探索行星大气的人

朗•考恩

在进入研究生院前，天文学家萨拉· 西格尔曾花两个月的时间在加拿大荒凉的努勒维特地区划独木舟。她在沉重的行李中塞了一本物理书，她的未婚夫迈克·沃里克与她同行。两人在急流中划着独木舟，渡过一汪汪湖水。在湖泊之间，他们就拖着独木舟在森林中穿行。

一天早晨，西格尔发现远处有一处林火。她并不担心，只是想森林大火是常见的。但到了晚上，一股强风迎头吹来，平静的湖水白浪汹涌，仿佛在锅中沸腾。借着风力，那火转变了方向，烧到正对着他们的小路。为了等待风和火的平息，他们扎好营帐，在野外过了一夜。

第二天，考虑到最坏的情况已经过去，他们便划着独木舟沿一条小河逆流而上。突然，烟雾升起，午后的天空变得昏暗阴沉，橙色的火焰直扑河流的右岸。慌乱中，两人放弃小舟爬向河边的高地，在森林中的一片空阔地上扎了营。

第二天早晨，大火过去，他们终于安全了。然而西格尔忘不了那次经历，而那遥远天空留给她的印象更是难以磨灭。

西格尔很快发现，她的研究对象就是那些远方天空中的大气，但比努勒维特地区的大

气遥远得多。她被哈佛大学录取攻读天体物理学博士学位，在那里，她成了第一批研究遥

远世界天空的人。那是几千颗行星的世界，它们存在于太阳系之外。

现在，2 1年过去了，西格尔正在筹划探测环绕着遥远行星的大气组成，它们能显示很

多有关行星的信息，包括是否适合生命生存。例如在地球上，大气中的氧和甲烷就是地球拥有生命的信号。当然，除此之外，生命也能产生其他气体。在遥远的星球上发现这些气体能引导人们发现另一个地球——另外一颗岩质的、相对不大且能孕育生命的星球。那里的生命可以如细菌一般简单，也可以是创造了文明的生物，也可能它们的文明比我们更加先进。

2 0 1 1年， 当西格尔4 0岁时，她开始将朋友和同行召集在一起，向他们征集找到另一个地球的办法。她在讲台上用她特有的急速语调告诉听众，找到“地球2.0”并非像她曾经预测的那样是一种必然，但如果大家同心协力，依靠艰苦的努力和非凡的想象力，这件事就有可能办成。

西格尔说，发现第二个地球是一件“不可思议的事情的开始，是一个会延续数个世纪

的过程”，并预计“几百年或者几千年后人们将前往另一个世界”，而且“人们将回望自己，把我们称为首次发现了另一个地球的人”。

然而，当西格尔开始她的职业生涯时，并没有就将来想那么多。事实上，她最早的研究

是让她回到过去——宇宙的黎明。

最初的研究

西格尔最初的工作是在哈佛大学探索非常遥远的过去，那时宇宙中还没有行星和恒星，处于宇宙大爆炸后大约几十万年，是宇宙诞生的时候。天文学家想知道在将近1 4 0亿

年前，宇宙中最古老的光是怎样与当时炽热的气体发生作用的。

今天的天文望远镜已经搜集了一些这种古老的光。像所有的光一样，它们能讲述一些

遥远的故事。

一只灯泡发出的光看上去是白色的，但其实是由多种颜色或波长组成。当光穿过气体

和尘埃，那些物质中的原子和分子就会吸收特定的波长，而光谱仪能显示怎样的波长被吸

收掉了。在白光被分解成组成它的多种颜色光的情况下，这种显示是一种暗缝，它像指纹

一样表明那些吸收了特定波长光的物质的原子和分子拥有怎样的身份。

西格尔就是利用那些古老的光来研究在早期宇宙中究竟发生了什么。与此同时，其他研究者发现了一些银河系中令人惊讶的事情。

例如，在1 9 9 5年，天文学家首次发现有行星正围绕一颗像太阳一样的恒星运行。在接下来的4年里，研究人员发现了七个这样的世界，或者叫作系行星。这些发现引起了人们

的极大关注，科学家因此认为，行星在银河系中是普遍存在的。接下来，人们开始怀疑，在那些行星中可能还存在生命。

第一批被发现的行星非常怪异，它们大多是巨大的气体行星，很像木星，但和木星不同的是，它们离自己的中心恒星非常近，比水星与太阳的距离还要近得多。天文学家给这种接受着炽热烘烤的行星起了一个绰号——热木星。

开始的时候，人们认为，除了通过观测中心恒星来了解这些行星的质量和距离外，人们对它们几乎不可能有其他的了解。

在哈佛大学，迪米塔尔·萨塞罗夫是西格尔的导师，他意识到，西格尔曾经用来探索早期宇宙的技术也能用于研究热木星。西格尔可以用光谱仪观测恒星的光，不同的是，那些星光应该是穿过了系外行星的大气层才抵达地球的。这样一来，光谱仪就能显示被那些大气吸收后呈现的波长。

接下来，西格尔开始被一个陈旧的问题所困扰：我们在宇宙中是独一无二的吗？

天文学家发现了越来越多的系外行星，但他们没有办法到那些遥远的地方去做进一步

的查证。现在，西格尔找到了一种办法回答上述疑问。

▋进入外星世界

假如当年加拿大北部的林火靠近西格尔的时候她有一个光谱仪，她可以把仪器朝向太

阳。这时，光谱仪的测量值会让她知道，那团火焰中到底流动着怎样的气体。

现在，让我们想一想，假如天文学家能够观测一颗恒星发出的光穿过遥远系外行星的大气层，他们会发现什么呢？从理论上说，科学家可以用这种方法知道那个大气层中的气体组成，就像我们对地球大气层能够做到的一样。这就是西格尔想要实现的理念。

2 0世纪9 0年代，一些科学家认为，想要了解环绕着系外行星的大气层可能是没有意义的妄想。首先，这些行星的存在看起来是如此模糊，天文学家只能间接地发现它们，即通过它们对中心恒星产生的引力知道它们的存在。

西格尔没有灰心，她将证明他们的担心是错误的。

西格尔表示，系外行星的大气层是可以观测到的，观测的时机就出现在行星运行经过

中心恒星和望远镜之间的时候。这种经过恒星表面的现象叫作凌日。

即使工作繁忙，西格尔也要在每年夏天留出一个月时间去划船或者露营。1 9 9 9年，她获得博士学位，这是美国第一次将博士学位授予一位研究系外行星的人。

毕业不久，西格尔通过计算得出，一颗系外行星，即使是很小的系外行星，它的大气层中也能比较容易地检测到钠的存在。这是因为钠能在星光中产生一种可检测到的暗缝。

2年后，即2 0 0 1年，天文学家证实了西格尔的预测。研究人员使用哈勃空间望远镜

检测到存在于一颗热木星外层大气中的钠，这是人类第一次检测到了系外行星的大气层。这颗行星围绕一颗名为HD2 0 9 4 5 8的很像太阳的恒星运行。如此迅速、顺利地通过观

测证明了自己的预测，西格尔很是惊讶。

职业选择

西格尔的童年是在加拿大多伦多度过的，那段日子并不顺利。她小学时，父母离婚了。西格尔更亲近当医生的父亲。父亲对女儿有两个态度：一是无论她做什么，他都相信她会做得很好；二是她应该选择一份能够养活自己的职业。针对第二个态度，天文学家似乎并不是一个正确的选择。

然而1 0岁时，西格尔一家在位于安大略省东南的邦艾科省立公园体验了一次露营。那

天半夜，西格尔来到帐篷外举头看天。“我震惊了，”西格尔回忆说，“天空布满了星星，没有星星的地方非常少。我完全不知道夜空居然是这样的，没有人告诉我这个。”

1 9 9 0年，西格尔进入多伦多大学学习物理，后来，这位年轻的女性转而研究天文学。她现在就职于麻省理工学院，在那里探索具有惊人差异性的行星大气，成为第一批分析热木星和迷你海王星大气组成的科学家。

银河系包含数十亿颗甚至更多的恒星，而天文学家已经在银河系中找到了接近2 0 0 0

颗系外行星。有人估计，银河系中可能存在着1 0 0 0亿颗行星。

美国航空航天局的开普勒空间望远镜已经发现了许多系外行星，既包括像木星这样的大个头，也包括水星大小的小个头，但最令人兴奋的是那些介于两者之间、很接近地球大

小的行星。天文学家估计，银河系可能拥有4 0亿颗和地球差不多大小的行星。

然而，西格尔并不满足只是找到地球大小的行星，她需要一颗真正够格被称为地球双胞胎的行星，它是另一个地球，围绕着像太阳一样的恒星运行。像我们的地球一样，这个

“地球2.0”必须位于天文学家所称的宜居带，在那里，一颗行星绕着它的“太阳”运行的轨道会处在恰到好处的位置上，温度不太高也不太低。在这种行星的表面，水也会保持液态。这非常重要，因为我们知道，液态水是生命存在不可或缺的因素。

寻找外星生命的新方法

作为搜寻工作的一部分，西格尔成了美国航空航天局系外行星凌日观测卫星任务小组

的一员。这个简称为TESS 的项目是一个自动太空望远镜，预计2 0 1 7年发射。这台望远镜将观测天空中最亮的恒星出现的所有亮度变化，因为这可能意味着一颗行星正在经过那颗恒星的表面。

由于地球大小的行星相对较小，所以凌日行星途经恒星前方时是研究它们的最好时机。一旦发现了这种情况，另外一台更加强大的望远镜就会在更多的细节上观测它们。这是未来的一项太空任务，即计划于2 0 1 8年发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜。这台望远镜能

确定系外行星大气中的化学组成。这些化学组成暗示了行星上是否有可能存在生命，它们

包括甲烷、二氧化碳和水蒸气。在地球的大气层中，这些物质都存在。

2 0 1 3年，西格尔因她在系外行星方面的研究成果获得了麦克阿瑟基金会的天才奖。她萌生了新的想法，即研究和地球不相似的系外行星上的生命迹象。这种系外行星上的生命和地球上的生命很不同，它们会在大气中留下独特的化学特征，西格尔将研究如何获得这种类型的化学特征。

外星生命可能使用和地球生物很不一样的化合物来维持生存，比如硫，其方式或许很像地球生物依靠碳生存的方式。若真是这样，西格尔就想知道那种生命形式会如何影响自己星球上的大气，并最终检测到那种气体。

为了达到这个目的，西格尔找到一个新的途径，即在望远镜上利用一个巨大的屏来遮

挡星光。如果星光被遮挡住了，望远镜便能研究那些非常模糊的，甚至比地球还小的行星。

在另一项研究中，西格尔将和生物学家合作，探讨系外行星上的生物有可能向大气中释放怎样的气体。毫无疑问，未来西格尔的工作还有很多。