解读“生命之光”，寻找“生命行星”

张唯诚

大约400年前，伽利略用他新制的望远镜第一次观测了月亮，他看到阳光照射布满陨石坑的月面时呈现了一些亮区和暗区，这使他联想到了地球。于是他认为月亮同样是一颗拥有陆地和海洋的星球。与伽利略同时代的另一位科学家开普勒也认为月亮上有陆地和海洋，还可能有生命。他认为，生命很有可能就生活在月亮上那些很大的、近乎完美的圆形陨石坑中。英国天文学家威廉·赫歇尔是恒星天文学的创始人，他发现了红外线，也是天王星的发现者。赫歇尔观察月亮后认为，月面上有道路、城镇、金字塔和一些“略带绿色”的区域。

对于火星和金星，早期的观察者也同样给予了很多令人兴奋的描述，他们认为火星上那些变动的暗斑是随季节生长的植物，而金星则由于覆盖着浓密的大气而被认为几乎就是另一个地球。

现在我们知道，月亮上那些或明或暗的斑块是被熔岩塑造的巨大平原和盆地；火星上那些变动的暗斑是剧烈的尘暴；至于金星则是一个名副其实的炼狱，温度接近500℃，其大气主要是二氧化碳，“金星云”是由浓硫酸和硫磺组成的。

然而，早期的观察者们尽管由于受到望远镜观测能力的限制而作出错误的判断，但他们用光线的反照推测星球环境的方法却是正确的。1990年，“伽利略”号木星探测器果真从远处回望了地球，并用照相机和分光计记录了来自地球的光。科学家们在这些光中找到了反映地球上存在生命现象的各类光谱特征。

发现地球明暗之间的秘密

首先，“伽利略”号上的可见光照相机记录了地球表面暗区和亮区的对比度，发现地球的吸收光谱中有水蒸气和二氧化碳的明显特征。水蒸气暗示地球表面存在着丰富的水，而二氧化碳则显示地球是一个岩石行星，将这些证据结合起来，观测者便可以对地球的状况作出一个判断：地球上的暗区有可能是海洋，而亮区则是陆地。科学家们还发现，有些亮区还显示出另一种奇怪的光谱特征，它是叶绿素的标志，表明地球的表面覆盖着植物，地球的反射光把植物的秘密透露给了宇宙，这个秘密就是光合作用。

地球上存在生命的证据看来已经足够了，然而“伽利略”号还让我们发现了更多，它的光谱探测还显示，地球大气中存在着丰富的氧和甲烷，这样的配置在化学上可以说是一个奇迹。氧具有高度的活性，能轻而易举地将甲烷氧化成水和二氧化碳。假若在一个行星上，充满氧的大气中有一些甲烷，某种热力学的神奇过程就会持续不断地发生，在地球上，这个过程就是生命活动。氧是进行光合作用的有机物在代谢过程中产生的副产品，甲烷中的一小部分产生于地壳缓慢的地质学过程，而大多数则是各种古老微生物群落的排放物，还有一些来自于沼泽、农作物以及动物们的消化过程。

所有这些来自“伽利略”号的观测数据都能证明地球是一颗拥有生命的星球，这表明来自行星的光能告诉观察者这颗行星上是否存在着与生命相关的信息。这种通过分析行星上的光谱特征研究系外行星的方法正在为科学家们所重视，它将为未来寻找宇宙生命的探索活动带来新的契机。

“虚拟行星研究室”计划

在过去的20多年里，天文学家们已在宇宙中发现了大约600颗环绕恒星运行的系外行星。2009年发射的“开普勒”太空望远镜更是名副其实的“行星猎手”，仅仅2011年，它就锁定了1700个系外行星的候选者。研究表明，此前人们发现的系外行星中，有些的确很有可能存在生命。它们和地球差不多大小，运行在适宜液态水存在的“可居住带”里。从理论上说，在这样的行星上，生命存在的可能性是很大的，人类真的找到系外生命的可能性似乎不会太远了。

然而，“伽利略”号回望地球时的距离太小，而科学家们观测到的系外行星则至少距离地球好几光年，在那样遥远的距离下，人类是否还有能力获得可以用作研究的行星光谱呢?

从理论上说，对这个问题的回答应该是肯定的，“哈勃”太空望远镜和“斯皮策”太空望远镜已经获取了不少系外行星的大气光谱。当那些系外行星在轨道上运行到恒星和地球之间时，它们从地球的方向看上去就仿佛穿越了恒星的表面，这时恒星的光会透过行星的大气被地球方向的望远镜观测到，而行星的大气光谱也可以被科学家们记录下来。遗憾的是，这些系外行星都是巨大的气体行星，它们上面不可能有生命存在。相比较而言，“开普勒”太空望远镜更技高一筹，它能使用类似的方法观察更小更冷的系外行星，从而确定那些系外行星的大小和轨道特征，而正是这些小而冷的行星通常由固体的岩石组成，其上有可能存在生命。

由于受到技术方面的限制，“开普勒”只能做到这一步。利用光谱寻找地外生命的探索活动不得不另辟蹊径——科学家们正在致力于一个用计算机模拟的方式研究系外生命的新计划。他们首先要确定生命在一颗行星上得以存在所必须具备的各种因素，包括天体物理学方面的，大气方面的以及地质学方面的，然后推断这些因素如何在一个漫长的变化中演化出一个可供生命出现的行星环境。有了这个模型，科学家们便可以将这个虚拟的行星世界放到宇宙中的各个地方并推断我们在若干光年之外观察它时会呈现怎样的模样。科学家们可以从不同的角度观察这个虚拟的行星世界，也可以推断这个世界的不同发展阶段，并还原在不同的观测距离和角度上理应呈现出的光谱特征。这个计划被科学家们命名为“虚拟行星研，究室”(Virtual Planetary Laboratory，简称VPL)。该计划负责人、美国行星科学家维多利亚·梅多斯解释说，“虚拟行星研究室”的目标就是要打造一件“工具”，当来自“开普勒”或者其他望远镜的有关系外行星的数据生成后，这个模拟的世界能告诉我们生命在那些行星上存在的可能性有多大。

蓝，生命的蓝

要完成这项计划，科学家们需要找一颗已经存在生命的、最可靠又最容易模拟的行星，毫无疑问，这颗行星就是地球了。这颗蓝色星球能够让科学家们在不同的光照条件下从不同的角度去仔细地研究一颗存在生命的行星在宇宙遥远的地方看上去究竟是怎样的。这个计划也使我们得以推测从非常遥远的地方回眸我们的地球在环绕太阳运行时呈现了怎样的状态。

那么，在宇宙中，我们的地球看上去究竟是怎样一种模样呢?它首先是蓝色的。这与我们的想象相符合，因为地球上的海洋就是蓝色的，然而从远处观测到的这种蓝色更多地与天空关联着，原因就在于地球大气中的氧和氮首先会将阳光中的偏蓝部分反射到了宇宙中。“虚拟行星研究室”计划的模拟显示，测量系外行星中的紫外光和可见光的比率也许就可以从很遥远的地方获得这种反射，而这种反射至少表明，一个和地球类似的生命世界有可能就隐藏在这种蓝色之下。

不过即使距离遥远，海洋也仍然有可能被观测到。假若观测者碰巧处在一个合适的角度，行星和恒星的相对位置就正好能让观测者看到行星表面上一个纤细的弧，像新月一样，这便是光线在水面上的反射。当行星上覆盖着海洋的地方旋转到一定的方位时，光会从水面上反射出来，就像镜子的表面将光线反射出来一样，这就是行星上存在着海洋的信号。

搜寻“生命之光”的望远镜

当然，生命明显的信号单靠任何一架望远镜是不容易被发现的，因为这些信号分布在光谱的多个波段上，例如水蒸气和氧表现为可见光和近红外光，而甲烷、二氧化碳和臭氧则表现为波长更长一些的红外光。这种时候，模型便可以发挥作用了，它能模拟不同的环境，从而将纠缠在一起的成分区分开来。在“虚拟行星研究室”计划中，科学家们的一项重要任务是估算来自恒星的光如何使运行在“可居住带”中的行星环境发生变化，这些恒星可能在大小、温度、光度上都与我们的太阳大不相同。科学家们将在模拟的环境中对恒星的光进行加强和减弱，或在行星的大气中的添加或者减少某些成分。

科学家们期待未来的望远镜能在寻找宇宙生命的过程中大显身手。由于红矮星的“可居住带”离恒星很近，在那里运行的行星由于引力对恒星造成了摆动使得它们更容易被发现，所以运行于这种恒星周围的行星很受关注。预计于2018年后升空的詹姆斯·韦伯太空望远镜被人们寄予了很大的期待，因为当行星穿越红矮星表面时，詹姆斯·韦伯太空望远镜有希望捕获到这些行星的低分辨率大气光谱。也许未来的望远镜可以搜寻到有价值的“生命之光”，人类寻找系外生命的探索活动将由此进入一个新阶段。

【责任编辑】庞云