寻找地外生命

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原作者：Michael Allen

翻译：姜力萌

校对：李远飞

排版：葫芦

后台：朱宸宇

原文：https://phys.org/news/2022-09-blocks-life-universe.htm

这张图片显示了从JWST看到的不同波段的红外光下的系外行星HIP 65426 b，这是JWST第一张直接拍摄的系外行星图片。图源：NASA/ESA/CSA, UCSC, ERS 1386, STScI

对于系外行星科学来说，詹姆斯·韦布太空望远镜的发射将把这个学科带到一个全新的高度。欧洲的研究人员为此刻已经做了大量的基础工作。

经过30年的酝酿，自去年12月25日从法属圭亚那搭乘阿丽亚娜5型运载火箭发射以来，詹姆斯·韦布太空望远镜（JWST）是给天文学家的一个圣诞礼物。与其他礼物不同的是，JWST将给我们带来源源不断的惊喜。

作为美国航天局（NASA）、加拿大宇航局（CSA）和欧洲空间局（ESA）的联合项目，JWST在抵达距离地球150万公里的第二拉格朗日点并展开其独特的巨大遮阳板后，于2022年7月传回其第一批宇宙图像。

作为哈勃空间望远镜当之无愧的继任者，耗资100亿欧元的JWST有着宏大的科学使命。这包括研究大爆炸后不久的早期宇宙、星系和恒星的形成、黑洞、我们自己的太阳系以及在宇宙中寻找生命的迹象等等。

数据湍流中寻找有用信息

从一无所有到现在，系外行星天文学在过去的20年里已经确认发现了上千颗系外行星。而如今，JWST的光谱仪器给科学家们提供了一个前所未有的机会来研究系外行星大气中生命的化学示踪剂。

凌星光谱学是系外行星天文学的主要技术之一。当一颗围绕恒星公转的行星正好挡在恒星和观测者中间的时候，恒星发出的光穿过行星的大气层后其光谱会发生变化。检测到恒星光谱的变化使得我们能够研究它行星大气层的化学成分以及该行星是否可能维持生命。

示意图。当恒星发出的光穿过行星的大气层后，光谱会发生变化。研究变化的光谱可以让科学家们分析系外行星大气中的化学成分，来判断有没有生命的迹象。图中光谱的变化被极大地夸张化了，在现实中亮度的下降微乎其微，这也是天文学家要造那么大的望远镜的原因。图源：NASA/JPL-Caltech

光谱观测的一个缺点是，虽然它能提供大量的信息，但信号与大量的干扰信息混在了一起。与系外行星大气层无关的信息会掩盖观察中有价值的数据。

据Lagage说，这是因为与来自恒星的其他光线相比，穿过行星大气层而产生的信号很微弱。“因此，你必须开发一种方法来消除这种系统性的噪音，并获得正确的信号。”

来自法国替代能源和原子能委员会（CEA）的天体物理学家Pierre-Olivier Lagage是系外行星大气层新发射透射光谱分析项目（ExoplANETS A project，以下简称ExoplANETS A项目）的主要研究员。他和他的同事们开发了一个数据工具，利用以前太空任务的大量现有光谱数据来研究系外行星。

这个工具利用数据分析让天文学家得以从大批数据中识别系外行星大气层的特征。这可能对使用JWST进行观测的天文学家有帮助，因为该工具可以指出数据中哪些信息可能是有用的，而哪些可能是垃圾信息。

Exoplanets A项目还考虑到了更多。为了对系外行星的大气层进行建模，科学家们还需要对其宿主恒星有一个很好的了解。为了协助这一工作，该项目利用ESA的XMM牛顿望远镜和盖亚空间天文台的存档数据，创建了一个集合了宿主恒星相关信息的数据库。

上个月，利用光谱分析，JWST首次观测到了系外行星大气中含有二氧化碳的明确证据，来自于热气态巨行星（又称“热木星”）WASP-39b，它围绕着700光年外的一颗类日恒星运行。

WASP-39b的艺术想象图。WASP-39b是一个高温、膨胀的气态巨行星。 图源：NASA, ESA, CSA, J. Olmsted (STScI）

TRAPPIST-1的故事

ESCAPE项目如它超长的名字所言，也一直在寻找帮助描述类似地球的系外行星的大气层特征的方便方法。

法国国家科学研究中心（CNRS）的天体物理学家、ESCAPE项目的首席研究员Martin Turbet说：“这需要探索新的观测技术，使用不同的地基和天基望远镜。”

比如，天文学家们一直在开发新的方法来计算围绕TRAPPIST-1运行的行星的密度。TRAPPIST-1是一颗超冷红矮星，距离我们的太阳系大约40光年。

这个艺术家的概念图显示了TRAPPIST-1行星系统想象中的样子，基于有关行星直径、质量和与宿主恒星的距离的现有数据。图源：NASA/JPL-Caltech

TRAPPIST-1最初是在2000年被发现的，后来在2017年天文学家发现TRAPPIST-1恒星有七颗小型系外行星非常紧密地围着它运行，而至少其中一些行星可能是宜居的。

为了计算一颗行星的密度，你需要知道它的半径和质量。我们可以通过光谱观测来确定行星的大小，通过观察行星对其主星的引力影响来计算它的质量。

给系外行星称重

"这是测量行星重量的经典方法，"Turbet说。"但是对于TRAPPIST-1的行星们而言，它们的质量是如此之小，以至于经典方法不起作用。"

然而，Turbet也说到，TRAPPIST-1系统很特别，因为七颗行星的轨道都非常靠近对方，并对彼此施加强大的引力。

这影响了它们的轨道，意味着它们不会在固定的时间点经过它们的恒星。

图中水星轨道以内的小圆圈就是7颗行星中最远的TRAPPIST-1h的轨道了，可见它们离TRAPPIST-1多近。图源：IoA/Amanda Smith

Turbet说，测量这些凌星时间的偏差使研究人员能够了解行星之间的引力强度，从而得到它们的质量。

得益于这项技术，Turbet说他们现在能够对TRAPPIST-1系统中七颗的行星的水含量做出迄今为止最准确的预测。

这些天文观测以及质量、密度和水含量的计算成果离不开地基望远镜（如位于智利的欧洲南方天文台的SPECULOOS望远镜）、天基望远镜和大胆的理论工作。

Turbet说，JWST和欧南台计划中的甚大望远镜（ELT）将能够探测到系外行星大气中潜在的生命迹象，即所谓的生命标志。

然而，他也告诫说这些 "不能作为行星上有生命的确切证据"。这是因为最近的研究表明像氧气这样的生命标志可以在没有生命的情况下形成。

反射的星光

Turbet和他的同事们也一直在研究一种被称为“反射光光谱学”的新型技术。这种方法不是分析当行星从它前面经过时恒星的光线如何变化，而是研究恒星的光线如何被行星的大气层反射。

Turbet说，水含量和行星大气的模型也将有助于JWST的观测。它们能让天文学家事先规划他们的观测来最大程度地收集他们真正感兴趣的数据。

话虽如此，研究系外行星不仅仅是为了寻找外星生命。Lagage说：“系外行星还可以为我们提供关于地球历史和地球大气层如何发展的信息。我个人最感兴趣的是‘超级地球’和地球大小的系外行星的大气。”

责任编辑：DAIKIN

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