韋伯太空望遠鏡發現外星生命跡象的四種方法


新的韋伯太空望遠鏡改變對系外行星的研究,即是那些圍繞太陽以外的恆星運行的世界。很快就會獲得對太陽系以外岩石行星,一些可能類似於地球條件的第一次深入了解。這些遙遠的世界之一可能擁有生命。 但我們能檢測到它嗎?

我們或許能夠在這顆行星的大氣層成分中發現生命跡象。我們可以使用一種稱為透射光譜的技術,將光按照波長進行劃分,在星光穿過行星大氣層時尋找不同氣體的踪跡。

一些星光吸收氣體可能顯示地球上存在生命。 我們稱這些為生物印記。

1.氧氣和臭氧

氧氣可能是最明顯的生物印記。植物製造它,生物呼吸它,岩石記錄顯示,隨著生命的進化,地球大氣中的水平發生巨大變化。我們呼吸的氧氣是 O₂,兩個氧原子粘在一起。但是使用韋伯太空望遠鏡也可以觀察到氧氣的另一種形態,就是O₃或者叫做臭氧。

那麼,如果我們檢測到這些氣體中的一種或兩種,就完成任務嗎?不幸的是沒有。另一種可能產生大量大氣氧氣的情況是行星正在經歷失控的溫室效應。一旦行星的溫度足以使到它的水海洋蒸發,由此產生的大氣中的水蒸氣就會在反饋循環中產生溫室效應,將行星加熱到與生命不相容的水平。

最終,地球變得足夠熱,水分子可以分解成氫和氧。氫分子很輕,可以移動得足夠快,很容易逃脫地球的重力,而更緩慢的氧氣往往會粘在周圍,隨時探測到並欺騙那些毫無戒心的天文學家。

2. 磷化氫和氨水

目前尋找生命的重點可能主要集中在系外行星上,但最近也有離我們更近的事態發展。磷化氫,是一種天然存在於以氫為主的大氣中的氣體,如氣態巨行星木星和土星的大氣,最近在金星的大氣中發現。有趣的是,磷化氫也認為是一種潛在的生物印記。

在地球上,磷化氫是由微生物產生,例如在動物的腸道中。如果不存在生命,我們不會期望磷化氫大量出現在以二氧化碳為主的類似金星的大氣中。也就是說,我們還不能排除金星上的其它磷化氫來源。

惡臭的氨是另一種潛在的生物特徵氣體,也是由地球上的動物產生的。像磷化氫一樣,它在氣態巨行星上普遍存在,但在沒有生命的情況下,預計不會出現在岩石世界上。

然而,探測遙遠系外行星大氣中的磷化氫或氨可能具有挑戰性,兩者在地球上的濃度都只有十億分之幾。因此,除非潛在的外星人比地球上的動物更臭,否則我們可能不會很快發現他們。

3. 甲烷加二氧化碳

具有明確生物特徵的單個氣體很少見,因此如果我們想檢測生命,最好尋找一個成功的組合。地球上放屁的動物產生的大量甲烷,加上二氧化碳,將是一個很好的暗示,顯示正在發生一些事情。

如果有足夠的氧氣可用,那麼碳更喜歡與氧氣一起作為二氧化碳(CO₂,一個碳原子和兩個氧原子)而不是形成甲烷(CH₄,一個碳原子和四個氫原子)。在含有豐富氧氣的環境中,任何存在於甲烷分子中的碳都會迅速拋棄其氫夥伴,轉而使用幾個備用氧。

因此,看到大量甲烷和二氧化碳共存意味著某種東西,可能是細菌正在不斷地產生甲烷。

4. 化學失衡

我們可以將上述論點應用於不應該愉快共存的任何氣體組合。生命破壞環境的化學平衡,因為他會利用化學反應產生能量。

在地球上,氧氣轉化為二氧化碳,但在不同類型的大氣中,有不同的化學物質可供使用,生命會使用其它過程來實現相同的目標。例如,生活在地球海洋深處的熱液噴口周圍的產甲烷細菌從礦物和化合物中獲取化學能。尋找不平衡讓我們對其它地方的生活可能是什麼樣子保持開放的態度。

如果我們發現外星生命的訊號會發生什麼?

韋伯太空望遠鏡已經超出了我們對系外行星大氣觀測的預期。然而,儘管它很強大,但溫度溫和、大氣以氮或二氧化碳為主的岩石行星仍然難以使用透射光譜進行研究。我們預期從這些行星發出的訊號比我們在熱氣巨行星大氣中成功觀測到的號要弱得多。

如果我們有幸在一顆岩石系外行星(例如 TRAPPIST-1e)的大氣中觀察到吸收星光的氣體,我們仍然必須測量這些氣體的存在量才能得出有意義的結論。這並不簡單,因為訊號有機會重疊並且需要仔細解開。

即使我們確實檢測到並準確測量到一種可能的生物特徵氣體,我們也不能聲稱已經檢測到外星生命。韋伯太空望遠鏡只是開闢了一個新的、豐富的行星大氣實驗室,當我們探索時,我們無疑會發現我們之前的許多假設都有機會證明是錯誤。

每當我們發現一些不尋常的東西時就對外星人下結論還為時過早。韋伯太空望遠鏡生物印記檢測將是一個有趣的提示,承諾要做更多的工作。作為一名天文學家,這些事情已經足夠令人興奮。

【圖:歐洲南方天文台;文:節譯自物理學機構網頁】

發表評論