遥远行星上的云层可能是我们发现外星生命的首个地方
多年来，它们一直遮蔽着我们对系外行星的观测，但云层最终可能成为发现外星生命最初迹象的地方
多云的气态巨行星。图片来源：纳扎里内舍连斯基盖蒂图片社
度假者和寻找外星生命的科学家有一个主要共同点：他们的计划常常被云层打乱。
外星世界的云层是一个长期存在的问题——它们会遮蔽大气层并干扰光谱数据——以至于云层怎么办？这个问题出现在每一场系外行星会议的议程中。
不过希望就在眼前，一项新研究表明，云层可能会成为研究外星大气的科学家们意想不到的帮手。
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图片来源：YuichiroChino盖蒂图片社
我们如何寻找外星生命
探索地球之外的生命是一项极具挑战性的任务。
以我们现有的技术，目前我们只能采用一种方法来实现这一点，而这种方法是所有间接方法的鼻祖。
假设你有一颗表面充满生命的行星。在地球上，所有活细胞都通过呼吸产生能量，过程中会释放二氧化碳。
因此我们可以说，二氧化碳是一种生物特征气体——一种可以指示生物活动存在的气体。
既然我们已经确定了潜在的生物特征气体，下一步就是在合适的系外行星大气层中寻找它。
我们已经发现了大量系外行星，但大多数对于我们所了解的生命来说完全不适合生存。
天文学家可以通过探测生物特征来判断一颗行星是否可能存在生命。
快速查询美国国家航空航天局系外行星档案库发现，目前已知的系外行星中，有不少行星的大小和温度范围适宜，其表面可能存在液态水——这是生命存在的关键要素。
这些天体大多距离太远，导致它们的宿主恒星过于暗淡，无法进行我们所需的那种观测。
经过那轮筛选后，我们还剩下11颗合适的系外行星。数量不算多，但已经足够了。
对于系外行星科学家来说，接下来要进行的是观测天文学家们极其热爱的美妙舞蹈——申请望远镜使用时间。
我们的目标仪器是詹姆斯韦布空间望远镜（JWST），它是地球上或太空中最供不应求的望远镜，也是唯一能够探测到我们在小型系外行星上寻找的气体的望远镜。
我们需要数百小时的望远镜观测时间，反复观测候选行星从其恒星前方经过的情况。
在这些被称为凌日的事件期间，詹姆斯韦布空间望远镜（JWST）能够捕捉到宿主恒星的红外光。
探测系外行星的凌日法是天文学家在行星从其主星前方经过时测量星光的减弱。
这部分光中的一部分会被行星吸收，但光也会穿过该行星的大气层（如果它存在的话）。
这部分是关键，因为存在的气体会在不同波长下吸收星光，在光上留下我们可以解读的印记。
需要数十次凌日现象才能积累足够的信号，使其超过数据中的噪声。
假设我们观测了500小时的凌日现象。然后我们获取了这颗行星的光谱——这是我们所有人都在等待的时刻——我们仔细观察了一下。
有两种情况可能会发生。
岩石系外行星大气中的氨可能是寻找太阳系外生命迹象的重要生物标志物。来源：美国国家航空航天局喷气推进实验室加州理工学院
清晰与模糊的结果
第一个是好消息：我们在数据中看到了二氧化碳的特征信号，清晰得就像外星白昼一样。
好哇不过这就意味着有生命吗？嗯，不是的。各种各样的非生物都会产生二氧化碳——比如火山就是例子。
太好了，发现这种气体固然值得高兴，但作为生物特征信号来说它并不理想：它存在太多假阳性结果。因此我们对气体的选择需要重新考虑。
第二种可能发生的情况是我们的光谱没有特征——像煎饼一样平坦。
这可能意味着没有大气层，因此没有可探测到的生物特征信号。然而，特征的缺失也可能是由云层造成的。
云可以像不透明的屏障一样，减弱光谱特征并将令人兴奋的大气隐藏起来不让人看见。
我们的问题在于，很难区分一颗看似没有大气层的行星和一颗大气层被云层遮挡的行星。
GJ1214b是典型例子：多年来它看起来一片空白，其大气层完全被云层遮蔽，直到詹姆斯韦伯太空望远镜最终揭示了其中的情况。
系外行星GJ1214b及其恒星的艺术家印象图。图片来源：NASA
还有第三个秘密选项，这是一个真正的障碍：即使经过数百小时的仔细观察，你的数据仍可能被噪声主导。
我们现在尝试做的事情也有可能实际上并不可行……至少目前是这样。
我们如何确定光谱中的波动肯定是由这个分子引起的？我们是否确切知道所有其他可能性是什么？我们能明确排除它们吗？
在大多数情况下，答案是否定的。事实上，在《美国国家科学院院刊》发表的一篇论文中，系外行星学领域的巨擘和先驱萨拉西格尔教授指出，在詹姆斯韦布空间望远镜时代，我们不太可能检测到完全没有假阳性的生物特征气体。
那我们接下来该去哪里呢？
地球的云层中充满了微生物生命，那么我们是否应该在外星云层中寻找生命呢？图片来源：YorVenGettyImages
为什么云可能是答案
那么，那些外星云层呢？当前研究方法的一切都严重依赖于生命仅通过化学方式自我宣告，在其大气层中留下证据让整个星系都能看到。
不过，一种有实验室证据支持的新方法，将使我们能够直接探测系外行星云层中的微生物生命迹象——而这些云层正是我们目前认为在搜索中最大的障碍。
几十年来，我们已经知道地球的云层和大气中充满了微生物。
尚未被考虑的是，系外行星云层中的微生物生命是否可能成为寻找地外生命的一条途径。
但莉吉娅科埃略博士主导的一篇激动人心的论文探讨了这种可能性。
微生物在地球大气中生存的主要挑战之一是暴露在恶劣条件下：极端寒冷、紫外线（UV）辐射以及缺乏易获取的水。
套用艾尔顿约翰的话来说，这不是个养孩子的地方。
但生物学既巧妙又多彩，而事实证明，颜色——具体来说——能让这些细胞在恶劣环境中存活。这全归功于生物色素。
生物色素是由生物体产生的、能吸收和反射特定波长光的分子。
这赋予它们颜色，但颜色是副产品，而非功能。大多数情况下，其功能要么与保护有关，要么与能量吸收有关。
在地球上，生物色素几乎无处不在，存在于植物（比如叶绿素）、真菌、细菌甚至动物中。
微生物富含生物色素，许多细菌即使不进行光合作用也能产生它们。
这就是它们能在云层这样的极端环境中生存的原因。而科埃略已经证明了如何在系外行星的光谱中直接检测到这些特定的色素。
该团队培养了七种从地表以上21公里至29公里（13到18英里）高空大气中采集的细菌培养物。
这七种菌株都已知会产生类胡萝卜素——和我们吃的胡萝卜中存在的生物色素相同——这些色素会产生浓烈的颜色。
韦伯望远镜中红外仪器拍摄的原恒星ST6的红外光谱。发现了大型复杂有机分子的光谱特征。图片来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心M.Sewilo等人
随后，每种菌株的反射光谱都被测量，以评估其是否能在系外行星上被探测到。
这种反射光谱学与我们当前的方法不同。
当我们观测穿过系外行星大气层的光时（就像我们用詹姆斯韦伯太空望远镜所做的那样），这就是透射光谱学：星光被大气层透射并留下印记。
通过反射光谱法，我们转而研究从行星反射的星光。
它可以来自地表——冰、海洋和植被——甚至是云层。这一技术的强大之处在于，云层可以成为信号的载体，而不是遮挡信号的障碍物。
这意义重大，是我们寻找地外生命的明确下一步。但我们目前还不会马上开展这项工作。
宜居世界天文台的艺术家印象图。图片来源：titoOnzistockgetty，美国国家航空航天局科学可视化工作室
我们何时会收集云数据
为了观测反射光谱，我们需要将行星反射的光与母星发出的光分离开来。
我们目前还无法对小型系外行星做到这一点，但相关研究正在进行中。
宜居世界天文台（HWO）是美国国家航空航天局（NASA）的下一个旗舰太空望远镜任务，它将是有史以来首个以在银河系其他地方寻找生命迹象为明确目标的望远镜。
它的具体设计尚未最终确定，但将包含一个日冕仪以阻挡星光，从而可以直接成像小型系外行星。目前预计HWO将在未来某个时间发射。
因此，科埃略和她的团队所做的工作对于打好基础至关重要。
通过建立不同生物色素的反射光谱库，科学界将知道当HWO最终启动时要寻找什么。
希望其他研究团队能受到这项开创性工作的启发并采取同样的行动。
一个更贴近生活的用途
金星的艺术家印象图，插图展示了磷化氢分子的示意图。图片来源：ESOM.KornmesserL.Calçada及NASAJPLCaltech
与此同时，反射光谱的另一种用途浮现在脑海中。
我们隔壁有一颗相当多云的行星——那里可能有生命吗？当然，我指的是金星。
我们当然不应该仅仅因为这颗星球坦白说就是个地狱般的地方就排除这种可能性。
一项由简格里夫斯教授领导的研究报告称，在金星云层中检测到了一种名为磷化氢的气体。
这一研究颇具争议，并催生了一些引人入胜的后续工作，包括重新分析来自苏联时期Vega任务的数据——该任务曾向金星云层投放搭载质谱仪的气球。
磷化氢检测之所以是一个重大主张，是因为它此前被认定为岩石行星上不存在假阳性的生物特征气体。
这意味着，除了通过生物作用外，我们不知道在岩石行星上还有任何产生磷化氢的方法。
在地球上，你会在企鹅的屁和甲基苯丙胺实验室（以及其他地方）中发现磷化氢——所以，这在很大程度上表明存在生命。
金星云层中是否存在磷化氢目前仍无定论。
日本晓号轨道器拍摄的金星视图。PLANETC项目团队
我们也不确定在岩石行星上是否真的没有非生物途径来产生它。
但这重新激发了人们对金星作为潜在生命宜居行星的兴趣，因为那些高酸性云层中可能存在微生物生命。
事实上，另一项最近的研究表明，生命所需的所有关键成分都能在浓硫酸中存活——因此这真的不是那么牵强。
我们确实正处于一个新的发现时代。系外行星领域的研究历史尚短，但我们已经在设计如此令人兴奋且富有创意的方法，来寻找外星世界上的生命。
以至于云层的地位正从天文学家最可怕的敌人转变为至少是可以容忍的友敌。当相关天文观测项目启动时，我预计它们将成为我们坚定的朋友。
不过，如果发现最近的外星生命一直就在我们隔壁，那岂不是很美妙吗？我个人会密切关注天空——只要云不挡住视线。
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行星是围绕恒星运转的天体，需满足三个核心条件：绕恒星公转、自身引力足以使形态呈近似球状、能清除轨道附近的其他小天体。太阳系的八大行星如地球、木星等均符合这些标准，它们是宇宙中常见的天体类型，承载着人类对宇宙探索的诸多好奇与发现。
