其他星球上的风暴

1979年3月5日，旅行者号宇宙飞船呼啸着飞过木星，并传回了一张只有在地球上才见过的模糊快照：闪电。这证明了我们居住的星球并非大气奇观的孤例。

但这并不令人意外。毕竟，闪电只是电子在一定规模上的流动，从而在大气层中产生电火花——任何大气层。此后多年，宇宙飞船在太阳系的其他地方也发现了闪电，从金星的云层顶端，到土星的卫星泰坦，再到土星上一次巨大而明亮的电暴，甚至在白天也能照耀。

同样，强大的电流流几乎肯定在银河系中散布的数千颗系外行星的天空中噼啪作响。但迄今为止，还没有证据。苏格兰圣安德鲁斯大学的德国物理学家 Christiane Helling 希望能够探测到数万光年外的地外闪电。由于我们还没有超光速旅行，她将通过日益强大的望远镜观测来实现这一目标。

这项研究至关重要，因为闪电可能瞬间发生和消失，但其电闪雷鸣可以改变周围空气的化学成分。事实上，闪电的影响如此之大，以至于它可能是生命本身的一个重要组成部分。

风暴的开端

闪电，无论以何种形式，都始于云。Helling的研究也是如此。她一直热爱她称之为“微观物理学”的东西，即那些肉眼看不见的尺度上粒子的相互作用。2001年，她在柏林工业大学做博士后研究时，开发了一个名为 Drift 的计算机模型。这个名字指的是微小粒子在云中潮涨潮落的方式，受到重力的拉动。起初她并不知道，但这项研究为一位新兴的闪电研究者打下了完美的铺垫。

Helling使用该模型模拟尘埃在褐矮星大气中如何旋转和卷曲：这些气态天体比行星大而热，但比恒星小而冷。通过研究这些“失败的恒星”发出的光，天文学家可以了解它们的构成。到目前为止，他们已经发现了许多熟悉的分子，如氧气和二氧化碳，以及硅酸盐和铁等矿物质。

使用 Drift，Helling发现这些分子可以形成她称之为“宝石云”的东西，因为构成它们的硅酸盐和金属最有可能使它们看起来闪闪发光、色彩斑斓。在她模型的云层中，大气气体有时会凝结在闪亮的尘埃颗粒上，尺寸增加到几毫米。有趣的可能性就此产生，因为这些颗粒经常碰撞，产生电荷，为闪电做好准备。

在地球上，我们的风暴云由带电的水滴和冰雹组成。但水并非闪电的必需品；它只是携带电子的介质。事实上，小型闪电风暴经常发生在火山灰中。当剧烈喷发后的火山灰在空气中旋转时，它也会带上电荷。

这就为闪电创造了条件。云中的不同电荷——无论是源自宝石、水还是灰尘——都会产生电场。任何自由电子都会被吸引到正极，就像球在地球的引力场中下落一样。当足够多的电子碰撞和“下落”时，砰——你就有了闪电。

电力混乱

Helling证明了褐矮星上的闪亮云层可以产生这种电荷。然后在2009年，她想知道这些多尘的云是否可能是奇怪的外星闪电风暴的基础。

同年，天文学家开始在太阳系以外发现大量的行星。系外行星和褐矮星在许多方面都有所不同，但对于 Helling 的目的——云以及云内部可能发生的事情——它们非常相似。而且，虽然这两类行星都无法直接从地球上看到，但研究人员可以通过今天的望远镜确定它们大气的化学成分。利用这些数据，Drift 显示气态系外行星的大气层非常适合形成闪亮的宝石云。

在圣安德鲁斯大学，Helling 成立了一个名为“生命、电力、大气、行星”（LEAP）的研究小组。目标是：找出这些新世界是否存在闪电，并为他人发现其潜在影响铺平道路。

弄清楚闪电最初是如何在尘埃的旋转中发生的，是 Helling 计算机模型中的关键。幸运的是，地外云的类似物存在于地球上。Helling 说：“令人兴奋的是，[它们的]成分与我们所知的火山成分相似。”

2013年，慕尼黑大学 LMU 的火山学家 Corrado Cimarelli 在实验室中，通过在高压下将尘埃推入一个小玻璃管，重现了火山闪电。他拍摄了慢动作画面，阐明了实验室制造的闪电的微观物理学。屏幕上闪烁着黑色的颗粒喷射，从加压管中喷出，就像消防水龙带喷水一样，伴随着微小的电火花——只有几厘米长的白色脉冲。

将 Cimarelli 的实验室数据添加到 Drift 中，Helling 发现闪电可能发生在气态系外行星和褐矮星上——闪电的规模可能像帝国大厦一样大。Cimarelli 用与宝石云相同的材料制造的实验室闪电表明，当尘埃被快速撞击时，最有可能发生闪电。这表明，在有充足的星光和辐射来制造风的行星上，闪电可能最为普遍。

电的大气层

有了比她想象中更普遍的宝石云——以及随之而来的闪电——Helling 确信外星闪电可以在我们宇宙的大气层中闪耀。但她该如何得知呢？这些世界太远了，无法直接看到。这不仅仅是发送探测器或将哈勃望远镜对准最近的系外行星的问题。

为了弄清楚如何寻找地外闪电的实际证据，Helling 将 Drift 的代码与另一个名为 Phoenix 的大气模型相结合，该模型由汉堡大学的天体物理学家创建。Phoenix 将 Drift 可以建模的单个云置于整个行星的背景下。利用 Drift-Phoenix 的结果，Helling 迈出了第一步，以确定闪电在一个世界的大气层中会留下哪些标志性元素。事实证明，无论是在地球还是遥远的世界，闪电出现的地方，甲烷和一氧化碳的含量都会略高一些。

今天的观测站只能捕捉到大气层的宏观特征；它们尚未灵敏到可以检测到闪电在地外世界留下的痕量化学物质。幸运的是，随着詹姆斯·韦伯太空望远镜于2018年发射，系外行星的观测将更加强大。它将为天文学家提供无与伦比的视野，其中可能包括对一个风暴世界的瞥见。但这并不是发现闪电的标志所意味着的全部。

更引人注目的是，闪电也可能是孕育生命的关键催化剂。60多年前，生物化学家斯坦利·米勒和哈罗德·尤里进行的一项实验表明，如果你将早期地球上发现的潮湿、无组织的成分——水、氨、甲烷、氢——与电火花结合，你就会得到氨基酸，这是所有已知生命的基本构成单元。

这并不意味着闪电就等于生命。远非如此。液体的存在非常罕见，而天体生物学家认为，Helling 目前研究的气态行星不像类地岩石行星那样可能孕育生命。但宜居行星是一个诱人的前景，Helling 在她的 LEAP 项目的名称中就提到了这一点。在寻找生命的过程中，闪电可能是一个关键线索。

我们可能永远无法亲眼看到地外的闪电。但知道有闪电的地方，就可能有什么东西在盯着它看，这是多么令人兴奋的消息。