搜尋外星文明的新策略：尋找氧氣、水和葉綠素

盡管近年來已經發現了數以千計的太陽系外行星，但我們對這些系外行星的大氣成分知之甚少。這些系外行星的大氣層中可能存在與生命有關的成分，只是我們現在還沒有辦法進一步掌握。日前，科學家提出了一個新觀點，認為通過探測地外行星的氧氣、水和外星植物的葉綠素，可以更有效地搜尋外星生命。也就是說，搜尋工作應當聚焦于生命信號——生命體產生的化學物質。

美國普林斯頓高等研究所的天體物理學家蒂莫西·布蘭特和大衛·皮格爾認為，水和氧氣是生命生存必需的元素，如果我們探測到某顆系外行星上有水和氧氣，就很可能暗示著其上存在生命跡象。而地球因為存在葉綠素使得光線變得略紅，如果地外植物能夠將陽光轉換為能量，也可以使它生活的星球的光線變紅一些，與葉綠素的作用相近。因此，他們主張接下來的系外生命搜尋計劃應當著眼于探測系外行星上的水、氧氣和葉綠素。

兩位科學家提出了一個簡單的大氣模型，可以復制系外行星的光譜并判斷其中水、氧氣和葉綠素的跡象。他們的模型中很少有自由參數，從而增加了模型的統計學意義，也使得更有意思的參數（比如水或氧氣）可以被估算出。他們試圖量化最優的設計和最低性能，從而達到美國航空航天局對類地行星特性描述的目標。他們從一個粗糙但大致正確的類地行星光譜近似值入手，試圖在一個他們能很方便地修改云層、地表和大氣成分的環境中捕獲地球的主要光譜特征，并用來驗證他們提到的統計方法。

美國航空航天局的一個重要的長期目標就是檢測、描述系外行星，并通過探測它們的光譜來搜尋生命跡象。因此，美國航空航天局等太空研究機構計劃研發直接成像系統，能夠用熱或者反射光觀測太陽系外行星，從而確定它們的大氣結構與成分。計劃研發的高科技大口徑天文望遠鏡（ATLAST）還可以在波長0.5微米至1微米之間尋找氧分子、臭氧分子和水分子的光譜跡象。這些分子在這一光譜范圍中是最突出的吸收體，也是形成生命的要素。

布蘭特和皮格爾認為，這一任務通過測量系外行星的光譜來檢測水、氧氣和葉綠素，以此來確定什么樣的成分及濃度暗示著某顆系外行星上存在外星生命。他們的研究結果表明，根據這個模型，高科技大口徑天文望遠鏡能夠探測到一顆圍繞臨近恒星運行的類地行星的水與氧氣，但想識別出葉綠素需要更高的靈敏度或者非常走運。兩位科學家建議，我們應該設計一個著眼于氧氣的工具，而后圍繞一個或幾個特殊的目標尋找葉綠素。

模型中，兩位科學家用一個已知行星的光譜、可能的大氣成分的吸收光譜和瑞利散射構建了一個假想的系外類地行星的光譜?，F在要做的，是通過觀測對這個完美的光譜及其光度進行測量校準。他們的分析集中在光學和近紅外波段。在這些波長中，雙原子氧和水對0.6微米至1微米波長的光有非常突出的吸收特性，而像巖石、沙子這類物質則缺乏強烈的光譜特性。在短波長上，他們則利用了衍射極限分辨率的優點。

系外行星表面物質的光譜反照率是在可見波長范圍內變化的，因此，他們把未知的光譜光度測量校準和表面反照率組合成自由乘法低階多項式。

葉綠素在0.72微米的“紅邊”是一個例外，兩位科學家使用軟化亥維賽函數，并在參數的選擇上與ASTER函數庫的植被特征相匹配（ASTER是美國航空航天局主導的項目，是特拉對地觀測衛星上的一種高級光學傳感器，包括了從可見光到熱紅外共14個光譜通道，可以為多個相關的地球環境資源研究項目提供科學、實用的衛星數據）。

氧氣和臭氧。星球上的紫外線可以將雙原子氧轉化為臭氧，因此兩位科學家想在他們的模型中通過同時搜尋氧氣和臭氧，來更容易地探測到大氣中的氧氣。不過，任何同時尋找氧氣和臭氧的儀器都需要設定一個更高的意義閾值，來解釋臭氧能模擬一個變量光譜反照率的能力。

水。水有一系列的強吸收性和各種各樣的有效寬度，使它比雙原子氧更容易被檢測到。科學家研究發現，在光譜分辨率過低時，吸水率會變得越來越難和地表反照率以及光譜光度測量校準中的誤差區分開?？茖W家指出，檢測水的最佳光譜分辨率是40，低于能檢測到氧氣的分辨率，并且反映了其更廣泛寬度的特性。

葉綠素的“紅邊”。地球上的葉綠素在反照率約0.7微米處大幅上升，稱為“紅邊”。如果有類似的特性在地球外被檢測到，一個很大的暗示就是：有光合作用的外星生命可能使用不同的色素分子。

兩位科學家把植被反照率近似于軟化亥維賽躍階函數，它在波長0.5微米至1微米間提供了一個合理的匹配。雖然反照率在純植物生命中跳躍很大，從5%增加到50%，但在集成的地球光譜中就弱得多。這既跟植被的覆蓋率有關（在地球表面，植被的覆蓋率大約為15%），也跟這一地區云層的光學厚度有關。

通過計算，兩位科學家得出結論，對類地行星來說，檢測到氧氣需要的信噪比是水的2倍，而要檢測到葉綠素，即使已經知道外星生命使用的色素分子，其所需要的信噪比也比氧氣高6倍。為了使葉綠素和氧氣一樣能夠易于檢測到，他們必須假定類地行星只有少量云層，且其植被覆蓋率至少達到30%。但是，沒有云層的類地行星意味著反照率較低，使其難以達到給定的信噪比，也很難想象生命會發生在一個無云的世界里。

因此，兩位科學家認為，未來的探索任務應該制定探測擁有水和氧氣的系外行星的標準。如果確認存在水和氧氣，接下來就應該檢測其上是否存在葉綠素。一旦發現，它將能非常明確地證明，在遙遠的世界里真的有植物生命的存在。endprint