盡管近年來(lái)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了數(shù)以千計(jì)的太陽(yáng)系外行星，但我們對(duì)這些系外行星的大氣成分知之甚少。這些系外行星的大氣層中可能存在與生命有關(guān)的成分，只是我們現(xiàn)在還沒(méi)有辦法進(jìn)一步掌握。日前，科學(xué)家提出了一個(gè)新觀點(diǎn)，認(rèn)為通過(guò)探測(cè)地外行星的氧氣、水和外星植物的葉綠素，可以更有效地搜尋外星生命。也就是說(shuō)，搜尋工作應(yīng)當(dāng)聚焦于生命信號(hào)——生命體產(chǎn)生的化學(xué)物質(zhì)。

美國(guó)普林斯頓高等研究所的天體物理學(xué)家蒂莫西·布蘭特和大衛(wèi)·皮格爾認(rèn)為，水和氧氣是生命生存必需的元素，如果我們探測(cè)到某顆系外行星上有水和氧氣，就很可能暗示著其上存在生命跡象。而地球因?yàn)榇嬖谌~綠素使得光線變得略紅，如果地外植物能夠?qū)㈥?yáng)光轉(zhuǎn)換為能量，也可以使它生活的星球的光線變紅一些，與葉綠素的作用相近。因此，他們主張接下來(lái)的系外生命搜尋計(jì)劃應(yīng)當(dāng)著眼于探測(cè)系外行星上的水、氧氣和葉綠素。

兩位科學(xué)家提出了一個(gè)簡(jiǎn)單的大氣模型，可以復(fù)制系外行星的光譜并判斷其中水、氧氣和葉綠素的跡象。他們的模型中很少有自由參數(shù)，從而增加了模型的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義，也使得更有意思的參數(shù)（比如水或氧氣）可以被估算出。他們?cè)噲D量化最優(yōu)的設(shè)計(jì)和最低性能，從而達(dá)到美國(guó)航空航天局對(duì)類地行星特性描述的目標(biāo)。他們從一個(gè)粗糙但大致正確的類地行星光譜近似值入手，試圖在一個(gè)他們能很方便地修改云層、地表和大氣成分的環(huán)境中捕獲地球的主要光譜特征，并用來(lái)驗(yàn)證他們提到的統(tǒng)計(jì)方法。

美國(guó)航空航天局的一個(gè)重要的長(zhǎng)期目標(biāo)就是檢測(cè)、描述系外行星，并通過(guò)探測(cè)它們的光譜來(lái)搜尋生命跡象。因此，美國(guó)航空航天局等太空研究機(jī)構(gòu)計(jì)劃研發(fā)直接成像系統(tǒng)，能夠用熱或者反射光觀測(cè)太陽(yáng)系外行星，從而確定它們的大氣結(jié)構(gòu)與成分。計(jì)劃研發(fā)的高科技大口徑天文望遠(yuǎn)鏡（ATLAST）還可以在波長(zhǎng)0.5微米至1微米之間尋找氧分子、臭氧分子和水分子的光譜跡象。這些分子在這一光譜范圍中是最突出的吸收體，也是形成生命的要素。

布蘭特和皮格爾認(rèn)為，這一任務(wù)通過(guò)測(cè)量系外行星的光譜來(lái)檢測(cè)水、氧氣和葉綠素，以此來(lái)確定什么樣的成分及濃度暗示著某顆系外行星上存在外星生命。他們的研究結(jié)果表明，根據(jù)這個(gè)模型，高科技大口徑天文望遠(yuǎn)鏡能夠探測(cè)到一顆圍繞臨近恒星運(yùn)行的類地行星的水與氧氣，但想識(shí)別出葉綠素需要更高的靈敏度或者非常走運(yùn)。兩位科學(xué)家建議，我們應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)著眼于氧氣的工具，而后圍繞一個(gè)或幾個(gè)特殊的目標(biāo)尋找葉綠素。

模型中，兩位科學(xué)家用一個(gè)已知行星的光譜、可能的大氣成分的吸收光譜和瑞利散射構(gòu)建了一個(gè)假想的系外類地行星的光譜。現(xiàn)在要做的，是通過(guò)觀測(cè)對(duì)這個(gè)完美的光譜及其光度進(jìn)行測(cè)量校準(zhǔn)。他們的分析集中在光學(xué)和近紅外波段。在這些波長(zhǎng)中，雙原子氧和水對(duì)0.6微米至1微米波長(zhǎng)的光有非常突出的吸收特性，而像巖石、沙子這類物質(zhì)則缺乏強(qiáng)烈的光譜特性。在短波長(zhǎng)上，他們則利用了衍射極限分辨率的優(yōu)點(diǎn)。

系外行星表面物質(zhì)的光譜反照率是在可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)變化的，因此，他們把未知的光譜光度測(cè)量校準(zhǔn)和表面反照率組合成自由乘法低階多項(xiàng)式。

葉綠素在0.72微米的“紅邊”是一個(gè)例外，兩位科學(xué)家使用軟化亥維賽函數(shù)，并在參數(shù)的選擇上與ASTER函數(shù)庫(kù)的植被特征相匹配（ASTER是美國(guó)航空航天局主導(dǎo)的項(xiàng)目，是特拉對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星上的一種高級(jí)光學(xué)傳感器，包括了從可見(jiàn)光到熱紅外共14個(gè)光譜通道，可以為多個(gè)相關(guān)的地球環(huán)境資源研究項(xiàng)目提供科學(xué)、實(shí)用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)）。

氧氣和臭氧。星球上的紫外線可以將雙原子氧轉(zhuǎn)化為臭氧，因此兩位科學(xué)家想在他們的模型中通過(guò)同時(shí)搜尋氧氣和臭氧，來(lái)更容易地探測(cè)到大氣中的氧氣。不過(guò)，任何同時(shí)尋找氧氣和臭氧的儀器都需要設(shè)定一個(gè)更高的意義閾值，來(lái)解釋臭氧能模擬一個(gè)變量光譜反照率的能力。

水。水有一系列的強(qiáng)吸收性和各種各樣的有效寬度，使它比雙原子氧更容易被檢測(cè)到。科學(xué)家研究發(fā)現(xiàn)，在光譜分辨率過(guò)低時(shí)，吸水率會(huì)變得越來(lái)越難和地表反照率以及光譜光度測(cè)量校準(zhǔn)中的誤差區(qū)分開(kāi)?？茖W(xué)家指出，檢測(cè)水的最佳光譜分辨率是40，低于能檢測(cè)到氧氣的分辨率，并且反映了其更廣泛寬度的特性。

葉綠素的“紅邊”。地球上的葉綠素在反照率約0.7微米處大幅上升，稱為“紅邊”。如果有類似的特性在地球外被檢測(cè)到，一個(gè)很大的暗示就是：有光合作用的外星生命可能使用不同的色素分子。

兩位科學(xué)家把植被反照率近似于軟化亥維賽躍階函數(shù)，它在波長(zhǎng)0.5微米至1微米間提供了一個(gè)合理的匹配。雖然反照率在純植物生命中跳躍很大，從5%增加到50%，但在集成的地球光譜中就弱得多。這既跟植被的覆蓋率有關(guān)（在地球表面，植被的覆蓋率大約為15%），也跟這一地區(qū)云層的光學(xué)厚度有關(guān)。

通過(guò)計(jì)算，兩位科學(xué)家得出結(jié)論，對(duì)類地行星來(lái)說(shuō)，檢測(cè)到氧氣需要的信噪比是水的2倍，而要檢測(cè)到葉綠素，即使已經(jīng)知道外星生命使用的色素分子，其所需要的信噪比也比氧氣高6倍。為了使葉綠素和氧氣一樣能夠易于檢測(cè)到，他們必須假定類地行星只有少量云層，且其植被覆蓋率至少達(dá)到30%。但是，沒(méi)有云層的類地行星意味著反照率較低，使其難以達(dá)到給定的信噪比，也很難想象生命會(huì)發(fā)生在一個(gè)無(wú)云的世界里。

因此，兩位科學(xué)家認(rèn)為，未來(lái)的探索任務(wù)應(yīng)該制定探測(cè)擁有水和氧氣的系外行星的標(biāo)準(zhǔn)。如果確認(rèn)存在水和氧氣，接下來(lái)就應(yīng)該檢測(cè)其上是否存在葉綠素。一旦發(fā)現(xiàn)，它將能非常明確地證明，在遙遠(yuǎn)的世界里真的有植物生命的存在。endprint