探索行星大氣的人

朗?考恩

在進入研究生院前，天文學家薩拉· 西格爾曾花兩個月的時間在加拿大荒涼的努勒維特地區劃獨木舟。她在沉重的行李中塞了一本物理書，她的未婚夫邁克·沃里克與她同行。兩人在急流中劃著獨木舟，渡過一汪汪湖水。在湖泊之間，他們就拖著獨木舟在森林中穿行。

一天早晨，西格爾發現遠處有一處林火。她并不擔心，只是想森林大火是常見的。但到了晚上，一股強風迎頭吹來，平靜的湖水白浪洶涌，仿佛在鍋中沸騰。借著風力，那火轉變了方向，燒到正對著他們的小路。為了等待風和火的平息，他們扎好營帳，在野外過了一夜。

第二天，考慮到最壞的情況已經過去，他們便劃著獨木舟沿一條小河逆流而上。突然，煙霧升起，午后的天空變得昏暗陰沉，橙色的火焰直撲河流的右岸。慌亂中，兩人放棄小舟爬向河邊的高地，在森林中的一片空闊地上扎了營。

第二天早晨，大火過去，他們終于安全了。然而西格爾忘不了那次經歷，而那遙遠天空留給她的印象更是難以磨滅。

西格爾很快發現，她的研究對象就是那些遠方天空中的大氣，但比努勒維特地區的大

氣遙遠得多。她被哈佛大學錄取攻讀天體物理學博士學位，在那里，她成了第一批研究遙

遠世界天空的人。那是幾千顆行星的世界，它們存在于太陽系之外。

現在，2 1年過去了，西格爾正在籌劃探測環繞著遙遠行星的大氣組成，它們能顯示很

多有關行星的信息，包括是否適合生命生存。例如在地球上，大氣中的氧和甲烷就是地球擁有生命的信號。當然，除此之外，生命也能產生其他氣體。在遙遠的星球上發現這些氣體能引導人們發現另一個地球——另外一顆巖質的、相對不大且能孕育生命的星球。那里的生命可以如細菌一般簡單，也可以是創造了文明的生物，也可能它們的文明比我們更加先進。

2 0 1 1年， 當西格爾4 0歲時，她開始將朋友和同行召集在一起，向他們征集找到另一個地球的辦法。她在講臺上用她特有的急速語調告訴聽眾，找到“地球2.0”并非像她曾經預測的那樣是一種必然，但如果大家同心協力，依靠艱苦的努力和非凡的想象力，這件事就有可能辦成。

西格爾說，發現第二個地球是一件“不可思議的事情的開始，是一個會延續數個世紀

的過程”，并預計“幾百年或者幾千年后人們將前往另一個世界”，而且“人們將回望自己，把我們稱為首次發現了另一個地球的人”。

然而，當西格爾開始她的職業生涯時，并沒有就將來想那么多。事實上，她最早的研究

是讓她回到過去——宇宙的黎明。

最初的研究

西格爾最初的工作是在哈佛大學探索非常遙遠的過去，那時宇宙中還沒有行星和恒星，處于宇宙大爆炸后大約幾十萬年，是宇宙誕生的時候。天文學家想知道在將近1 4 0億

年前，宇宙中最古老的光是怎樣與當時熾熱的氣體發生作用的。

今天的天文望遠鏡已經搜集了一些這種古老的光。像所有的光一樣，它們能講述一些

遙遠的故事。

一只燈泡發出的光看上去是白色的，但其實是由多種顏色或波長組成。當光穿過氣體

和塵埃，那些物質中的原子和分子就會吸收特定的波長，而光譜儀能顯示怎樣的波長被吸

收掉了。在白光被分解成組成它的多種顏色光的情況下，這種顯示是一種暗縫，它像指紋

一樣表明那些吸收了特定波長光的物質的原子和分子擁有怎樣的身份。

西格爾就是利用那些古老的光來研究在早期宇宙中究竟發生了什么。與此同時，其他研究者發現了一些銀河系中令人驚訝的事情。

例如，在1 9 9 5年，天文學家首次發現有行星正圍繞一顆像太陽一樣的恒星運行。在接下來的4年里，研究人員發現了七個這樣的世界，或者叫作系行星。這些發現引起了人們

的極大關注，科學家因此認為，行星在銀河系中是普遍存在的。接下來，人們開始懷疑，在那些行星中可能還存在生命。

第一批被發現的行星非常怪異，它們大多是巨大的氣體行星，很像木星，但和木星不同的是，它們離自己的中心恒星非常近，比水星與太陽的距離還要近得多。天文學家給這種接受著熾熱烘烤的行星起了一個綽號——熱木星。

開始的時候，人們認為，除了通過觀測中心恒星來了解這些行星的質量和距離外，人們對它們幾乎不可能有其他的了解。

在哈佛大學，迪米塔爾·薩塞羅夫是西格爾的導師，他意識到，西格爾曾經用來探索早期宇宙的技術也能用于研究熱木星。西格爾可以用光譜儀觀測恒星的光，不同的是，那些星光應該是穿過了系外行星的大氣層才抵達地球的。這樣一來，光譜儀就能顯示被那些大氣吸收后呈現的波長。

接下來，西格爾開始被一個陳舊的問題所困擾：我們在宇宙中是獨一無二的嗎？

天文學家發現了越來越多的系外行星，但他們沒有辦法到那些遙遠的地方去做進一步

的查證。現在，西格爾找到了一種辦法回答上述疑問。

▋進入外星世界

假如當年加拿大北部的林火靠近西格爾的時候她有一個光譜儀，她可以把儀器朝向太

陽。這時，光譜儀的測量值會讓她知道，那團火焰中到底流動著怎樣的氣體。

現在，讓我們想一想，假如天文學家能夠觀測一顆恒星發出的光穿過遙遠系外行星的大氣層，他們會發現什么呢？從理論上說，科學家可以用這種方法知道那個大氣層中的氣體組成，就像我們對地球大氣層能夠做到的一樣。這就是西格爾想要實現的理念。

2 0世紀9 0年代，一些科學家認為，想要了解環繞著系外行星的大氣層可能是沒有意義的妄想。首先，這些行星的存在看起來是如此模糊，天文學家只能間接地發現它們，即通過它們對中心恒星產生的引力知道它們的存在。

西格爾沒有灰心，她將證明他們的擔心是錯誤的。

西格爾表示，系外行星的大氣層是可以觀測到的，觀測的時機就出現在行星運行經過

中心恒星和望遠鏡之間的時候。這種經過恒星表面的現象叫作凌日。

即使工作繁忙，西格爾也要在每年夏天留出一個月時間去劃船或者露營。1 9 9 9年，她獲得博士學位，這是美國第一次將博士學位授予一位研究系外行星的人。

畢業不久，西格爾通過計算得出，一顆系外行星，即使是很小的系外行星，它的大氣層中也能比較容易地檢測到鈉的存在。這是因為鈉能在星光中產生一種可檢測到的暗縫。

2年后，即2 0 0 1年，天文學家證實了西格爾的預測。研究人員使用哈勃空間望遠鏡

檢測到存在于一顆熱木星外層大氣中的鈉，這是人類第一次檢測到了系外行星的大氣層。這顆行星圍繞一顆名為HD2 0 9 4 5 8的很像太陽的恒星運行。如此迅速、順利地通過觀

測證明了自己的預測，西格爾很是驚訝。

職業選擇

西格爾的童年是在加拿大多倫多度過的，那段日子并不順利。她小學時，父母離婚了。西格爾更親近當醫生的父親。父親對女兒有兩個態度：一是無論她做什么，他都相信她會做得很好；二是她應該選擇一份能夠養活自己的職業。針對第二個態度，天文學家似乎并不是一個正確的選擇。

然而1 0歲時，西格爾一家在位于安大略省東南的邦艾科省立公園體驗了一次露營。那

天半夜，西格爾來到帳篷外舉頭看天。“我震驚了，”西格爾回憶說，“天空布滿了星星，沒有星星的地方非常少。我完全不知道夜空居然是這樣的，沒有人告訴我這個。”

1 9 9 0年，西格爾進入多倫多大學學習物理，后來，這位年輕的女性轉而研究天文學。她現在就職于麻省理工學院，在那里探索具有驚人差異性的行星大氣，成為第一批分析熱木星和迷你海王星大氣組成的科學家。

銀河系包含數十億顆甚至更多的恒星，而天文學家已經在銀河系中找到了接近2 0 0 0

顆系外行星。有人估計，銀河系中可能存在著1 0 0 0億顆行星。

美國航空航天局的開普勒空間望遠鏡已經發現了許多系外行星，既包括像木星這樣的大個頭，也包括水星大小的小個頭，但最令人興奮的是那些介于兩者之間、很接近地球大

小的行星。天文學家估計，銀河系可能擁有4 0億顆和地球差不多大小的行星。

然而，西格爾并不滿足只是找到地球大小的行星，她需要一顆真正夠格被稱為地球雙胞胎的行星，它是另一個地球，圍繞著像太陽一樣的恒星運行。像我們的地球一樣，這個

“地球2.0”必須位于天文學家所稱的宜居帶，在那里，一顆行星繞著它的“太陽”運行的軌道會處在恰到好處的位置上，溫度不太高也不太低。在這種行星的表面，水也會保持液態。這非常重要，因為我們知道，液態水是生命存在不可或缺的因素。

尋找外星生命的新方法

作為搜尋工作的一部分，西格爾成了美國航空航天局系外行星凌日觀測衛星任務小組

的一員。這個簡稱為TESS 的項目是一個自動太空望遠鏡，預計2 0 1 7年發射。這臺望遠鏡將觀測天空中最亮的恒星出現的所有亮度變化，因為這可能意味著一顆行星正在經過那顆恒星的表面。

由于地球大小的行星相對較小，所以凌日行星途經恒星前方時是研究它們的最好時機。一旦發現了這種情況，另外一臺更加強大的望遠鏡就會在更多的細節上觀測它們。這是未來的一項太空任務，即計劃于2 0 1 8年發射的詹姆斯·韋伯空間望遠鏡。這臺望遠鏡能

確定系外行星大氣中的化學組成。這些化學組成暗示了行星上是否有可能存在生命，它們

包括甲烷、二氧化碳和水蒸氣。在地球的大氣層中，這些物質都存在。

2 0 1 3年，西格爾因她在系外行星方面的研究成果獲得了麥克阿瑟基金會的天才獎。她萌生了新的想法，即研究和地球不相似的系外行星上的生命跡象。這種系外行星上的生命和地球上的生命很不同，它們會在大氣中留下獨特的化學特征，西格爾將研究如何獲得這種類型的化學特征。

外星生命可能使用和地球生物很不一樣的化合物來維持生存，比如硫，其方式或許很像地球生物依靠碳生存的方式。若真是這樣，西格爾就想知道那種生命形式會如何影響自己星球上的大氣，并最終檢測到那種氣體。

為了達到這個目的，西格爾找到一個新的途徑，即在望遠鏡上利用一個巨大的屏來遮

擋星光。如果星光被遮擋住了，望遠鏡便能研究那些非常模糊的，甚至比地球還小的行星。

在另一項研究中，西格爾將和生物學家合作，探討系外行星上的生物有可能向大氣中釋放怎樣的氣體。毫無疑問，未來西格爾的工作還有很多。