隨著韋布空間望遠(yuǎn)鏡（JWST）升空，探索系外行星的研究領(lǐng)域正悄然發(fā)生變化。

毫無(wú)疑問，我們很快就將得以深入了解太陽(yáng)系以外的那些可能與地球類似的巖質(zhì)世界的情況?；蛟S某一個(gè)這樣的遙遠(yuǎn)世界上會(huì)有生命存在。但問題是，我們能探測(cè)到它嗎？

我們也許能夠從行星的大氣成分中發(fā)現(xiàn)生命的跡象。我們可以使用一種能夠?qū)⒐獍床ㄩL(zhǎng)劃分的名為透射光譜術(shù)的技術(shù)，尋找星光通過(guò)行星大氣層時(shí)不同氣體可能留下的蹤跡。

一些吸收星光的氣體可以告訴我們，這顆星球上有可能存在著生命，這些就被稱為生物特征。以下就是四種最具代表性的潛在生物特征。

1. 氧氣和臭氧

氧氣或許是最顯而易見的生物特征之一了。植物制造氧氣，我們呼吸氧氣。巖石記錄顯示，隨著生命的演化，地球大氣層中的氧氣水平發(fā)生了巨大的變化。我們所呼吸的氧氣是 O ，也就是兩個(gè)氧原子 " 粘 " 在一起。但是氧還可能構(gòu)成另一種結(jié)構(gòu)，也就是 O 或者叫臭氧，我們同樣可以借助 JWST 對(duì)臭氧進(jìn)行觀測(cè)。

那么，如果我們檢測(cè)到這類氣體，工作就完成了嗎？并不是這樣。另一種可能產(chǎn)生大量大氣氧氣的情況是，一顆星球正在經(jīng)歷 " 來(lái)勢(shì)洶洶的溫室效應(yīng) "。一旦一顆星球熱到足以讓水海洋蒸發(fā)，大氣中產(chǎn)生的水蒸氣就會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)，這會(huì)將星球過(guò)度加熱到無(wú)法兼容生命的水平，并形成一種反饋循環(huán)。

最終，這顆星球?qū)⒆兊梅浅?，以至于水分子?huì)分解成氫和氧。氫分子很輕，可以快速移動(dòng)，足以輕松地逃脫星球的引力，而更慢吞吞的氧往往會(huì)留在那里，隨時(shí)準(zhǔn)備被探測(cè)到，從而 " 欺騙 " 那些毫無(wú)戒心的天文學(xué)家。

2. 膦和氨

目前尋找生命的重點(diǎn)可能主要放在了系外行星上，但最近也有一些離家更近的進(jìn)展。膦是一種在氫為主的大氣中會(huì)自然出現(xiàn)的化合物，比如木星和土星那樣的氣態(tài)巨行星的大氣中。

然而，它最近也在金星的大氣中被疑似探測(cè)到。有趣的是，膦被認(rèn)為是一種潛在的生物特征。在地球上，膦是由微生物產(chǎn)生的，比如動(dòng)物腸道中。 根據(jù)這樣的認(rèn)知，如果沒有生命存在，我們就不會(huì)預(yù)期在類似金星那樣的大氣中，會(huì)有大量的膦存在，因?yàn)榻鹦谴髿獾闹饕煞质?a class="external" href="http://m.hddsmy.com/tag/eryanghuatan" title="查看與 二氧化碳 相關(guān)的文章" target="_blank">二氧化碳。也就是說(shuō)，如果金星的大氣中真的有膦，我們就不能排除膦可以有其他來(lái)源。

有臭味的氨是另一種潛在的生物特征氣體，也是由地球上的動(dòng)物產(chǎn)生的。與膦一樣，它在氣態(tài)巨行星上很普遍，但在沒有生命的情況下，通常被認(rèn)為不會(huì)出現(xiàn)在巖質(zhì)世界上。

然而，在遙遠(yuǎn)的系外行星的大氣中探測(cè)膦或氨可能極具挑戰(zhàn)性。兩者在地球上的濃度都很低，大約只有十億分之幾。因此，除非那些可能存在的 " 外星生物 " 比地球動(dòng)物要臭得多，否則我們可能不會(huì)輕易發(fā)現(xiàn)他們。

3. 甲烷加二氧化碳

能夠成為明確的生物特征的單個(gè)氣體其實(shí)并不多，所以，如果我們想探測(cè)生命，可能最好尋找一種成功的組合。

在地球上，有大量甲烷是由動(dòng)物放屁產(chǎn)生的。甲烷再加上二氧化碳，就成了一種很好的提示，這個(gè)組合可以說(shuō)明有一些事情正在發(fā)生。

如果有足夠的氧氣，那么碳更愿意以二氧化碳（CO ，一個(gè)碳原子和兩個(gè)氧原子）的形式與氧氣相處，而不是形成甲烷（CH ，一個(gè)碳原子和四個(gè)氫原子）。在富氧環(huán)境中，任何碳 " 發(fā)現(xiàn) " 自己在甲烷分子中時(shí)，都會(huì)迅速拋棄它的氫伙伴，而選擇幾個(gè)多余的氧原子。

當(dāng)條件允許時(shí)，碳更傾向于和氧結(jié)合。（圖／Joanna Barstow, The Conversation）

因此，看到大量甲烷和二氧化碳共存，或許暗示著有什么東西正不斷生產(chǎn)著甲烷，也許就是細(xì)菌。

4. 化學(xué)不平衡

我們可以將上述論點(diǎn)應(yīng)用在任何不應(yīng)該 " 愉快 " 共存的氣體組合中。生命破壞了原本環(huán)境的化學(xué)平衡，因?yàn)樗柚瘜W(xué)反應(yīng)來(lái)產(chǎn)生能量。

在地球上，氧氣被轉(zhuǎn)化成了二氧化碳，但在不同類型的大氣中，有不一樣的化學(xué)物質(zhì)可用，生命也可能使用不同過(guò)程來(lái)實(shí)現(xiàn)同樣的目標(biāo)。例如，生活在地球海洋深處熱液噴口周圍的產(chǎn)甲烷菌，從礦物和化合物中獲取化學(xué)能量。

尋找不平衡，讓我們能夠?qū)ζ渌胤降纳赡苁鞘裁礃幼颖в幸环N開放的心態(tài)。

如果我們發(fā)現(xiàn)外星生命的信號(hào)會(huì)怎樣？

JWST 已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們對(duì)系外行星大氣層觀測(cè)的預(yù)期。盡管它已經(jīng)如此強(qiáng)大，但是要使用透射光譜來(lái)研究溫度溫和、大氣層以氮?dú)饣蚨趸紴橹鞯膸r質(zhì)行星，仍是非常大的挑戰(zhàn)。來(lái)自這些行星的信號(hào)，很可能比我們?cè)跓釟鈶B(tài)巨行星大氣中成功觀測(cè)到的信號(hào)要弱得多。

如果我們有幸在一顆巖質(zhì)系外行星的大氣層中觀察到吸收星光的氣體，比如著名的TRAPPIST-1e，我們還要測(cè)量這些氣體的含量，才能得出有意義的結(jié)論。這并不簡(jiǎn)單，因?yàn)樾盘?hào)可能會(huì)重疊，所有細(xì)節(jié)都需要仔細(xì)地加以區(qū)分。

TRAPPIST-1e 的藝術(shù)家暢想圖。（圖／NASA, JPL-Caltech）

即使我們真的探測(cè)到并準(zhǔn)確測(cè)量了一種可能的生物特征氣體，這仍有可能離探測(cè)到外星生命還有千里之遙。

JWST 只是剛剛打開了一個(gè)新的、豐富的行星大氣實(shí)驗(yàn)室，隨著探索的深入，我們甚至有可能發(fā)現(xiàn)，先前的許多假設(shè)其實(shí)都是錯(cuò)誤的。

人們往往在發(fā)現(xiàn)一些不尋常的東西時(shí)，就傾向于拿外星人當(dāng)結(jié)論，這其實(shí)相當(dāng)幼稚。JWST 的生物特征檢測(cè)將是一種有趣的提示。但對(duì)天文學(xué)家而言，這已經(jīng)足夠令人興奮了。