在今年 6 月份，天文学家失望地发现：詹姆斯・韦伯太空望远镜 (James Webb Space Telescope，JWST) 未能在岩石星球 TRAPPIST-1C 周围发现厚厚的大气层。TRAPPIST-1C 是一颗位于 TRAPPIST-1 星系的系外行星，TRAPPIST-1 星系是最有可能寻找到外星生命的星系。
在此之前，TRAPPIST-1 系统中的另一颗行星 TRAPPIST-1 B 也被发现有着类似的情况。这个拥有暗淡的红色恒星的系统有着七个岩石行星，其中几个位于宜居带。宜居带指的是一颗恒星周围的一定距离范围，在这个距离范围内它们的表面可能存在液态水，其他世界的生命可能会在此繁衍生息。
如果说一个星球存在生命，那么我们需要什么工具来验证它，这是一个困扰了天文学家许久的问题。如果生命存在，需要什么来发现它并不是一个新问题。但是多亏了詹姆斯韦伯太空望远镜，这些问题终于能够得到解决。在接下来的几年里，JWST 能够探测在遥远星系中几颗可能孕育有生命的星球的大气层。而隐藏在这些星球的大气层中的化学信号有可能是太阳系以外生命的最初迹象。而这又带来了另一个问题：检验到什么样的化学信号才能说明外星生命存在。
" 你试图仅利用关于一颗行星的极少信息，得出一个可能相当深刻的结论 —— 来改变我们对整个宇宙的看法。”华盛顿大学的行星科学家约书亚-克里桑森-托顿（Joshua Krissansen-Totton）说。
为了探测到这样一个生物特征，科学家们必须找到一个巧妙的方法来处理他们收集到的有限的系外行星的信息。
背景中的化学物质
即使是包括 JWST 在内的最强大的望远镜，也几乎从未真正 "看到" 过系外行星--总的来说，天文学家只能通过星体的闪烁来了解这些遥远的世界。
天文学家不直接观测行星，而是将望远镜对准恒星，等待行星 "凌日"，也就是等待它们从它们的恒星和望远镜之间穿过。当行星凌日时，一些恒星发出的光会穿过其大气层，并根据大气层中的化学物质，以特定的波长的变化来使恒星变暗。由此产生的恒星亮度的波峰和波谷就像是凌日行星的化学条形码。
当行星位于恒星前方时，部分星光会被行星大气中的分子吸收。对准恒星的望远镜可以观测到没有被吸收的光线；这就形成了一个光谱，在光线缺失的地方会出现凹点。在上图中，每个凹点都是假想的类地行星光谱中特定分子的特征。| 来源：Knowledge Magazine，资料来源：改编自美国国家航空航天局（NASA）、美国国家航空航天局（ESA）、中国国家航天局（CSA）、美国国家科学院（STSC）、约瑟夫-奥姆斯特德（Joseph Olmsted）（美国国家科学院）。
也许在这些像条形码一样的行星光谱信号中收集生物存在信息的最直接方法是，探测这些信号中是否存在由生命产生的气体的化学信号。有⼀段时间，科学家们认为地球上因光合作⽤⽽丰富的氧⽓是⼀种独⽴的⽣物特征。但氧气也可能产生于其他过程，例如太阳光可以分解地球大气中的水。
这个问题对于其他气体来说同样存在，生物产生的大多数气体在没有生命的情况下也会产生。因此，如今的科学家倾向于结合具体情况来综合考虑这些气体，而不是将单一气体视为生物特征。
例如，无论生命是否存在甲烷均会产生。它本身并不是一个令人信服的生物特征。但是，同时发现甲烷和氧气 "将是非常令人兴奋的"，哈佛大学的行星科学家罗宾-沃兹沃斯（Robin Wordsworth）说；如果没有生命存在，很难产生这种组合。同样，最近克里桑森-托顿（Krissansen-Totton）及其同事的研究表明，如果没有生命，也很难解释在发现甲烷的同时发现适量的其他气体（如二氧化碳）的原因。
对系外行星大气层随时间变化的观测也可能提供有价值的背景信息，从而进一步确认星球生物特征。例如，2018 年的研究表明臭氧浓度的季节性变化可能是生命的指纹。
异常，而非假设
当然，"如果你要寻找氧气或甲烷等特定某种气体，那么就已经假设了其他地方的生命类型，" 克里桑森-托顿说。因此，一些科学家以未知生物特征为前提，假定外星生物化学与地球生物化学没有相似之处来进行研究。
一个可能的反映未知生物特征指标是系外行星大气层的化学 "异常" 程度--科学家称之为化学不平衡。
接近平衡的大气层在化学上是无趣的，就像实验室里一个封闭的气体烧瓶。当然，没有哪颗行星会真的像实验室里的烧瓶一样无趣。恒星可以为行星大气中的化学反应提供动力，火山活动等地质过程也会加剧不平衡，从而加剧大气中的某种化学异常。
生命的存在也会使行星偏离平衡状态。假设外星生命会产生某种气体，它们就会使行星的大气远离平衡状态。然而，克里桑森-托顿说，仅仅不平衡 "并不是一个明确的指标"。
2016 年，他和同事们计算了太阳系中每颗行星和土卫六大气层的热失衡状况。通过比较可以发现地球的大气是极端的--但是前提是在计算中考虑海洋的影响。如果忽略大气与海洋的相互作用，地球大气层实际上比火星大气层更加接近平衡状态。
但是即使这些异常可能并不指向生物存在，发现某系外行星大气层远离平衡状态仍然说明一些有趣的事情正在发生，"某种事件正以一种值得研究的奇妙方式改变大气层"，克里桑森-托顿说。
最近，耶鲁大学的科学哲学家大卫-金尼（David Kinney）与圣达菲研究所的生物物理学家克里斯-肯佩斯（Chris Kempes）合作，试图开发出了一种检测可能的未知生物特征的新方法。他们的想法很简单：要寻找生命，就要寻找最奇特的行星。
像 JWST 这种专门对遥远行星进行观测的望远镜可以记录行星大气中特定元素或分子的特征，这些特征在透射光的波峰和波谷中显现出来。但分子的特征并不能解释其来源：完全不同的行星过程例如活火山、冰冻海洋与生物活动，都可能产生类似的光谱特征。
如果不对外星生命做任何假设，那么几乎所有气体都可以在适当的环境中成为生物特征。2016 年，麻省理工学院天体物理学家萨拉-西格（Sara Seager）及其同事提出了一份约 1.4 万种分子的清单，作为可能的生物特征。金尼（Kinney） 和 肯佩斯（Kempes） 利用这份清单以及机器学习算法，开发出了他们的评估方法，以筛选观测中的异常数据。这样一种方法就可以精确地评定系外行星的大气层的 "异常性"，并可以将假想的不同戏外行星大气层进行评分与比较。
金尼和肯佩斯认为，一组行星中最奇特的大气最有可能孕育生命。这样的推论基于以下几个基本假设：宇宙中的生命是罕见的，它们会在行星大气中留下痕迹，没有生命就很难模仿这些痕迹。当然，这些假设可能会被证明是错误的，金尼说。但是 "如果我们想不做任何假设，" 他补充到，" 那么我认为将很难取得任何形式的科学进步，更不用说在这个不确定性如此严重的领域了。
首先要了解无生命系统
为了减少这种不确定性，科学家们需要能够准确排除任何潜在⽣物特征的⾮⽣命解释。这需要对外星地质和⼤⽓化学有透彻的了解。因此，一些科学家认为，相比于关注行星是否适合居住，研究明显没有生命的行星将有助于我们寻找外星生命。
德国马克斯・普朗克天文学研究所的劳拉・克雷德伯格（Laura Kreidberg）说:“我认为在我们开始提出宜居性问题之前，我们需要首先了解行星的许多非常基本的东西。”他与华兹华斯共同撰写了⼀篇关于岩石系外行星天文学的概述，发表在 2022 年《天文学和天体物理学年度评论》上。
这些 JWST 能够观测到的潜在岩石行星是否会有大气层是一个更加值得考虑的问题。在望远镜的观测范围内，只有红矮星（如 TRAPPIST-1）才有宜居带行星。这些恒星有一个令人讨厌的特点，那就是喷射出强烈的辐射，许多科学家认为这些辐射将不可避免地带走任何可能宜居行星的大气层，这可能就是 TRAPPIST-1 B 和 TRAPPIST-1 C 大气层稀少或甚至不存在的原因。
红矮星也是银河系中最常见的恒星--因此，如果它们的岩石行星无法稳定保持大气层，那么潜在宜居世界的数量就会大大减少。
如果我们能观测到足够多的岩质系外行星，"我们就能更深入地了解生物特征的含义，" 华兹华斯说。" 系外行星带给我们的一个非常强大的东西就是统计数据。”
科学家们于 1992 年首次证实系外行星的存在，自此之后，发现的系外行星越来越多
"生物特征" 这个词可能会让⼈认为它对应一种直接且确凿的证据。但是，克里桑森-托顿说，" 系外行星生命的发现需要的是证据的逐步积累 "。随着证据的不断积累，科学家们可以开始以更加严格的方式检验他们关于岩质行星的假设，或许还可以重新评估这些假设。
" 天文学本质上是一门发现科学 " 克赖德伯格说，“即使我们拥有极其周密的计划、框架和系统，一旦我们开始获取数据并观测事物，一切都会变得天翻地覆。”
作者：Elise Cutts
翻译：九一 K.Collider（
审校：*0
原文链接：What would signal life on another planet?
本文来自微信公众号：中科院物理所 （ID：cas-iop），作者：Elise Cutts
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