在这幅插画中，太阳从另一颗行星的表面升起，可能揭示了构成其大气的气体。(来源：sdecoret/Shutterstock) 我们的星球之外是否存在生命？自我们意识到宇宙确实有“之外”以来，天文学家就一直提出这个问题。然而，鉴于宇宙的浩瀚，我们不太可能在短期内亲自去那里拜访。取而代之的是，天文学家正在寻找一种方法来跨越星际空间的广阔距离，并在地球上搜寻其他行星上生命的微妙迹象。SETI因其长远目标——与智慧外星生命接触——而备受关注。其他实验，从旅行者号任务中隐藏的“金唱片”，到最近提出的“星火”计划，都希望其他文明能够注意到我们漂泊的航天器。如果生命存在，它很可能会通过比戴森球之类的东西更微妙的迹象来显现。相反，一些天文学家将希望寄托在“生物特征”气体上，这些气体是行星大气中只能由生命体产生并能从我们宇宙角落观测到的分子。未来的望远镜将使我们能够深入研究遥远行星的大气层，并分辨出它们的成分。但如果生命发出气体的问候，我们应该“嗅探”哪些气体？
寻找什么
随着探测生物特征气体这一可能性似乎近在眼前，研究人员正在加紧研究它们。这包括找出哪些气体最能预示生命的存在，以及排除任何可能通过地质过程产生的气体。康奈尔大学副教授、卡尔·萨根研究所所长丽莎·卡尔滕内格说：“我们还不能说我们有金标准，但我们已经可以肯定地说，我们拥有的最佳生物特征是氧气或臭氧与甲烷，或者另一种还原性气体的组合。”当然，氧气和甲烷构成了我们大气层的重要组成部分，或者说足够明显。这种组合备受推崇，因为氧气和甲烷会发生反应生成水和二氧化碳。如果这些气体以可观的数量存在，就必须有某种东西在产生它们，据我们所知，只有生命体能同时产生这两种气体。“没有一个迹象可以告诉我们另一颗行星上有生命，”卡尔滕内格说。“我们还有其他需要与之匹配的拼图碎片，比如行星的颜色或行星的年龄。所有这些都将使我们能够将生物特征置于背景中。”她补充道：“你还想同时寻找水，因为我们知道水是我们所知生命的基础。”
詹姆斯·韦伯望远镜的概念图，该望远镜原定于2018年发射。它将帮助天文学家研究系外行星的大气层。(来源：NASA)
不要想当然
重要的是要记住，另一颗行星上的生命，甚至是我们太阳系内的行星上的生命，可能与地球上的生命行为截然不同。我们赖以生存的分子对外星生命来说可能无关紧要，甚至有毒。“有一点你必须明白，我们不知道生命会制造什么。最终，最好的生物特征是生命产生的，”麻省理工学院行星科学与物理学教授莎拉·西格说。为了找出外星生命可能产生的分子，西格从基础入手。在她最近发表在《天体生物学》杂志上的一篇论文中，她和一群科学家汇编了一份潜在存在于行星大气层中的、具有六个或更少氢原子的稳定分子的综合列表——总共约14,000种分子。目标是采用最广泛的“生物特征气体”概念，以考虑生命可能采取的无数种排列组合。“我们并不是建议每一种气体都适合寻找，”西格说。“但这是一个起点，可以先研究一些气体，然后是其他类别的气体，逐一排除。”
艰巨的任务在前方
现在有了初始列表，她的团队将分析每种气体，以了解它们在星光照射下会发出什么样的光谱，以及它们会与哪些分子发生反应，最终产物是什么。这是一项艰巨的任务，但这项努力可能会让我们全面了解天文学家在其他行星上可能探测到的所有气体以及产生它们的工艺。地球上只有大约四分之一的分子是由生命产生的，大约2500种是构成地球生命六种最重要元素（碳、氮、氧、磷、硫和氢）的化合物。碳很容易与其他大多数原子结合，而氮、氧和氢会产生酸碱效应，从而形成有机化合物。硫有助于催化反应，磷是ATP（生命能量货币）的重要组成部分。即使在地球上，也有生物体会用其他元素来替代其中一些元素，尤其是在某些元素可能不存在的地方生存的极端微生物。想象生命体使用不同组合的118种已知元素来生存，这并非遥不可及的想象。即使我们能完全理解外星行星大气层中我们可能找到的每种分子的化学原理，我们所能做的最好的就是提出一个有根据的猜测，即生命可能存在。“归根结底，我们不太可能断言我们已经确定无疑地发现了生命，”西格说。“我们更有可能说，我们看到了这种气体，它非常不寻常，而且含量非常高；我们不知道这种气体是如何产生的，所以它可能是由生命产生的。”
新机遇
最近发现的三颗围绕一颗非常冷的恒星运行的系外行星，为研究人员提供了搜寻系外行星大气的绝佳目标。目前，天文学家通过观察系外行星在其恒星和地球之间经过来发现它们，这会导致恒星的亮度以几乎难以察觉但有规律的方式变暗。通过分析穿过这些行星大气层薄壳到达我们的光的光谱，天文学家可以知道存在哪些气体。我们还不能真正进行这样的实验，因为目前的地球和太空望远镜不够强大，无法从数十到数百光年的距离捕捉到穿过行星大气层不到60英里厚的光。然而，这样做能力即将来临。将于2018年发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够捕获足够的光，对遥远行星上的气体进行分析，有望使天文学家能够看到它们的大气层由哪些元素和分子构成。
