丹尼尔·克利里+张宪涛
斯蒂芬·凯恩盯着一张模糊的星球照片看了很久。图像只有几个像素，几乎无法辨别。然而，作为加利福尼亚大学河滨分校的天文学家，他追踪到这些像素会随着时间发生微妙的变化。这足以让凯恩和他的同事断定图像上的这个星球有海洋、大陆和云层。它有季节变换，而且每24小时旋转一次。
他知道他的发现是正确的，因为这个被研究的星球就是地球。凯恩拿到的是深空空间气象观测卫星拍摄的图像。该观测卫星有一台位置极佳的摄像机，总是指向地球。凯恩故意把图像从400万像素降至极低像素。由这些图像可窥见未来望远镜能够辨别出的那些围绕其他恒星旋转的、布满岩石、地球大小的行星可能的样子。凯恩说，他和他的同事正在设法弄清楚“在我们最终可以直接勾画出一颗系外行星图像时，我们能够期待看到什么”。他们的实践表明，即使是一小
部分宝贵的像素也能帮助科学家做出最终的判断：一个星球是否有生命。
似乎不可能在数光年距离之外的一个星球上寻找到生命或生物印记存在的确凿证据，因为太空研究机构已经花费数十亿美元将机器人探测器发送到距离更近的宜居天体上，例如火星和土星的卫星上，却没有检测到任何生命的蛛丝马迹。但是天文学家希望看到一个拥有动植物的真正的类地星球，可以向遥远的观察者揭示其秘密。
考虑到天文学家从这样一个微小、遥远的世界获得光子的可能性极低，因为它的信号几乎被淹没于附近明亮的星星之中，因此想发现它们并不容易。即将发射的新一代空间望远镜，包括NASA大型的詹姆斯·韦伯空间望远镜，也很难详尽地探测到类地星球。但是，他们将能够从其他系列行星的光中采样，而天文学家们已经梦想制作一个空间望远镜，进而获得类地行星的图像，如同凯恩的地球低像素化视图。研究人员正为迎接即将到来的系外行星的海量数据做准备，并帮
助望远镜设计者了解需要如何去做。他们正在编制可能存在的生物印记清单，范围包含可能从生物体发出的气体光谱提示到可能存在于外来植物或微生物中的色素。
不能仅凭一个证据就做出判断。相反，所处环境和多重证据将是检测外星生命的关键。只在外星大气中发现一种特定气体，比如氧气，但是不弄清楚气体是如何出现的，是远远不够的。知道地球的平均温度支持液态水存在仅仅是一个开始，而这个星球的白天和季节的长度以及它的温度极值也是至关重要的。了解这颗行星所围绕的恒星非常必要，要了解恒星是否提供稳定、能滋养生命的光线或者释放出难以预料的有害辐射。
华盛顿特区的NASA天体生物学项目负责人玛丽·沃伊泰克说：“每一次观测都会提供关键的证据，这些证据组合在一起就可以断定是否存在生命。”
1995年，在从一颗普通恒星周围发现了第一颗外行星之后，NASA制订了一项雄心勃勃、耗资巨大的任务来研究可能存活生命的类地行星。NASA 的陆地行星探测器项目和欧洲航天局的达尔文任务提出了多个巨型望远镜精确飞行，并将它们捕获的光线相结合提高图像分辨率的设想。但
是这两个任务都没有得以具体实施。沃伊泰克说：“在过去，这个设想有点太超前了。我们缺乏数据进行计划或者实施。”
他们通过使用地面望远镜和NASA的开普勒宇宙飞船任务，探索系外行星的多样性。他们总共辨别了超过3500个已确认的系外行星，其中包括约30个地球大小的能够保存液态水的世界。但是通过调查，研究人员只获悉了这些行星最基本的物理信息：轨道、大小和质量。为了探究这些行星究竟如何，研究人员需要光谱，即穿过行星大气或从其表面反射的光线，然后将其分解成为分量波长。
大多数望远镜的分辨率都无法将一颗微小、暗淡的星球与它的恒星区分开，恒星的亮度比行星至少要高出10亿倍。但是，即使天文学家无法直接看到一颗行星，如果行星在轨道上凌日（经过恒星的前方），他们仍然可以得到一个光谱。当行星经过恒星前方时，它的光会在大气中闪耀，那里的气体吸收特定的波长，而恒星的光谱呈现下降的特征。
当行星沿轨道进入恒星的背后时，天文学家也可以通过观测恒星的光线来研究一颗凌日的行星。在行星被遮挡之前，光譜由恒星光和行星反射的光构成；之后，行星将不会反射光线。对比这两个光谱就会发现这个星球的轨迹。
从数据中找出一个可识别的信号并不容易。因为只有极少部分的恒星光穿越大气，光谱信号是微不足道的，难以区分究竟是恒星光本身的不规则性还是地球自身的大气吸收所致。麻省理工学院的系外行星研究员萨拉·西格说，大多数科学家会“对数据的复杂程度感到惊讶”。
尽管存在这些障碍，但哈勃望远镜和斯皮策空间望远镜以及其他一些望远镜已经使用这些方法从少数最容易的目标中检测出行星大气的成分，包括钠、水、一氧化碳和二氧化碳以及甲烷。这些行星大多是“热木星”，是位于近距离轨道上的大行星，它们的大气层由于接收恒星的热量而膨胀。
这种方法在2019年詹姆斯·韦伯空间望远镜发射之后会有更大的收获。它6.5米的反射镜将会收集比现有望远镜更多的候选恒星的光线，从而可以识别较暗的系外行星的特征，其光谱仪将会产生更好的数据。它对红外线波长很敏感，对水分、甲烷、一氧化碳、二氧化碳等分子的吸收线也非常敏感。
一旦天文学家获得这样的光谱，他们希望找到的一个主要气体就是氧气。氧气具有强烈而独特的吸收线，许多人都认为它的存在是星球生命存在的最强信号。
产生氧的光合作用塑造了今天的地球。海洋中的第一个蓝细菌和其他微生物、植物几十亿年来一直释放着氧气，现在氧气占到了地球大气的21%，这很容易从远处探测到。华盛顿大学西雅图分校虚拟地球实验室（VPL）负责人维克多利亚·梅多斯说，光合作用是进化过程的“杀手级应用”。它利用多产的太阳光能量将地球上常见的两种分子（水和二氧化碳）转换成细胞生命所需的含糖燃料。梅多斯认为，其他地方肯定会有类似的进化过程。她说：“氧气仍然是首先要寻找的。”endprint
20多年前，系外行星刚被人所知，研究人员便开始思考如何扫描这些行星进而找到生命。梅多斯回忆说：“如果发现氧气，人们早就会举杯庆祝了。”但是后来，研究人员已经意识到事情远非那么简单：没有生命的行星同样可以拥有充满氧气的大气层，生命可以在不产生氧气的情况下繁衍。地球便是如此。一些微生物进行了一种不产生氧气或任何其他气体的光合作用形式。梅多斯说：“我們必须清楚地意识到，我们被愚弄了。”
为了弄清楚真正的生物印记可能是什么样的，虚拟地球实验室（VPL）的梅多斯和她的同事们根据外行星的数据以及对包括地球在内的更为熟悉的行星的观测，探索了外行星大气的计算机模型。他们也在真空室中做物理实验，重现可能包围系外行星的气体混合物，用各种模拟星光照射它们，看可以测量到什么东西。
在过去的几年里，虚拟地球实验室（VPL）的研究人员已经使用这些模型识别了可能产生氧气和产生“假阳性”信号的非生物过程。例如，一颗拥有丰富地表水资源的行星出现在一颗恒星周围，而早期的恒星非常明亮，行星吸收了足够的热量以至于蒸发了全部的海水，来自恒星的强烈的紫外线会猛烈冲击海水蒸发产生的水蒸气，将其分解成氢气和氧气。更轻的氢气可能逃逸到太空中，这样，没有生命的星球周围留下富含氧气的大气层。康奈尔大学卡尔·萨根研究所的西
达尔特·赫格德说：“了解你的恒星，从而了解你的星球。”
然而，在发现氧气的地方找到甲烷会确认生命的存在。虽然地质过程不需要任何生命就可以产生甲烷，但是地球上的大部分甲烷源于生活在垃圾填埋场和反刍动物肠道内的微生物。甲烷和氧气一起形成氧化还原对：两个分子很容易通过交换电子发生反应。如果它们都存在于共同的大气中，它们会很快结合起来产生二氧化碳和水。但是，如果它们持续保持在一个高浓度的水平，则必须得以补充。赫格德说：“人们普遍认为，如果存在大量的氧化还原分子，它们必须由生命产生。”
有人认为，研究人员过于关注了地球上构成典型生命特征的氧气和甲烷，而忽略了其他可能性。如果说到目前为止天文学家已经了解了一些关于系外行星的知识，那就是所熟悉的行星对系外行星的大小和性质的巨大差异并没有太多的指导意义。对极端微生物的研究，如对那些在地球上荒凉环境中繁殖的微生物的研究表明，生命可能在不太可能出现的地方出现。系外生物可能完
全不同于地球上的生物，因此，它产生的气体也可能存在根本的差异。
但是，究竟要寻找什么样的气体？西格和她的同事编制了一份有1.4万种化合物的清单，在“适宜”的温度下，冰点和沸点之间，这些化合物以气体形式存在。为了更好地管理这个清单，他们将其限定为不超过6个非氢原子的小分子，约2500个由生物原子碳、氮、氧、磷、硫和氢组成，约600个实际上是由地球上的生命产生的。西格和她的同事认为，如果不能用非生物过程来解释这些气体，那么发现这些气体中的任何一种浓度较高都可被看作是系外星球生物存在的一个标志。
分析凌日的系外行星大气的光线很可能会成为未来几年搜索生物印迹的主流。但是这种技术倾向于采样行星大气上层的薄层。只有极少数的光可以穿透覆盖星球的厚厚的气体，而大多数生物活动发生在地表。对热木星来说，凌日观测技巧也很好，热木星本身比拥有更薄大气层的小岩石行星更难拥有生命。如果小行星围绕像红矮星一样的小型的暗淡恒星运转，光谱就不会被恒星
淹没，詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）可能能够梳理出它们的大气光谱。但是这些红矮星常常散发耀斑，这会让生命难以在其附近的星球上存活下来。
为了在围绕类似太阳的类地行星上寻找生命的迹象，天文学家可能需要直接捕获它的光，形成一个光谱甚至是一个实际图像。这需要阻挡恒星势不可挡的强光。配备有日冕仪的地面望远镜可以准确地掩盖恒星进而可以看到其附近的物体，现在它只能捕获最宽轨道上最大的系外行星。若要看类地行星则需要在太空中放置一个类似装备的望远镜，这样不会产生大气扭曲的效果。NASA的广域巡天望远镜（WFIRST）预计将在21世纪20年代中期发射，旨在满足上述需求。
更好的是，广域巡天望远镜（WFIRST）可以和一个遮星板（一个距离望远镜5万千米的独立飞船）搭配使用。它可以展开数十米的圆形掩体来阻挡住星光。在限制进入望远镜的光量方面，遮星板比日冕仪更有效。它不仅可以直接阻挡恒星，而且可以利用精致的边缘抑制衍射。然而遮星板比日冕仪要更加难以实现，远距离对准两者则是一个挑战。
直接成像将提供比凌日观测更好的光谱，因为光线将深度穿越行星大气层两次，而不是自边缘掠过。但它也开启了直接观察而不是通过大气中的废气检测到生命的可能性。如果有机体，无论是植物、藻类还是微生物，覆盖了行星的大部分表面，它们的颜色可能会在反射光线上留下光谱印迹。地球反射光就包含了明显的这种印记。被称为“红边”的是绿色植物在720纳米波长处的反射率的显著变化。在这个波长之下，植物吸收尽可能多的光进行光合作用，反射率只有百分
之几。在更长的波长下，反射率几乎急剧上升至50%，光谱的亮度突然悬崖式升高。赫格德说：“外星观察者很容易判断地球上是否有生命存在。”
没有理由认为外星生命采取的是绿色植物的形式。所以赫格德和她的同事正在为不同类型的微生物编制反射光谱数据库。该团队记录的数以百计的生物为极端环境微生物，它们占据着地球上的边缘生态位，却可能是一个系外行星的主导生命形式。名单上许多微生物并没有测出反射光谱，所以康奈尔的研究小组正在填补这些空白。检测系外行星表面的色彩将是极具挑战性的。但是，一个遥远世界微弱的光线所揭示的颜色可以与其他线索，例如来自大气层气体的光谱吸收线谱，形成“一个拼图游戏，给我们一个星球的概貌”。
现在或未来十年内没有任何望远镜专门用于直接对系外行星成像，因此生物印记搜索必须与天文学的其他分支相竞争，以获得稀缺的观测时间。研究人员真正渴望的是一个大型的空间望远镜，以塑造像地球一样的外星世界，这是NASA命运多舛的陆地行星探测器背后的新思想。
现在正由NASA研究的可居住外行星成像任务（被称为HabEx）概念，可能是答案。它的望远镜将有一个6.5米高的反射镜，与詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）一样大，可以装备对从紫外到近红外的更宽波长范围敏感的仪器，以捕获最宽范围的生物光谱印记。望远镜的设计应减少散射光，并有一个日冕仪和遮星板，对地球大小的系外行星直接成像。
目前研究人员梦想通过这样的任务揭示类地行星的细节，如探测大气层、揭示表面色素，甚至提供凯恩模拟的那种掩饰型表面图像。但这足以证明我们在宇宙中并不孤单吗？凯恩说：“盖棺定论之前还有诸多的不确定因素。”但是，如果HabEx是按照目前的设计来建造，那么它应该提供一个非常有说服力的例子。endprint
