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地球“指纹”指引人类探寻下一个家园

2019-10-31 16:32:46
[摘要] 目前,天文学家已发现4000多颗系外行星,研究这些行星的重要目标之一,就是找到另一个适宜人类居住的星球,为未知的将来寻找下一个家园。他们表示,在寻找类地系外行星时,可以利用地球“指纹”锁定目标。光谱特

资料来源:《科学技术日报》

太阳系外有生命吗?找到这个问题的答案就像在寻找圣杯。

目前,天文学家已经发现了4000多颗系外行星。研究这些行星的一个重要目标是找到另一个适合人类居住的行星,并为未知的未来找到另一个家园。

加拿大麦吉尔大学物理学教授尼古拉斯·考恩(Nicholas Cowen)和学生伊芙琳·麦克唐纳(Evelyn McDonald)花了10多年时间观察地球大气层,寻找地球的“指纹”。他们说,在寻找系外行星时,地球的“指纹”可以用来定位目标。几天前,他们的研究结果发表在皇家天文学会月刊上。

地球的“指纹”是什么?为什么我们能在系外行星上找到生命?这种方法可靠吗?

光谱特征中的生物标志物

地球的“指纹”是指地球大气层的光谱。"大气的不同成分在特定的温度和压力下会产生独特的光谱特征."中国科学院紫金山天文台副研究员陈果告诉《科学日报》。

如何获得大气光谱?天文学家使用凌星方法。凌星指的是太阳系外行星从它们的主恒星前面经过,导致恒星坠落。在凌星的时刻,恒星的一小部分光被行星的大气遮蔽,行星大气的成分在光谱中留下了独特的“指纹”。“通过比较凌星前后的光谱,我们可以推断出地球大气层中可能存在哪些分子。”南京大学天文与空间科学学院教授周立勇告诉《科学日报》。

地球的“指纹”包含甲烷和臭氧成分,它们被称为生物标志物。对此,陈果解释说:“臭氧和甲烷是两种在自然条件下产生化学反应的分子,导致甲烷或臭氧的减少。因此,除非有外部干预,我们不会看到臭氧和甲烷长期稳定共存。外部干预的方式之一是生命活动产生的生化过程的存在,它可以不断补充大气中的臭氧或甲烷。因此,观察臭氧和甲烷的共存是确认地球上存在生命特征的方法之一。”

如果在大气光谱中发现水蒸气,这可能意味着地球有独特的温度和压力条件以及液态水的可能性。“从目前人类的认知来看,液态水是生命赖以生存的基本条件之一。因此,水蒸气的发现是发现生命迹象的第一步。”

同样,氧气也是人类生存的基本条件之一。如果能找到臭氧,氧气很可能存在于这个星球上。臭氧层也能吸收附近恒星的紫外线辐射,这对保护生物体免受过量紫外线辐射和维持宜居环境极其重要。

“如果在一颗系外行星的‘指纹’中能找到类似地球传输光谱的生物标记,这在很大程度上表明生命可能存在于这颗系外行星上。”陈果说。

在路灯下寻找萤火虫

了解地球大气层的组成并不难。为什么我们要用凌星光谱的方法来获得它的“指纹”?

“正是因为我们不需要传输光谱来了解地球大气层的组成,我们才能够很好地验证传输甚至传输星光光谱在研究地球大气层组成方面的适用性和可靠性。”陈果说,凌星光光谱的更多目的是研究系外行星的大气成分,并寻找可居住的系外行星。

然而,这种方法有局限性。传输方法的实质是研究凌星引起的恒星星光变化。“但是恒星星光的变化不仅是由行星大气引起的,也是由恒星自身的活动引起的。就像太阳黑子和亮点一样,这些都可能“污染”和测量凌星光光谱。此外,凌星光光谱只限于研究终端线的大气,很难穿透到最底层的大气中。”陈果告诉记者。

周立勇还说,系外行星离地球很远,所以当它们经过恒星表面时,很难区分哪部分光穿透了行星的大气层。“你能想象在1000公里外的路灯下找到萤火虫有多难吗?用凌杏光光谱探测大气成分比这更困难。”

然而,即使我们在行星的光谱中看到生物标记,我们也不能说一定有生命。看不到“生物标记”,也不一定没有生命的可能性。因为生命本身非常复杂,所以没有绝对的标准来衡量适合生命存在的条件。“只能说凌星光光谱为我们提供了一个窥探生命痕迹的视角。”周立勇说。

(实习记者代表萧培)

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