近年來，天文學家一直在思考如何在遙遠的系外行星大氣層中尋找生物標記，或者說生命的跡象。計劃在2021年發射升空的詹姆斯韋伯太空望遠鏡能夠探測到這些嗎？一項新的技術給出了肯定的回答。
地球大氣的約21%是由氧氣組成的。在我們的星球上，氧氣是由包括植物，藻類和細菌在內的有機體產生的。如果我們能夠在一個系外行星的大氣層中探測到氧氣，這可能是那裡有生物存在的一條線索。
NASA的詹姆斯韋伯太空望遠鏡現在計劃於2021年發射，它是哈勃太空望遠鏡的繼任者，也是一個全新的探索和研究系外行星（圍繞其他恆星的行星）的強大工具，尤其是那些可能存在生命的行星。科研人員開發了一種新的技術，可以幫助科學家用韋伯望遠鏡探測一種可能的外星生命特徵--存在於遙遠行星大氣層中的氧氣，效率將遠大於曾經的預期。
NASA戈達德太空飛行中心的研究人員宣布，韋伯望遠鏡將可以檢測到氧氣分子碰撞產生的獨特信號。如果在系外行星大氣層中找到了這種信號，這將是這顆行星表明存在氧氣，或許還有生命的強力證據。
這項有前景的發現經同行評議後已於2020年1月6日發表在自然-天文雜誌上。
我們在這裡講的是在系外行星大氣層中生物標記的搜尋，這是一種說明生命存在的物理標誌。以前人們認為，如果一個系外行星有和地球相似的氧氣水平，這些氧氣是無法通過韋伯望遠鏡檢測到的。新研究的主要作者，戈達德太空飛行中心的 Thomas Fauchez解釋道：
在我們的研究之前，大家認為與地球氧氣水平相似的環境是無法用韋伯望遠鏡探測的，但我們指出了一個有前景的方法在附近的行星系統中探測它，雖然並未用來做系外行星研究。
科學家對7個繞著紅矮星TRAPPIST-1運行，已知地球大小的地外行星中的3個進行了研究。紅矮星是銀河系中最常見的恆星，詹姆斯·韋伯太空望遠鏡能夠探測到此類行星大氣中的氧氣，至少是相對較近的那些。TRAPPIST-1紅矮星和其系外行星距我們約40光年。圖片來自ESO / M。Kornmesser /Slate。
科學家們將用什麼新方法且如何設計出來？
他們專注於做出圍繞紅矮星運轉的地外行星大氣的電腦模型-我們銀河系中最常見的恆星-並模擬這些星球的氧氣特徵。因為紅矮星通常是具有強烈輻射的活躍恆星，科學家們研究了紅矮星的輻射將如何影響其行星大氣。
他們後又模擬了從地球上看這些行星橫穿或經過恆星時，恆星的光線顏色會如何變化。
像其他氣體一樣，氧氣會吸收電磁波光譜的紅外部分中特定顏色或波長的光，尤其是在這種6.4微米的情況中。當-受其紅矮星太陽活動的刺激-遙遠系外行星周圍空氣中的氧分子發生碰撞（彼此碰撞或與行星大氣中的其他氣體分子碰撞）時，這些氧分子獲得了吸收紅外線光的短暫能力。
韋伯望遠鏡上的儀器將能探測到這種吸收信號。
也有其他的氧氣信號，但他們更難被監測到。該論文的合著者Geronimo Villanueva表示，類似的氧氣信號存在於1.06和1.27微米且在先前的研究中已經討論過。但與6.4微米的信號相比，它們的強度更低且因存在雲，其減弱的程度更大。
圖解 :概念上，對兩個富氧的地外行星進行比較，左邊的是含水的，右邊則是不含水乾燥的。圖片來自Friedlander Griswold，戈達德宇宙飛行中心，美國宇航局。
如果韋伯望遠鏡最終發現氧氣存在的證據，這是多麼令人興奮的發現。然而，值得牢記的是，由生命產生氧這是非必要證據，以探測到氧氣。進而有其它方式可以累積行星的大氣氣體。例如，如果大氣變得非常暖和，那麼水汽便會飽和。隨之之後，水汽將會遭到來自星系紫外輻射的分解，形成氫原子和氧。這樣假陽性的錯誤觀測，不會有任何生命的作用參與，但是詹姆斯.韋伯太空望遠鏡有利於對這些探測做出甄別，並從這些觀測中鑑別哪些是建議生命確實參與氧的產生。
然而，即使出現這種情形（指假陽性錯誤檢測）仍然是有趣的，因為這可能表明這個行星有著豐富的水歷史。當然，對我們已知的生命來說，水是必須的。但是這樣的檢測也表明，這顆行星現在已經失去了大部分的水。過多的氧氣也可能是一件壞事，正如另一個合著者 Ravi Kopparapu所說：「基於韋伯望遠鏡檢測這個6.4微米信號的難易程度，我們可以了解到這個星球宜居的可能性。」如果韋伯望遠鏡指向一顆行星，並相對輕鬆地探測到這個6.4微米的信號，這意味著這顆行星的氧氣層非常稠密，可能無法居住。
加州大學裡弗賽德分校的天體生物學家Edward Schwieterman說：「由於氧氣與生命的聯繫，氧氣是最難探測的分子之一。但我們不知道生命是否是唯一導致大氣中存在氧氣的原因。這項技術將使我們能夠在行星中找到氧氣，無論這個行星是活的還是死的。」
Schwieterman補充到：「知道死行星是否以及有多少數量來產生大氣氧氣是很重要的，這樣我們才能更好地識別一個行星何時存在或死亡。」
戈達德航天飛行中心的托馬斯福徹斯，這項新研究的主要作者。
如果詹姆斯韋伯太空望遠鏡能在一顆並不熱的行星的大氣層中發現氧氣，並且沒有證據表明氧氣是非生物（沒有生命）產生的，就像一個與地球非常相似的行星。這樣的發現非常有趣，並且能夠強有力地初步證明這個星球是某種生物的家園。
那將令人非常興奮。
對氧氣的強烈探測也能被用來確定行星是否有大氣層。這是因為圍繞紅矮星運行的行星可能會被恆星強烈活動所產生的輻射摧毀其大氣層。根據福徹斯所說的：這一點很重要。因為M矮星是高度活躍的，而且有人假設恆星活動可能會「吹走」整個行星的大氣。哪怕僅僅知道一顆圍繞M矮星的行星是否有大氣層，都對於理解這些豐富而活躍的恆星周圍行星之間的相互作用非常重要。
這項新的探測技術最重要的一個方面是：它可以使韋伯望遠鏡在行星中發現氧氣的速度大大快於之前的設想。當然，哪個行星離我們越近，觀測它越容易。和所有的望遠鏡一樣，韋伯望遠鏡也有自身的局限性。
圖解：藝術家對詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的看法，圖像通過諾斯羅普·格魯曼公司及美國國家航空局分享。
如果一顆圍繞紅矮星旋轉的行星擁有與地球相似的大氣層，那麼韋伯望遠鏡想要探測到這顆行星的氧氣將會需要在離星球表層16光年內測量。韋伯望遠鏡可以做到探測如此遠的距離，但是，在乾燥的，沒有任何水分存留的星球大氣中尋找氧氣，探測壓力將會是在地球上探測的22倍，並且比探測地球要多達82光年之遠。
詹姆斯·韋伯望遠鏡在2021年發射後，有望於研究我們宇宙的每一個角落，包括遙遠的系外行星，星系，宇宙大爆炸之後的第一縷光，還有我們自己的太陽的進化。在我們的太陽附近的系外行星上尋找生命將會成為最令人著迷的課題之一。研究韋伯望遠鏡的發現將會是非常有趣的事！
結語:美國宇航局的戈達德太空飛行中心開發了一項新技術可以幫助即將發射的詹姆斯·韋伯望遠鏡在系外行星大氣中尋找氧氣，這將比我們預想的更快速，也將加快我們找到外星生命的步伐。
參考資料
1.Wikipedia百科全書
2.天文學名詞
3.earthsky-Paul Scott Anderson
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