搜寻外星文明的新策略：寻找氧气、水和叶绿素

尽管近年来已经发现了数以千计的太阳系外行星，但我们对这些系外行星的大气成分知之甚少。这些系外行星的大气层中可能存在与生命有关的成分，只是我们现在还没有办法进一步掌握。日前，科学家提出了一个新观点，认为通过探测地外行星的氧气、水和外星植物的叶绿素，可以更有效地搜寻外星生命。也就是说，搜寻工作应当聚焦于生命信号——生命体产生的化学物质。

美国普林斯顿高等研究所的天体物理学家蒂莫西·布兰特和大卫·皮格尔认为，水和氧气是生命生存必需的元素，如果我们探测到某颗系外行星上有水和氧气，就很可能暗示着其上存在生命迹象。而地球因为存在叶绿素使得光线变得略红，如果地外植物能够将阳光转换为能量，也可以使它生活的星球的光线变红一些，与叶绿素的作用相近。因此，他们主张接下来的系外生命搜寻计划应当着眼于探测系外行星上的水、氧气和叶绿素。

两位科学家提出了一个简单的大气模型，可以复制系外行星的光谱并判断其中水、氧气和叶绿素的迹象。他们的模型中很少有自由参数，从而增加了模型的统计学意义，也使得更有意思的参数（比如水或氧气）可以被估算出。他们试图量化最优的设计和最低性能，从而达到美国航空航天局对类地行星特性描述的目标。他们从一个粗糙但大致正确的类地行星光谱近似值入手，试图在一个他们能很方便地修改云层、地表和大气成分的环境中捕获地球的主要光谱特征，并用来验证他们提到的统计方法。

美国航空航天局的一个重要的长期目标就是检测、描述系外行星，并通过探测它们的光谱来搜寻生命迹象。因此，美国航空航天局等太空研究机构计划研发直接成像系统，能够用热或者反射光观测太阳系外行星，从而确定它们的大气结构与成分。计划研发的高科技大口径天文望远镜（ATLAST）还可以在波长0.5微米至1微米之间寻找氧分子、臭氧分子和水分子的光谱迹象。这些分子在这一光谱范围中是最突出的吸收体，也是形成生命的要素。

布兰特和皮格尔认为，这一任务通过测量系外行星的光谱来检测水、氧气和叶绿素，以此来确定什么样的成分及浓度暗示着某颗系外行星上存在外星生命。他们的研究结果表明，根据这个模型，高科技大口径天文望远镜能够探测到一颗围绕临近恒星运行的类地行星的水与氧气，但想识别出叶绿素需要更高的灵敏度或者非常走运。两位科学家建议，我们应该设计一个着眼于氧气的工具，而后围绕一个或几个特殊的目标寻找叶绿素。

模型中，两位科学家用一个已知行星的光谱、可能的大气成分的吸收光谱和瑞利散射构建了一个假想的系外类地行星的光谱。现在要做的，是通过观测对这个完美的光谱及其光度进行测量校准。他们的分析集中在光学和近红外波段。在这些波长中，双原子氧和水对0.6微米至1微米波长的光有非常突出的吸收特性，而像岩石、沙子这类物质则缺乏强烈的光谱特性。在短波长上，他们则利用了衍射极限分辨率的优点。

系外行星表面物质的光谱反照率是在可见波长范围内变化的，因此，他们把未知的光谱光度测量校准和表面反照率组合成自由乘法低阶多项式。

叶绿素在0.72微米的“红边”是一个例外，两位科学家使用软化亥维赛函数，并在参数的选择上与ASTER函数库的植被特征相匹配（ASTER是美国航空航天局主导的项目，是特拉对地观测卫星上的一种高级光学传感器，包括了从可见光到热红外共14个光谱通道，可以为多个相关的地球环境资源研究项目提供科学、实用的卫星数据）。

氧气和臭氧。星球上的紫外线可以将双原子氧转化为臭氧，因此两位科学家想在他们的模型中通过同时搜寻氧气和臭氧，来更容易地探测到大气中的氧气。不过，任何同时寻找氧气和臭氧的仪器都需要设定一个更高的意义阈值，来解释臭氧能模拟一个变量光谱反照率的能力。

水。水有一系列的强吸收性和各种各样的有效宽度，使它比双原子氧更容易被检测到。科学家研究发现，在光谱分辨率过低时，吸水率会变得越来越难和地表反照率以及光谱光度测量校准中的误差区分开。科学家指出，检测水的最佳光谱分辨率是40，低于能检测到氧气的分辨率，并且反映了其更广泛宽度的特性。

叶绿素的“红边”。地球上的叶绿素在反照率约0.7微米处大幅上升，称为“红边”。如果有类似的特性在地球外被检测到，一个很大的暗示就是：有光合作用的外星生命可能使用不同的色素分子。

两位科学家把植被反照率近似于软化亥维赛跃阶函数，它在波长0.5微米至1微米间提供了一个合理的匹配。虽然反照率在纯植物生命中跳跃很大，从5%增加到50%，但在集成的地球光谱中就弱得多。这既跟植被的覆盖率有关（在地球表面，植被的覆盖率大约为15%），也跟这一地区云层的光学厚度有关。

通过计算，两位科学家得出结论，对类地行星来说，检测到氧气需要的信噪比是水的2倍，而要检测到叶绿素，即使已经知道外星生命使用的色素分子，其所需要的信噪比也比氧气高6倍。为了使叶绿素和氧气一样能够易于检测到，他们必须假定类地行星只有少量云层，且其植被覆盖率至少达到30%。但是，没有云层的类地行星意味着反照率较低，使其难以达到给定的信噪比，也很难想象生命会发生在一个无云的世界里。

因此，两位科学家认为，未来的探索任务应该制定探测拥有水和氧气的系外行星的标准。如果确认存在水和氧气，接下来就应该检测其上是否存在叶绿素。一旦发现，它将能非常明确地证明，在遥远的世界里真的有植物生命的存在。endprint