射的光，我们有时还可以观测到穿过行星大气的光。比如当一颗系外行星运行到母恒星和观测者之间，发生“凌星”（又称行星掩星）的时候。此时，行星本身遮住了一部分恒星发出的光，但在行星的边缘，会有很小一部分的恒星光穿过行星薄薄的大气层，最后进入我们的望远镜。行星大气中的每种成分都会吸收某些特定波长的光，仔细分析这些穿过行星大气的光，就能确定行星的某些性质。

凌星现象在太阳系中也会发生，即内行星运行到太阳前面，比如金星凌日、水星凌日。凌星发生时，恒星的总亮度被削弱。而凌星的发生是有规律的，因此，如果观测一个轨道倾角合适的系外行星系统，我们就会发现它的亮度呈周期性的、短暂的下降。这种“凌星法”是现在寻找系外行星的主要方法之一。

目前，要观测穿过系外行星大气层的光线，最主要的困难在于，行星的直径太小，凌星时只能遮住恒星圆面的很小一部分，而行星大气层与行星直径相比又要小得多，因此几乎不可能探测到混合在大量恒星光中的微量“行星大气光”。为了从背景中分离出这个微弱的信号，天文学家想出了一个聪明的办法：他们在“凌星”时拍摄一条光谱，然后在行星被恒星挡在后面（即“恒星光”中不混有“行星照”）时也拍摄一条光谱，将两者进行比较，于是两条光谱之差就是我们所需要的行星光谱。虽然这个方法并非完美，但它却是证认系外行星大气光谱为数不多的可行方法之一。目前，天文学家已经用这种方法，发现了一些系外行星大气中某些特定的原子和分子存在的证据。

欧洲空间局的“达尔文”计划与美国宇航局的“类地行星搜索者”计划致力于对系外行星进行直接成像，并获取其光谱。这些项目旨在直接或间接地发现生命的证据。遗憾的是，由于两个机构在削减预算，目前两个项目都处于停滞状态。图片来源：美国宇航局。

系外行星的成像与分光观测

在不远的将来，利用目前正在策划中的太空项目，如欧洲空间局的“达尔文”（Darwin）和美国宇航局的“类地行星搜索者”（Terrestrial Planet Finder），我们或许能够第一次对太阳系外的类地行星直接成像。不过，虽然它们将是那时世界上最锐利的图像，但仅仅根据它们大概也还不能分辨系外行星上陆地和海洋的轮廓。因此，这些太空项目将主要致力于观测和分析系外行星的光谱。通过光谱，我们将能够推断其大气（如果它们有大气的话）与表面（如果它们的大气和云层没有把表面完全遮住）的化学组成。我们或许还能在上面发现水蒸气、二氧化碳、臭氧甚至氧气。当然，这些耗资不菲的太空项目的主要目标之一，就是寻找系外行星大气中生命的证据。

为了分析系外行星的大气成分，首先，我们必须要能把来自行星与来自恒星的光分离开来。这在理论上并不困难，但实际做起来却极为复杂，因为恒星的光比行星要亮上几十亿倍。另外，这些行星系统离我们十分遥远，因此两个光源会看上去极为接近。直接用望远镜分辨系统中的行星是不可能的，因为它旁边强烈的恒星光将使接收粒子的探测器饱和溢出，获得的图像会变成白茫茫一大片。因此，望远镜上需要装备能够遮挡恒星光的设备。（注：与日冕仪原理类似，相当于人造一次日食，以观测周围暗弱的日冕。这不是简单地在探测器上挖一个洞就能够解决的。）对这样得到的图像进行细致的处理和分析，再加上一点运气，最终或许能够得到来自行星的“纯净”光，然后再对光谱进行分析，也许就能对其大气组成得出些结论。

“生命的证据”：我们要找的是什么？

在太空中也能够辨别地球上的生物。用叶绿素进行光合作用的绿色植物尤其明显。不过，我们在这里是事先知道了植物是绿色的。如果我们发现一颗行星上有一个紫色的岛呢？这是否可能是生命的痕迹？或者我们也可以研究大气的性质。二氧化碳和甲烷虽然可能来自动物，但如图中所示，它们也可能由火山喷发进入大气。氧气和臭氧相对要好一些。不过这些物质说到底只是与地球上的生命关系密切，系外行星上的生命也会制造这些物质吗？图片来源：欧洲空间局。

十分遗憾，我们并不十分清楚自己要找什么，因为我们对地外生命的化学性质还完全不了解。不过，我们对地球上的生命还是有些认识的，所以我们至少可以去寻找那些与地球上差不多的生命的证据。

地球上的大部分二氧化碳和甲烷来源于动物（呼吸、沼气发酵等），不过也有少数来自火山喷发。由于无机的火山活动也会向大气中排放这些气体（比如金星和火星），所以它们并不能作为生命存在的有力证据。相比之下，氧气更能揭示生命的存在：它几乎全部是由绿色植物和藻类产生。氧气的氧化性很强，与各种物质都能发生反应，结合成新的化合物，如与氢气结合成水，与碳结合成二氧化碳，与金属结合成金属氧化物（如铁生锈）、与硅结合成硅酸盐岩石等。因此，如果我们在一颗行星的大气中发现了大量的氧气，那就说明这颗行星上一定存在着持续产生大量氧气的机制。要想做到这点，就我们现在所知，只有行星上具有广泛的生态系统才可能。尽管氧气的存在很难观测，但它的副产物——臭氧却可以在很远的距离外探测到。如果在系外行星上发现了臭氧，那将会是上面可能存在生命的重要提示！

行星的颜色也可以提供关于生命的线索。如果我们看一张在国际空间站上拍摄的地球照片，立刻就会注意到上面大块的绿色区域，那就是地表的植被。更确切地说，我们看到的是叶绿素的颜色，正是这种分子在帮助绿色植物利用太阳光的能量。如果一颗系外行星也被这种绿色植被覆盖，它的云层又不太厚的话，整个行星看上去无疑也会是绿色的。除此之外，地球上的绿色植物还在近红外波段（波长比红光稍长一点的电磁波）有极高的反射率，这在太空中可以很清楚地观测到（见题图）。在天文生物学上，地球植被区的这个特征被称为“红边”（red edge），表现为与裸露的岩石区相比，有植被的地方在波长略超过人眼红端（约700纳米）的地方反射率急剧上升。未来的太空计划一定会对这意义非凡的绿色和“红边”特征多加注意。地外行星的反射光是否也有此性质，我们目前还没观测到；不过至少我们知道，绿色植被既然能够存在于地球上，那么它也应该能够存在于其他的行星上。

系外生命？先在太阳系里试试看！

我们都知道，地球上到处生机勃勃，而金星和火星则是一片死气沉沉。在已知的系外行星中，我们还没有在哪一颗上发现任何与生命有关的东西。我们对它们的大气进行细致的分析，但是我们怎么知道，自己所做的科学分析就是正确的呢？毕竟，我们还根本不知道外星的生物是什么样子。地外生命可能与我们所知的地球生命完全不同——如果真是这样，那么我们甚至连要在光谱中找什么都不知道。

1990年，旅行者1号飞船在60亿千米远处回望太阳系，地球只是一个暗弱的淡蓝色的点。迄今为止，在地照中寻找生命证据的努力都未能成功。地球尚且如此，在系外行星上寻找生命标记物就更加困难了。图片来源：美国宇航局。

囿于认识的局限，也许我们最好还是只在系外行星上寻找那些与地球上相似的生命。通过观察太阳系中行星的光谱，我们能够对自己所用的分析手段进行有效的测试。只有这样做，我们才能最大程度地保证，不会把一些并非生命的特征误认作生命的信号（如在火星上发现了甲烷，然而火星上并没有生命），或者是发生相反的情况。如果一切正常，我们应该能够在地球的光谱中发现生命的特征，而在金星和火星的光谱中则找不到。历史上的科学家们就是这样做的。

地照示意图。图片来源：欧南台。

第一个这样的实验是由旅行者1号（Voyage-1）探测器执行的。几十年前，这艘飞船造访了太阳系中的几颗气态巨行星，现在，它早已跨过冥王星的轨道，飞到太阳系的边缘区域了。1990年，旅行者1号从遥远的外太阳系拍摄了地球的图像。在图像中，地球看上去是一个“淡蓝色的点”。不过，旅行者1号上陈旧的探测器并没有能对来自地球的光进行细致的分析。2003年，欧洲空间局的火星快车号（Mars Express）重复了这一工作。借助飞船上更加先进的探测器，也得益于火星离地球较近，火星快车号拍摄了地球的光谱，并且“发现”了很多与地球上生命有关的分子在大气光谱中留下的痕迹。

另一边，在地球上的科学家也通过观测月亮，完成了与上述原理相同的实验。也许很多读者曾经注意到，在月亮只有一部分被太阳照亮的时候，它没有被太阳照亮的那一面，其实也并非完全黑暗不可见。这个现象称为“地照”，因为照亮这部分暗面的不是太阳，而是地球！我们看到的“朦胧”的暗面，实际上是太阳发出的光经过地球表面的反射，再由月亮将其反射进入我们眼睛的结果。因此，月球“亮面”与“暗面”光谱上的区别，就为我们提供了地球表面及大气性质的信息。经地球反射照到月亮上的那部分阳光，可能是由深蓝的太平洋，黄色的撒哈拉沙漠、绿色的巴西热带雨林，或者白色的南极冰盖反射的，因此不同时候的地照，性质也会有所不同。

世界各地的天文学家都试图在“月之暗面”中发现这种地球反射的影响，但是结果并不理想，要说在“月光”中能看出地球上存在生命的证据，实在是很勉强。就算月亮到我们只有一光秒的距离，就算普通人用肉眼都能看到月亮“暗面”的亮光，科学家在这里却怎么也找不到地球上有生命的证据。可是地球上到处都是生命啊！

看来，要在几十光年远的系外行星上发现生命存在的证据，我们真的还有很长的路要走……