詹姆斯-韋伯太空望遠鏡正在積極研究小型的、可能適合居住的系外行星，利用透射光譜分析它們的大氣成分。由於訊號尺寸微小，且需要長時間觀測，這一過程變得十分複雜，因此探測生命的生物特徵是一項艱鉅的任務。

系外行星在我們的銀河系中很常見，有些甚至在恆星的所謂宜居帶中運行。美國國家航空暨太空總署（NASA）的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）一直忙於觀測其中幾顆可能適合居住的小行星，天文學家現在正在努力分析韋伯的數據。

美國國家航空暨太空總署戈達德太空飛行中心的兩位韋伯計畫科學家克尼科爾-科隆（Knicole Colón）博士和克里斯托弗-斯塔克（Christopher Stark）博士在這裡為我們詳細介紹研究這些其他世界所面臨的挑戰：

定義潛在宜居行星

“潛在宜居行星通常被定義為大小與地球相近、運行在恆星’宜居帶’內的行星。我們目前知道大約有30顆行星可能是像地球一樣的小型岩石行星，它們的軌道位於宜居帶。而有人居住的行星只有一個–地球！

這張資訊圖比較了銀河系中三類恆星的特徵：類似太陽的恆星被歸類為G星；質量比太陽小、溫度比太陽低的恆星是K矮星；而更暗、溫度更低的恆星是偏紅色的M矮星。每一類恆星的宜居帶大小都不同。在太陽系中，宜居帶從金星軌道外開始，幾乎包括火星。資料來源：NASA、ESA 和Z. Levy（STScI）

觀測系外行星大氣層的挑戰

韋伯望遠鏡正在觀測的潛在宜居世界都是凌日系外行星，這意味著它們的軌道幾乎是邊緣朝上的，因此它們會從宿主恆星的前方穿過。當行星從恆星前方經過時，韋伯就會利用這個方位進行透射光譜分析。透過這個方位，我們可以檢查行星大氣過濾後的星光，從而了解它們的化學成分。

然而，小型岩質行星稀薄的大氣層阻擋的星光量非常小，通常遠小於0.02%。光是探測這些小星球周圍的大氣層就非常具有挑戰性。識別水蒸氣的存在則更加困難，而水蒸氣的存在可能會增加宜居的可能性。尋找生物特徵（生物產生的氣體）異常困難，但也是一項令人興奮的工作。

當系外行星直接從宿主恆星和觀測者之間穿過時，我們說這顆行星正在宿主恆星前凌日。這次凌日會使恆星的光線變暗一定程度，如果系外行星有大氣層的話，星光也會被大氣層過濾掉。動畫展示了一顆行星以及在凌日過程中光照度的相應變化。資料來源：美國太空總署噴射推進實驗室

目前只有少數幾個可能適合居住的小世界被認為可以透過韋伯天體進行大氣表徵，其中包括LHS 1140 b和TRAPPIST-1 e行星。

檢測生物特徵的技術挑戰

最近的一些理論工作探索了超地球大小的行星LHS 1140 b大氣層中氣態分子的可探測性，凸顯了在搜尋生物特徵方面的一些挑戰。這項工作指出，在大氣層清晰、無雲的最佳情況下，該行星需要繞其主恆星運行大約10-50 次，相當於韋伯望遠鏡40-200 小時的觀測時間，才能探測到潛在的生物特徵，如氨、磷化氫、氯甲烷和氧化亞氮。

類地行星大氣層的模擬透射光譜顯示了臭氧（O3）、水（H2O）、二氧化碳（CO2）和甲烷（CH4）等分子吸收的太陽光波長。 (請注意，在這張圖上，Y 軸顯示的是被類地行星大氣層遮擋的光量，而不是穿過大氣層的陽光亮度：亮度從下往上遞減）。來自Lisa Kaltenegger 和Zifan Lin 2021 ApJL 909 的模型透射光譜。資料來源：NASA、ESA、Leah Hustak（STScI）

系外行星觀測時間表的複雜性

如果行星的大氣層是多雲的，那麼尋找生物特徵可能需要比50 次凌日觀測更多的時間。眾所周知，大多數小型系外行星都有雲層或霧霾，這些雲層或霧霾會減弱或掩蓋正在搜尋的訊號。這些生物特徵氣體的大氣訊號也往往與其他預期的大氣訊號（如氣態甲烷或二氧化碳）重疊，因此區分各種訊號是另一項挑戰。

海洋行星：研究的新途徑

尋找生物特徵的一個潛在途徑是研究大洋行星，大洋行星是理論上的一類超地球大小的行星，具有相對稀薄的富氫大氣層和大量的液態水海洋。根據韋伯天文台和其他天文台目前提供的數據，超級地球K2-18 b是潛在宜居大洋行星的候選人。

最近發表的工作利用近紅外線探測器和近紅外線ISS探測到了K2-18 b大氣中的甲烷和二氧化碳，但沒有探測到水。這意味著K2-18 b是一個擁有液態水海洋的海洋世界的說法仍然是基於理論模型，還沒有直接的觀測證據。這項工作的作者也暗示，K2-18 b 的大氣中可能存在潛在的生物特徵二甲基硫醚，但潛在的二甲基硫醚訊號太弱，目前的數據還無法對其進行確鑿的探測。

藝術家構想的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡。圖片來源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

海洋類行星的概念和研究都是非常新的，因此對液態水海洋情景（從而對宜居環境的潛力）的其他解釋仍在探索之中。即將使用近紅外線天文望遠鏡和近紅外線成像儀進行的韋伯觀測，將進一步揭示潛在的大洋行星K2-18 b的性質，以及其大氣層中可能存在的二甲基硫化物。因此，我們也面臨一個新的挑戰，那就是確定韋伯探測到的水蒸氣是否真的來自行星的大氣層，而不是其恆星。

結論：系外行星研究的未來

探測繞冷恆星運行的小型、可能適合居住的凌日行星大氣中的生物特徵是一項極具挑戰性的工作，通常需要理想的條件（如無雲大氣）或假設早期地球環境（即與我們所知的現代地球不同），探測到的訊號明顯小於百萬分之200，恆星運作良好，星斑中沒有大量水蒸氣，以及大量的望遠鏡時間才能達到足夠的訊號雜訊比。

同樣重要的是要記住，以任何方式探測到單一生物特徵都不構成發現生命。要在系外行星上發現生命，可能需要一大批明確檢測到的生物特徵、來自多個飛行任務和觀測站的數據，以及廣泛的大氣建模工作，這個過程可能需要數年時間。

韋伯的強大之處在於，它能夠靈敏地探測到少數最有希望圍繞冷恆星運行的潛在宜居行星的大氣層，並開始確定其特徵。韋伯特別有能力探測一系列對生命非常重要的分子，如水蒸氣、甲烷和二氧化碳。我們的目標是盡可能多地了解可能適合居住的世界，即使我們無法透過韋伯望遠鏡明確確定適合居住的特徵。

韋伯觀測結果與美國宇航局即將發射的南希-格雷斯-羅曼太空望遠鏡的系外行星研究相結合，最終將為未來的宜居世界天文台奠定基礎，該天文台將是美國宇航局首個專門用於直接成像和搜尋類太陽恆星周圍類地行星上生命造成的化學痕蹟的任務”。

編譯來源：ScitechDaily