新方法分析行星大氣中散射光可幫助搜索系外行星生命跡象

遙遠的星球上有生命嗎？天文學家試圖找出的一種方法從分析從行星大氣中散射光。這些光線中的一些來自環繞運行的恆星，已經與大氣相互作用，並為其中所含的氣體提供了重要的線索。如果檢測到諸如氧氣，甲烷或臭氧之類的氣體，則可能顯示存在有生命物體，這種氣體稱為生物簽名。來自瑞士洛桑聯邦理工學院（École Polytechnique Fédérale de Lausanne）和意大利羅馬第二大學（Università degli Studi di Roma Tor Vergata）的一組天文學家開發一種統計模型，該模型可以幫助天文學家分析搜索這些生命跡象的結果。

自從二十五年前發現第一顆系外行星以來，已經發現了四千三百多顆。而且清單還在增長：每兩到三天就會發現一組新清單。至今發現的約二百個系外行星是固態，這意味著它們主要由岩石組成，例如地球。雖然這不是行星能夠有生命存的唯一條件，它還需要有水並且離太陽一定距離，但這是天文學家用來集中精力進行搜索的標準。

在未來幾年中，使用氣相色譜法檢測行星大氣中的生物特徵將成為天文學中越來越重要的元素。該領域已經開展了許多研究計劃，例如2019年12月進入軌道的系外行星特性探測衛星（CHaracterising ExOPlanet Satellite，簡稱 CHEOPS），以及計劃於2021年10月發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）。

儘管在探測系外生物特徵方面取得了很大進展，但仍然存在幾個問號。這種研究的意義是什麼？以及我們應該如何解釋所得的結果？如果在行星上僅檢測到一個生物簽名怎麼辦？或者，如果未檢測到生物特徵，該怎麼辦呢？這些問題就是天文學家打算用他們的新模型回答的問題。

他們的工作從新的角度解決這個問題。傳統上，天文學家根據我們對地球生命和生物進化的了解來尋找另一個星球上的生命。但是，利用他們的新方法，天文學家們從一個未知數開始：我們銀河系中還有多少其它行星具有某種形式的生命。他們的模型綜合了一些因素，例如銀河系中與太陽相似的其它恆星的估計數量，以及在距這些恆星適度的距離內可能有多少顆固態行星繞軌道運行。它使用貝葉斯（Bayesian）統計數據（特別適合於小樣本量），根據檢測到的生物特徵數（一個，幾個或根本沒有）來計算銀河系中的生命概率。

從直覺上講，如果我們在另一個星球上找到生命，那麼在銀河系中可能還有許多其它物種的生物是有道理的。但是有多少呢？羅馬第二大學物理系天文學和天體物理學教授阿米德奧·巴爾比（Amedeo Balbi）說。「我們的模型將直觀的假設轉化為統計計算，並讓我們確切地確定數字在數量和頻率上的含義。」

瑞士洛桑聯邦理工學院複雜物質物理實驗室的科學家克勞迪奧·格里馬爾迪（Claudio Grimaldi）說：「天文學家已經使用各種假設來評估給定星球上的生命有多可靠。」該科學家還隸屬於羅馬的恩里科·費米研究所（Enrico Fermi Institute）。因此，我們的研究目標之一是根據未來幾年將收集的新數據，開發一種加權和比較這些假設的方法。

鑑於在不久的將來可能會檢查的行星數量很少，並且假設生命將獨立出現在任何一顆行星上，研究發現，即使僅檢測到一種生物特徵，我們也可以得出更大的結論。超過95％的可能性證明銀河系中有超過十萬顆適合人類居住的星球，這比脈衝星的數量還要多。另一方面，如果未檢測到生物特徵，我們就不能得出結論，銀河其它地方不存在其它生命形式。

科學家們還研究了泛種論（panspermia）的理論，該理論指出，與其在一個給定的星球上獨立出現，不如將生命形式從另一個星球上繼承下來，例如通過有機物質或微觀有機體被彗星攜帶或在相鄰星球之間傳播。這意味著行星上生命的概率還取決於它與其它行星之間的距離以及各種生命形式（其物理特徵可能與我們所熟悉的生命形式截然不同）是否能夠抵抗太空的極端條件飛行並適應新星球。泛種論系數的變化會改變銀河系其它地方的推測行星數量。

【圖：互聯網；文：節譯自瑞士洛桑聯邦理工學院2020年8月18日新聞公佈】 研究全文刊登在2020年8月17日出版的《美國國家科學院院刊》