寻找另一个地球：能直接拍摄系外行星照片吗？
凯恩是美国加州大学河滨分校的天文学家，即便这项工作看似如此枯燥乏味，但他必须坚持观察。他想要了解随着时间推移，这些图像中的微小像素所发生的细微变化。对于凯恩和他的同事们而言，仅仅这些信息就已经足以让他们得到一些重要的结论，比如他们根据一些信息推断出：这颗行星上有海洋和陆地，有漂浮的云层，有四季变化，而且每自转一周的时间是24小时。
凯恩知道他的结论是正确的，因为他们所研究的那颗行星是地球。
凯恩的研究组从“深空气候观测台”卫星上获取地球图像。这颗卫星在不断拍摄近乎实时的地球图像并传回地球。凯恩获取这些图像并将其像素从400万像素降低到只有几个像素，让画面几乎完全无法辨识，然后在这样的图像基础上进行研究。
这一点很重要，因为这种效果大体上就和未来我们的望远镜首次有能力直接拍摄到围绕其他恒星运行的，大小与地球相近的系外行星图像时的成像效果相类似。凯恩表示，他和自己的团队希望能够了解，当有朝一日我们终于能够对系外行星直接成像时，我们将能够看到什么样的情景。他们目前的研究结果证明，即便到时候我们获取的图像只有几个像素大小，但科学家们仍然将能够对这颗行星做出重要判断：这是一颗能够容纳生命在其上面生存的星球吗？
寻找系外行星上的生命迹象
要想找到远在数光年，乃至数十，上百光年外遥远的系外行星上存在生命的确凿证据将是极端困难的。这一点只要看看目前的状况就知道了。全球各国的航天机构花费了数十上百亿的美金，发射了大量的先进无人探测器造访太阳系各个有希望存在生命的星球，但到目前为止我们在疑似地外生命的方面仍然几乎一所所获，哪怕是最细微的线索我们都没能找到。但天文学家们仍未放弃希望，他们希望能够找到一个“地球2.0”，他们希望这样一颗星球上存在着动物和植物，甚至从数光年之外的遥远位置上也能够被察觉出来。
但是，实际情况是，要想真正进行这样的探测将是极端困难的。这一点是很容易理解的，考虑到我们要探查的行星世界极为遥远，而且非常渺小，它们发出的光几乎会被旁边的恒星光芒完全淹没。在未来几年内即将发射的新一代太空望远镜，包括美国的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）预计能够拍摄到足以显示系外类地行星表面细节的可能性也非常小，其拍摄效果更大可能是与凯恩小组的模拟相类似的模糊图像。因此，为了应对未来将要获得的这些系外行星图像，并帮助空间望远镜设计者们更好地规划望远镜潜在观测目标——科学家们目前正在努力编制可能与生命现象有关的特征列表：从可能由生命活动产生的气体，到外星植物和微生物可能显示的色素迹象。
当然，在实践中不太可能出现某种单一的决定性证据，而更可能是多种不同的线索组合起来，从而构成系外行星上是否存在生命迹象的证据。比如说，如果我们在某个系外行星的大气中检测到氧气，单独这一点还并不能确凿地证明这颗星球上就一定存在生命，我们还必须弄清楚这些气体究竟是如何产生的？再比如，我们知道某个系外行星的平均温度，从而推断其表面可能存在液态水，但是我们同样不能就此推断它上面的生命迹象，我们还需要了解这颗星球上的一天有多长，有无四季变化，以及最极端的温度范围是多少等等。甚至对于这颗行星围绕运行的恒星的了解也是极为重要的，我们必须确认这颗恒星是否能够为这颗行星提供持续稳定的光热，从而为生命的生存提供必要环境条件。
美国宇航局天体生物学项目主管玛丽·沃特克（Mary Voytek）表示：“每一项观测结果都会提供重要线索，共同帮助我们判断那里是否存在生命。”
获取系外行星光谱数据的艰难工作
在1995年发现首个系外行星的时期，各国航天机构都在积极规划一些极为昂贵的空间项目，希望能够对那些有可能孕育生命的系外类地行星开展研究。其中一些有代表性的项目包括美国宇航局规划的“类地行星搜寻者”（TPF）以及欧空局的“达尔文”计划。这些计划都设想采用多台大口径空间望远镜精确编队飞行的方式，实现极高精度的联合成像，从而获取极高的分辨率。但遗憾的是，这两个项目最终没有任何一个实际付诸实施。对于其背后的原因，沃特克说：“那些计划规划的太仓促了，我们当时并没有足够的数据去规划它或是建造它。”
相反，科学家们将他们的注意力主要集中到了探究系外行星的多样性方面，并使用地基望远镜和空间望远镜两套体系开展研究，后者最有代表性意义的便是美国宇航局发射的“开普勒”空间望远镜。在过去的20多年内，全球的科学家们一共确认了超过3500颗系外行星，其中大约有30颗是地球大小的，并且其距离恒星的位置适中，因而被认为有可能可以存在液态水体。但这样的巡天研究只能给研究人员提供有关这些遥远行星最基本的物理性质参数，比如它们的轨道，大小，以及质量等等。而要想真正获得有价值的信息，科学家们需要光谱数据：那些穿过这些行星大气层，或者被这些行星反射出来的光线，这些光线携带着极为关键的信息。
大部分望远镜并不具备在强大恒星的周围分辨出暗弱渺小的系外行星的分辨能力，因为后者至少要比前者的光芒暗弱10亿倍以上。但即便天文学家们不能直接观察到行星本身，他们仍然可以利用一些时机，比如凌星等事件，来获取行星光谱。所谓凌星，简单来说就是行星从恒星面前经过，有点类似水星凌日或者金星凌日。在凌星过程中，恒星的光线会从行星大气层中穿过，它们大气中的特定成分气体会吸收特定波长的光线，这会在光谱中留下特征性信息，从而让我们反推出这些行星大气层的成分。
天文学家还可以通过行星在恒星背后通过的时刻获取重要信息。在行星刚刚从恒星背后出现之前，将能够接收到行星地面反射的光线，以及从大气层中透过的光线。而在行星完全从恒星背后出现之后，这段时间接收到的光线则完全是来自透过行星大气层后的光线。将两个信号相减，我们将获得较为清晰的行星地表光谱信号。
然而，理论容易实践难。要想真正提取一条可以识别的信号并非易事。因为恒星的全部光线中只有极小一部分会穿过行星大气层，其产生的信号极为微弱，要想将其从其他恒星星光中识别出来困难极大，再加上我们还必须设法剔除来自地球大气成分吸收的影响。正如美国麻省理工学院的著名系外行星科学家萨拉·赛格尔（Sara Seager）所说：“大部分科学家都会对通过这种方法获得的数据质量之差感到震惊。”
但尽管面对这样巨大的困难，利用哈勃空间望远镜，斯皮策空间望远镜，以及其他一些空间观测设备，科学家们仍然成功地在一些相对比较容易观测的系外行星大气层中检测到了一些成分信号，包括钠，水，一氧化碳，二氧化碳以及甲烷。这类系外行星基本都属于所谓的“热木星”，也就是体积质量巨大，而运行轨道距离恒星很近的系外行星，它们的大气层温度很高，体积膨胀。
追寻氧气，追寻甲烷！
而等到2019年詹姆斯·韦伯空间望远镜发射升空之后，这一方法还将为科学家们带来更大利益。这台6.5米口径的巨大望远镜将能够以远超现有空间望远镜的能力，获取那些更为暗弱的系外行星的光谱数据，数据的质量也将得到改善。并且，由于工作波段在红外波段最敏感，因此某些成分的吸收线，比如水，甲烷，一氧化碳以及二氧化碳等成分的信号会更加明显。
一旦天文学家们获得这类光谱数据，他们首先想要寻找的信号就是氧的信号。这不仅是因为氧拥有独特且较为明显的吸收线特征，并且还因为氧气信号的存在很大可能是这颗星球上存在能够进行光合作用的植物的证据。
具备光合作用的植物是塑造今日地球的重要因素。海洋中最早出现的蓝藻，以及随后出现的其他微生物，以及再后来出现的植物将大量氧气送入地球大气层，时至今日，氧气已经占到地球大气成分的21%左右——这样高的含量是很容易从遥远的地方通过光谱方法观测出来的。美国宇航局资助项目“可视化行星实验室”（VPL）主管，美国华盛顿大学的维多利亚·米多斯（Victoria Meados）说：“光合作用是进化过程中的神奇现象”。这种机制能够利用唾手可得的能源——太阳光，并利用在大部分类地行星上非常常见的两种物质——水和二氧化碳作为原料来合成糖分，从而为生命提供“燃料”。米多斯相当确信，在宇宙中其他的类地行星上，光合作用也一定存在。因此她说：“氧气仍然是我们最先关注和搜寻的目标之一。”
15年前，当时系外行星还是相对新鲜的事物，研究人员才刚开始思考关于如何在那些星球上搜寻生命迹象的话题。米多斯回忆说：“在当时，如果说在某个系外行星大气中探测到氧气信号，那么我们就得打开一瓶香槟酒庆祝了。”但是在那之后，我们逐渐意识到事情并没有那么简单：没有生命存在的星球大气层同样可以充斥氧气，而生命活动也并非一定会产生氧气。事实上这种情况在地球上就发生了：在超过20亿年的时间里，地球上微生物的光合作用并不产生氧气欧哲其他气体。米多斯表示：“我们必须小心，防止自己被误导。”
小心！不要被误导
要想弄清一个真正的生命迹象究竟是什么样的，哪些可能是假信号，米多斯和同事们正积极利用现有的系外行星数据以及地球本身的数据构建系外行星大气层的计算机模型。他们还在真空室内进行相关实验，他们模拟系外行星可能的大气成分，并模拟各种不同类型恒星的光照条件，观察各种出现的现象。
在过去的几年间，VPL的研究人员已经运用这种方式梳理了那些能够产生氧气的非生物学过程，这样的过程可能会造成科学家们的误判，从而产生“假阳性信号”。比如说，某些恒星周围可能存在海洋行星，其地表几乎完全被海水覆盖。如果其地表温度过高，可能造成全球性海洋的沸腾和强烈蒸发。此时来自恒星的强烈紫外线照射这颗行星，就有可能使水汽分子发生裂解，形成氧气和氢气。氢气比较轻，可以较为容易地逃逸进入太空，而相对较重的氧气成分则会滞留在行星大气层内，从而形成一颗富含氧气，但是无生命的行星。康奈尔大学卡尔·萨根研究所的希德赫斯·海德（Siddharth Hegde）引述道：“了解你的恒星，才能了解你的行星。”
但是，如果在大气层中发现了氧气成分的行星上，又同时检测到了甲烷气体成分，那么这将大大增加生命存在的可能性。尽管某些没有生命参与的地质学过程同样能够产生甲烷，但地球大气中的大部分甲烷气体来源于垃圾填埋点和某些动物的反刍。甲烷和氧气构成了一对氧化-还原对：它们两者之间可以通过交换电子实现反应。如果它们同时存在于一个大气中，它们很快就会发生反应并形成二氧化碳和水。但如果在一个较长的时期内这两种气体一直在大气层中共存且保持了较高的含量，那么我们就可以相当有把握的推断，一定存在着某种机制能够源源不断的向大气补充甲烷气体。因此，一般我们认为，如果在大气中存在甲烷这样的不稳定气体，那么它应该是与生命活动有关。
有些科学家认为，将注意力完全集中于氧气和甲烷是根据了地球的经验，这样是否可能会导致我们忽略其他方面的可能性。如果说到目前为止天文学家们在系外行星方面有所学习有所收获的话，那就是面对系外行星在大小和类型上的多样性，我们所熟悉的那些经验往往是苍白无力的。我们对于嗜极生物的研究，也就是那些在地球上一些最极端环境下生活的生命的研究已经显示生命可以在某些最不可思议的恶劣环境中生存下来。因此，或许外星生物学可以与地球生物学完全不同，因此，那里的生命活动产生的气体成分或许也会与地球上的生命活动产生的气体成分完全不同。
但是如果是这样，那我们究竟该去寻找什么气体呢？赛格尔和同事们整理了一份列表，其中列出了可能以气态形式存在于那些温度较为适中的系外行星大气中的各种化合物，也就是那些平均气温在水的冰点和沸点之间的星球；并且，为了让这份列表显得简短一些，他们限定只收录小分子，严格来说就是这种物质的分子中不能含有超过6个以上的非氢原子。结果，这份列表收录了超过1.4万种符合条件的化合物。其中2500种分子是由包括碳，氮，氧，磷，硫和氢等组成地球上生命的主要元素组成的，而600多种基本上就是由地球上的生命活动产生的。如果能够在系外行星的大气层中探测到任何这类气体迹象，并且找不到任何非生物学成因的解释的话，那么赛格尔和同事们就认为这种信号可以被作为潜在生命存在的提示信号。
先进日冕仪技术
在未来多一段时间内，通过观察凌星期间恒星光线透过行星大气层获得的光谱信号来搜寻生命存在的迹象将会是一种主要研究手段。但是这种方法有一个缺陷，那就是一般来说，通过这种方法获得的光谱基本反映的更多是系外行星高空大气的成分，因为穿透厚厚的大气抵达靠近地面的底层大气的光线毕竟只占很少的比例，但那里才是生命活动最活跃最多的地方。另外，凌星方法对于“热木星”这类系外行星的研究是最为有效的，但是这种类型的系外行星从本质上讲，其存在生命的可能性就是极低极低的。而那些最有希望孕育生命的类似地球环境的小型岩石星球，这类研究方法却并不能最有效地发挥其作用。下一代空间望远镜，比如前文中提到的詹姆斯·韦伯空间望远镜将有望获取围绕红矮星运行的这类小型岩石质系外行星的光谱数据。之所以限定红矮星，是因为这类恒星质量很小，亮度较弱，对行星光线的淹没效应会相对弱一些。但是，红矮星有一个严重缺陷，那就是它们会非常频繁地发生剧烈的耀斑爆发，在它们周围的行星将会不断遭受高能粒子轰击。在这样的情况下，生命将很难生存下来。
如果想要搜寻围绕一颗类似太阳的恒星周围运行的，与地球大小与性质相近的系外行星上的生命迹象，天文学家们或许将需要直接“捕获”来自这颗行星的光线，去获取其光谱数据，甚至做直接成像。而要想做到这一点，我们必须首先设法遮挡临近恒星的耀眼光芒。地基望远镜上可以安装所谓“日冕仪”，其能够精准地遮蔽恒星，从而暴露其近旁的其他暗弱目标。但目前的技术条件下，利用这类设备还只能获取那些体积最大，且距离恒星最远的系外行星光谱。要想获取与地球大小相似的系外行星光谱必须仰赖大型空间望远镜，因为这样可以避开地球大气层造成的信号扰动。美国宇航局规划中在2020年代中期发射的“广域红外巡天望远镜”（WFIRST）将有望达成这一目标。
甚至，WFIRST还可以与一个“星挡”（starshade）协同工作，后者本质上是一艘独立的飞船，可以被部署在距离望远镜大约5万公里远的位置上，其展开之后形成一个直径数十米的向日葵状遮挡器，类似恒星日冕仪，能够有效遮挡目标恒星的光芒。这种独立飞行的“星挡”在屏蔽恒星光芒方面要比传统的日冕仪更为有效。它不仅能够直接遮挡恒星的光芒，其特殊的外形还能有效防止光线的衍射效应。这一特性将有效减少可能进入望远镜视野的散射光线，从而更有效地观察恒星周围的暗弱星体。当然，“星挡”飞行器的成本相比一般的日冕仪也要高得多，而且要让“星挡”和空间望远镜镜头之间在如此遥远的距离上进行精确指向并保持同步也将面临巨大的技术挑战。
系外行星直接成像的希望
相比凌星观测，直接成像技术将能够获得质量好得多的光谱数据，甚至，直接成像技术还将有望让我们直接判断系外行星上有无生命迹象，而不是苦于从它们排出的“废气”中搜寻简介信号。如果存在有机体，不管它们是植物，藻类或是其他微生物，并且它们覆盖了一颗行星的大部分表面，那么它们的颜色将会在光谱信号中留下特殊印记。比如地球的光谱数据就很特别。在波长为720纳米处，地球光谱中出现了强烈改变，这就是所谓的“红边”（red edge）现象。这是地球上广泛分布的绿色植被在光谱中留下的印记。在这一波长以下，植物光合作用会产生强烈吸收，导致反照率很低，仅有百分之几；而在这一波长以上，反照率则一下子跳到50%以上，光谱亮度迅速上升，就像一座陡峭的悬崖。海德说：“一个外星观测者将能够很容易就判定，地球上存在大量生命体。”
当然，我们没有理由去认为外星上同样也生长着一样的绿色植物。因此海德和同事们目前正着手编制一个囊括各类微生物光谱特性的数据库。在数百种目前已经被研究组收录的微生物中，有许多都属于嗜极生物，这类生物在地球上属于边缘群体，但在其他星球上有可能属于主流形式。在被选入的很多微生物中，很多都从未被测定过反射光谱，因此这个康奈尔大学的研究组目前正在填补这些空白。不过，要想探测到系外行星地表的色素迹象在技术上将极具挑战性。但好在我们还能够依赖其他一些线索，比如大气成分产生的光谱吸收，这些信息都能够辅助我们，帮助我们判断这颗行星上的状况。
目前全世界所有的望远镜，以及未来十年内将要投入使用的望远镜中，没有任何一台是专门设计用于对系外行星直接成像的，因此致力于系外行星生命迹象搜寻的科学家们必须与其他天文分支领域的研究者们竞争宝贵的望远镜使用时间。科学家们想要的是一台专门设计用于对与地球相类似的系外行星进行成像的空间望远镜设备，这几乎是之前被美国宇航局废弃的类地行星搜寻者”（TPF）的翻版。
目前，美国宇航局正在评估一项名为“宜居系外行星成像任务”（HabEx）的项目，这或许将是一个科学家们想要的答案。这题设想中的空间望远镜口径达到6.5米，和詹姆斯·韦伯空间望远镜属于同一水平，但其敏感的波段范围会更宽，从紫外波段一直延伸到近红外波段，从而能够获取更宽波段范围内的生命迹象信息。这台望远镜将采取技术手段将干扰光线压缩到最低，安装日冕仪和星挡设备，从而实现对地球大小系外行星的直接成像。
这样一项任务如果实现，将达到今天的科学家们只能靠想象的那种极高细节分辨率，有效地实现对系外行星大气，地表色素信息，甚至拍摄类似凯恩团队所模拟的那种模糊的直接成像。但即便到了那时候，我们就能够有把握的回答那个古老的问题了吗——我们在宇宙中是否是孤独的？对此，凯恩表示：“在下定论之前，还有很多事情要做。但如果HabEx望远镜能够得到批准并顺利发射，那它将会大大有助于这个问题的回答。”