為了尋找外星生命，天文學家將需要在遙遠星球的大氣層中尋找線索–而美國宇航局（NASA）的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡剛剛證明了這樣做的可能性。生命所需的成分遍布整個宇宙。雖然地球是宇宙中唯一已知有生命的地方，但探測我們星球以外的生命是現代天文學和行星科學的一個主要目標。

亞利桑那大學天文學特聘教授Chris Impey和該校天文學和行星科學教授Daniel Apai是研究系外行星和天體生物學的兩位研究人員。在很大程度上要感謝像詹姆斯·韋伯這樣強大的下一代望遠鏡，像他們這樣的科學家將很快能夠測量圍繞其他恆星運行的行星的大氣層的化學構成。兩位研究人員希望能在這些系外行星中的一顆或多顆上檢測到生命的化學特徵。

可居住的系外行星

生命可能存在於我們太陽系中有液態水的地方–比如木星的衛星歐羅巴的海洋或火星的地下水層中。然而，在這些地方尋找生命是非常困難的，因為它們很難到達，探測生命需要發送一個探測器來收集和返回物理樣本。

許多天文學家認為，在圍繞其他恆星運行的行星上很有可能存在生命，而且這有可能是首次發現地外生命的地方。

根據理論計算，僅在銀河係就有大約3億顆潛在的宜居行星，在距離地球僅30光年的範圍內有幾顆宜居的地球大小的行星–基本上是人類的銀河系鄰居。迄今為止，天文學家已經發現了5000多顆系外行星，包括數百顆潛在的宜居行星，使用的是測量行星如何影響其附近恆星的間接方法。雖然這些測量可以給天文學家提供關於系外行星的質量和大小的基本信息，但它們並不能提供更多其他信息。

尋找生物特徵

為了探測一個遙遠星球上的生命，天體生物學家將檢查與一個星球的表面或大氣相互作用的星光。如果大氣層或表面被生命改造過，光線可能帶有線索，稱為”生物特徵”。

在其存在的前一半時間裡，地球擁有一個沒有氧氣的大氣層，儘管它擁有簡單的單細胞生命。在這個早期時代，地球的生物信號是非常微弱的。這種情況在24億年前發生了突變，當時一個新的藻類家族進化了。這些藻類使用一種產生自由氧的光合作用過程–沒有與任何其他元素化學結合的氧氣。從那時起，地球上充滿氧氣的大氣層就在穿過它的光線上留下了強烈的、容易檢測的生物特徵。

當光從一個材料的表面反彈或通過一個氣體時，某些波長的光比其他波長的光更有可能留在氣體或材料的表面上被捕獲。這種對光的波長的選擇性捕獲是物體呈現不同顏色的原因。葉子是綠色的，因為葉綠素特別擅長吸收紅色和藍色波長的光。當光線照射到葉子上時，紅色和藍色的波長被吸收，剩下的大部分綠光被反彈到你的眼睛裡。

缺少的光的模式是由光與之相互作用的材料的特定成分決定的。正因為如此，天文學家可以通過測量來自行星的光的具體顏色來了解系外行星的大氣層或表面的組成情況。

這種方法可以用來識別某些與生命有關的大氣氣體的存在–如氧氣或甲烷–因為這些氣體在光線中留下了非常具體的特徵。它也可以用來檢測一個星球表面的特殊顏色。例如，在地球上，植物和藻類用於光合作用的葉綠素和其他色素會捕捉特定波長的光。這些色素產生了特有的顏色，可以通過使用敏感的紅外相機來檢測。如果你看到這種顏色從一個遙遠的星球的表面反射出來，它將有可能標誌著葉綠素的存在。

太空和地球上的望遠鏡

為了探測來自潛在可居住的系外行星的光線的這些微妙變化，需要一個極其強大的望遠鏡。就目前而言，唯一能夠完成這一壯舉的望遠鏡是新的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡。由於它在2022年7月剛剛開始科學運作，韋伯對氣態巨型系外行星WASP-96b的光譜進行了讀取。儘管光譜顯示存在水和雲層，但像WASP-96b這樣大而熱的行星不太可能承載生命。

然而，這一早期數據表明，詹姆斯·韋伯望遠鏡能夠探測到來自系外行星的光線中微弱的化學特徵。在新的幾個月裡，韋伯將把它的鏡子轉向TRAPPIST-1e，這是一顆可能適合居住的地球大小的行星，距離地球僅有39光年。

韋伯可以通過研究行星在其宿主恆星面前經過時的生物特徵，並捕捉穿過行星大氣層的星光，來尋找生物特徵。但是韋伯並不是為了尋找生命而設計的，所以該望遠鏡只能仔細檢查最近的幾個潛在的宜居世界。它也只能檢測大氣層中二氧化碳、甲烷和水蒸氣水平的變化。雖然這些氣體的某些組合可能表明有生命存在，但韋伯無法探測到未結合的氧氣的存在，而這是生命的最強信號。

未來更強大的太空望遠鏡的領先概念包括計劃阻擋行星宿主星的亮光，以顯示從行星反射回來的星光。這個想法類似於用你的手擋住陽光，以便更好地看到遠處的東西。未來的太空望遠鏡可以使用小型的、內部的面具或大型的、外部的、類似雨傘的航天器來做這件事。一旦星光被阻擋，研究從一個星球上反彈的光線就變得更加容易。

目前還有三個巨大的地面望遠鏡正在建設中，它們將能夠搜索生物特徵：大麥哲倫望遠鏡、三十米望遠鏡和歐洲極大望遠鏡。每一個都比地球上現有的望遠鏡強大得多，這些望遠鏡也許能夠探測最近的世界的大氣層中的氧氣，儘管地球的大氣層扭曲了星光，這是一個障礙。

這到底是生物學還是地質學？

即使使用未來幾十年最強大的望遠鏡，天體生物學家也只能探測到那些已經被生命完全改變的世界所產生的強烈的生物特徵。

不幸的是，陸地生命釋放的大多數氣體也可以由非生物過程產生–奶牛和火山都釋放甲烷。光合作用會產生氧氣，但是陽光也會，當它把水分子分裂成氧氣和氫氣時。在尋找遙遠的生命時，天文學家很有可能會檢測到一些假陽性。為了幫助排除假陽性，天文學家將需要充分了解一個感興趣的行星，以了解其地質或大氣過程是否可以模仿生物特徵。

下一代的系外行星研究有可能通過證明生命存在所需的非凡證據的標準。詹姆斯·韋伯空望遠鏡發布的第一份數據讓研究人員感受到了即將到來的令人興奮的進展。