解讀“生命之光”，尋找“生命行星”

張唯誠

大約400年前，伽利略用他新制的望遠鏡第一次觀測了月亮，他看到陽光照射布滿隕石坑的月面時呈現了一些亮區和暗區，這使他聯想到了地球。于是他認為月亮同樣是一顆擁有陸地和海洋的星球。與伽利略同時代的另一位科學家開普勒也認為月亮上有陸地和海洋，還可能有生命。他認為，生命很有可能就生活在月亮上那些很大的、近乎完美的圓形隕石坑中。英國天文學家威廉·赫歇爾是恒星天文學的創始人，他發現了紅外線，也是天王星的發現者。赫歇爾觀察月亮后認為，月面上有道路、城鎮、金字塔和一些“略帶綠色”的區域。

對于火星和金星，早期的觀察者也同樣給予了很多令人興奮的描述，他們認為火星上那些變動的暗斑是隨季節生長的植物，而金星則由于覆蓋著濃密的大氣而被認為幾乎就是另一個地球。

現在我們知道，月亮上那些或明或暗的斑塊是被熔巖塑造的巨大平原和盆地；火星上那些變動的暗斑是劇烈的塵暴；至于金星則是一個名副其實的煉獄，溫度接近500℃，其大氣主要是二氧化碳，“金星云”是由濃硫酸和硫磺組成的。

然而，早期的觀察者們盡管由于受到望遠鏡觀測能力的限制而作出錯誤的判斷，但他們用光線的反照推測星球環境的方法卻是正確的。1990年，“伽利略”號木星探測器果真從遠處回望了地球，并用照相機和分光計記錄了來自地球的光。科學家們在這些光中找到了反映地球上存在生命現象的各類光譜特征。

發現地球明暗之間的秘密

首先，“伽利略”號上的可見光照相機記錄了地球表面暗區和亮區的對比度，發現地球的吸收光譜中有水蒸氣和二氧化碳的明顯特征。水蒸氣暗示地球表面存在著豐富的水，而二氧化碳則顯示地球是一個巖石行星，將這些證據結合起來，觀測者便可以對地球的狀況作出一個判斷：地球上的暗區有可能是海洋，而亮區則是陸地。科學家們還發現，有些亮區還顯示出另一種奇怪的光譜特征，它是葉綠素的標志，表明地球的表面覆蓋著植物，地球的反射光把植物的秘密透露給了宇宙，這個秘密就是光合作用。

地球上存在生命的證據看來已經足夠了，然而“伽利略”號還讓我們發現了更多，它的光譜探測還顯示，地球大氣中存在著豐富的氧和甲烷，這樣的配置在化學上可以說是一個奇跡。氧具有高度的活性，能輕而易舉地將甲烷氧化成水和二氧化碳。假若在一個行星上，充滿氧的大氣中有一些甲烷，某種熱力學的神奇過程就會持續不斷地發生，在地球上，這個過程就是生命活動。氧是進行光合作用的有機物在代謝過程中產生的副產品，甲烷中的一小部分產生于地殼緩慢的地質學過程，而大多數則是各種古老微生物群落的排放物，還有一些來自于沼澤、農作物以及動物們的消化過程。

所有這些來自“伽利略”號的觀測數據都能證明地球是一顆擁有生命的星球，這表明來自行星的光能告訴觀察者這顆行星上是否存在著與生命相關的信息。這種通過分析行星上的光譜特征研究系外行星的方法正在為科學家們所重視，它將為未來尋找宇宙生命的探索活動帶來新的契機。

“虛擬行星研究室”計劃

在過去的20多年里，天文學家們已在宇宙中發現了大約600顆環繞恒星運行的系外行星。2009年發射的“開普勒”太空望遠鏡更是名副其實的“行星獵手”，僅僅2011年，它就鎖定了1700個系外行星的候選者。研究表明，此前人們發現的系外行星中，有些的確很有可能存在生命。它們和地球差不多大小，運行在適宜液態水存在的“可居住帶”里。從理論上說，在這樣的行星上，生命存在的可能性是很大的，人類真的找到系外生命的可能性似乎不會太遠了。

然而，“伽利略”號回望地球時的距離太小，而科學家們觀測到的系外行星則至少距離地球好幾光年，在那樣遙遠的距離下，人類是否還有能力獲得可以用作研究的行星光譜呢?

從理論上說，對這個問題的回答應該是肯定的，“哈勃”太空望遠鏡和“斯皮策”太空望遠鏡已經獲取了不少系外行星的大氣光譜。當那些系外行星在軌道上運行到恒星和地球之間時，它們從地球的方向看上去就仿佛穿越了恒星的表面，這時恒星的光會透過行星的大氣被地球方向的望遠鏡觀測到，而行星的大氣光譜也可以被科學家們記錄下來。遺憾的是，這些系外行星都是巨大的氣體行星，它們上面不可能有生命存在。相比較而言，“開普勒”太空望遠鏡更技高一籌，它能使用類似的方法觀察更小更冷的系外行星，從而確定那些系外行星的大小和軌道特征，而正是這些小而冷的行星通常由固體的巖石組成，其上有可能存在生命。

由于受到技術方面的限制，“開普勒”只能做到這一步。利用光譜尋找地外生命的探索活動不得不另辟蹊徑——科學家們正在致力于一個用計算機模擬的方式研究系外生命的新計劃。他們首先要確定生命在一顆行星上得以存在所必須具備的各種因素，包括天體物理學方面的，大氣方面的以及地質學方面的，然后推斷這些因素如何在一個漫長的變化中演化出一個可供生命出現的行星環境。有了這個模型，科學家們便可以將這個虛擬的行星世界放到宇宙中的各個地方并推斷我們在若干光年之外觀察它時會呈現怎樣的模樣。科學家們可以從不同的角度觀察這個虛擬的行星世界，也可以推斷這個世界的不同發展階段，并還原在不同的觀測距離和角度上理應呈現出的光譜特征。這個計劃被科學家們命名為“虛擬行星研，究室”(Virtual Planetary Laboratory，簡稱VPL)。該計劃負責人、美國行星科學家維多利亞·梅多斯解釋說，“虛擬行星研究室”的目標就是要打造一件“工具”，當來自“開普勒”或者其他望遠鏡的有關系外行星的數據生成后，這個模擬的世界能告訴我們生命在那些行星上存在的可能性有多大。

藍，生命的藍

要完成這項計劃，科學家們需要找一顆已經存在生命的、最可靠又最容易模擬的行星，毫無疑問，這顆行星就是地球了。這顆藍色星球能夠讓科學家們在不同的光照條件下從不同的角度去仔細地研究一顆存在生命的行星在宇宙遙遠的地方看上去究竟是怎樣的。這個計劃也使我們得以推測從非常遙遠的地方回眸我們的地球在環繞太陽運行時呈現了怎樣的狀態。

那么，在宇宙中，我們的地球看上去究竟是怎樣一種模樣呢?它首先是藍色的。這與我們的想象相符合，因為地球上的海洋就是藍色的，然而從遠處觀測到的這種藍色更多地與天空關聯著，原因就在于地球大氣中的氧和氮首先會將陽光中的偏藍部分反射到了宇宙中。“虛擬行星研究室”計劃的模擬顯示，測量系外行星中的紫外光和可見光的比率也許就可以從很遙遠的地方獲得這種反射，而這種反射至少表明，一個和地球類似的生命世界有可能就隱藏在這種藍色之下。

不過即使距離遙遠，海洋也仍然有可能被觀測到。假若觀測者碰巧處在一個合適的角度，行星和恒星的相對位置就正好能讓觀測者看到行星表面上一個纖細的弧，像新月一樣，這便是光線在水面上的反射。當行星上覆蓋著海洋的地方旋轉到一定的方位時，光會從水面上反射出來，就像鏡子的表面將光線反射出來一樣，這就是行星上存在著海洋的信號。

搜尋“生命之光”的望遠鏡

當然，生命明顯的信號單靠任何一架望遠鏡是不容易被發現的，因為這些信號分布在光譜的多個波段上，例如水蒸氣和氧表現為可見光和近紅外光，而甲烷、二氧化碳和臭氧則表現為波長更長一些的紅外光。這種時候，模型便可以發揮作用了，它能模擬不同的環境，從而將糾纏在一起的成分區分開來。在“虛擬行星研究室”計劃中，科學家們的一項重要任務是估算來自恒星的光如何使運行在“可居住帶”中的行星環境發生變化，這些恒星可能在大小、溫度、光度上都與我們的太陽大不相同。科學家們將在模擬的環境中對恒星的光進行加強和減弱，或在行星的大氣中的添加或者減少某些成分。

科學家們期待未來的望遠鏡能在尋找宇宙生命的過程中大顯身手。由于紅矮星的“可居住帶”離恒星很近，在那里運行的行星由于引力對恒星造成了擺動使得它們更容易被發現，所以運行于這種恒星周圍的行星很受關注。預計于2018年后升空的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡被人們寄予了很大的期待，因為當行星穿越紅矮星表面時，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有希望捕獲到這些行星的低分辨率大氣光譜。也許未來的望遠鏡可以搜尋到有價值的“生命之光”，人類尋找系外生命的探索活動將由此進入一個新階段。

【責任編輯】龐云