7.2

知識分子

The Intellectual

知識分子 X Physics World，帶你走進英國媒體視角下的科學議題。

導 讀

外星人從星際空間中監(jiān)視我們是科幻小說的一個經(jīng)典套路。但是，正如本期 Physics World 專欄文章所述，如果我們能搞清楚外星人用望遠鏡觀察我們時會看到什么，這將有助于我們在遙遠的類地行星上尋找生命。

撰文 James Romero

翻譯 趙金瑜

審校 馬超

責編 陳曉雪

“在19世紀末期，沒有人相信這個世界正在被比人類更高級的智慧生命仔細而密切地觀察著”。

赫伯特·喬治·威爾斯于1897年所著的經(jīng)典小說《世界大戰(zhàn)》就是這樣開始的。在這部小說中，可怕的火星人入侵了我們的星球。雖然這些生物在接觸到他們無法防御的病原體后死亡，但外星人對地球虎視眈眈的觀念在科幻小說中非常常見。例如，在《童年的終結(jié)》一書中，亞瑟·克拉克所描述的外星人，在入侵并成為我們的領(lǐng)主之前，已經(jīng)從星際空間秘密觀察了地球數(shù)百萬年的演變。

現(xiàn)實中，則是我們?nèi)祟愐恢痹趯ふ疫b遠的世界。在過去的幾十年里，天文學家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了近5000顆繞著其他恒星運行的行星。隨著星際探索技術(shù)的不斷發(fā)展，我們不僅僅滿足于發(fā)現(xiàn)和編目這些系外行星，我們還想了解它們的物理特征。輔以藝術(shù)家對火山景觀或在波光粼粼的海洋上肆虐的風暴的描繪，這類作品讓我們對遙遠行星的感覺更加真實。

然而，盡管我們對新的太空任務(wù)進行了大量的投資——特別是詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）——但在可預見的未來，針對可宜居類地行星的調(diào)查不太可能分辨出比光點更詳盡的細節(jié)。位于加州帕薩迪納的美國宇航局（NASA）噴氣推進實驗室的大氣科學家蔣紅濤表示：“在我看來，未來的50年甚至是100年里，沒有人能夠建造一個強大到足以解析系外行星地表特征的望遠鏡”。蔣紅濤的科學研究聚焦于將地球作為實驗室模型來模擬系外行星。

但是，我們?nèi)绾尾拍軓挠^測圖像上為數(shù)不多的像素中識別出宜居的世界——甚至是生命本身的跡象呢？一種越來越受歡迎的方法是，讓我們自己成為星際窺探者，然后確定地球在外星天文學家眼中會是什么樣子。通過預測我們的星球在星際空間中的外觀，我們可以找出和宜居相關(guān)的、生物甚至高科技的蛛絲馬跡。有了這些信息，我們就可以扭轉(zhuǎn)局面，在星際間尋找外星生命。

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觀察外星世界的新手段

在這一探索中，有兩項技術(shù)將特別富有成效。一種是透射光譜學，可被用來觀察穿過一顆系外行星大氣層的星光光譜。特定波長的光將被大氣中的氣體分子吸收，從而在光譜中留下特征吸收譜線。這些吸收譜線形可以被當作一種化學指紋，用來尋找氧氣或臭氧等 “生物特征信號”。甚至可以用透射光譜來尋找 “技術(shù)特征信號”，如氯氟烴和二氧化氮，這些氣體是先進文明創(chuàng)造工業(yè)污染物的證據(jù)。

不幸的是，天文學家目前還無法觀測到類日恒星周圍的類地系外行星的透射光譜，因為它們的大氣層非常稀薄。不過JWST和歐洲航天局的PLATO任務(wù)（將于2026年發(fā)射）應(yīng)該能夠邁出第一步。這兩項任務(wù)的目標之一都是觀測體積較小的 “M型紅矮星”，這是我們銀河系中最常見的一類恒星。這些紅色的氣體球被許多可能孕育生命的系外行星所環(huán)繞——其中最著名的例子是包含七顆行星的TRAPPIST-1系統(tǒng)，其中的四顆被認為位于該恒星的宜居帶。

研究系外行星的另一項有前途的技術(shù)，是通過捕捉從行星表面反射的光子來直接對其成像。JWST可以做到這一點，NASA即將推出的南希-格雷斯-羅曼太空望遠鏡（以前簡稱為WFIRST）也可以做到這一點，該望遠鏡將于2020年代中期發(fā)射（譯者注：官方聲稱會在2027年5月之前發(fā)射）。NASA的另外兩項正在醞釀中的任務(wù)也將直接捕捉反射光：大型紫外光學紅外測量儀（LUVOIR）和宜居系外行星成像任務(wù)（HabEx）。這些規(guī)模宏大的望遠鏡及其直接成像的潛力令人興奮。但是整個海洋、大陸、大氣甚至生物特征仍將被凝縮為幾個模糊的像素。

透射光譜方法也有其局限性。美國馬里蘭州約翰霍普金斯大學的天文學家勞拉·馬約爾加表示：“經(jīng)過（系外行星）大氣層過濾后的光線，是幾乎每個高度上發(fā)生的事件的組合”。因此，在最有可能存在生命的系外行星表面梳理大氣條件將是一件很棘手的事情。

系外行星上的云層將讓透射光譜的分析變得更加困難。由于云層不透明，它們會阻止光線穿透行星的大氣層，從而限制了可提取的成分信息的數(shù)量。另外，當天文學家使用透射光譜數(shù)據(jù)來模擬系外行星的大氣層時，他們會受到另一事實的束縛：落在行星上的陽光量會變化，而這取決于恒星黑子和耀斑的數(shù)量。這種通常不可預測的電磁輻射水平可能會掩蓋一些有趣的信號，或者對潛在的生物學特征信號產(chǎn)生誤報。

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你在觀察誰？

盡管存在這些挑戰(zhàn)，蔣紅濤和馬約爾加都相信，從這些被反射的光線和被過濾的光子中可以找到潛在的可宜居世界的證據(jù)——甚至是已有生命存在的世界的跡象。但是為了確保他們的系外行星生物特征技術(shù)的確有效，他們首先要在地球上進行測試，因為地球是我們所知的唯一的確實包含生命的世界。然而，我們不能直接地前往數(shù)萬億公里外的另一個恒星系統(tǒng)，并且從那里觀察我們的母星。

幸運的是，在2015年，蔣紅濤有了一個想法。NASA的深空氣候觀測站（DSCOVR）剛剛抵達距離地球150萬公里的L1拉格朗日點。DSCOVR旨在監(jiān)測太空天氣，它一直面向地球的白晝面，并拍攝出了精美的高質(zhì)量照片（圖1）。蔣考慮到，為什么不利用這些圖像來研究我們的地球在外星人眼中的樣子？

圖1 我們眼中的地球和外星人眼中的地球。

清晰的地球圖像并不像你想象的那樣常見。事實上，自2015年開始，在NASA發(fā)射深空氣候觀測站（DSCOVR）之后，我們才能夠在一個畫面中看到整個地球。這艘飛船在旋轉(zhuǎn)過程中一直將地球保持在其視野中，從而觀察大氣中的臭氧、植被、云層高度和氣溶膠。圖a拍攝于2015年8月，這張圖片是DSCOVR能夠看到的典型圖像。圖b與a是同一張圖片，但被加州大學河濱分校的斯蒂芬·凱恩及其同事縮小到只有25個像素大小，表示外星人觀測員眼中的地球（arXiv:1511.03779）。后來，來自帕薩迪納NASA噴氣推進實驗室的蔣紅濤受到DSCOVR數(shù)據(jù)的啟發(fā)，想到可以從這些模糊的像素中梳理出行星的表面細節(jié)。（圖源：S R Kane/arXiv:1511.03779）

他和加州理工學院的同事們首先對整整兩年的DSCOVR數(shù)據(jù)進行平均，創(chuàng)建出一個亮點的時間序列。隨后，蔣的團隊對數(shù)據(jù)進行了處理，改變了海洋、陸地和云層的比例，從而創(chuàng)建出成千上萬個仿真的“外星地球”。接著，他們將每個假星球的信息平均到一個像素中，并將數(shù)據(jù)輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。他們推斷，該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠根據(jù)這些信息進行自我訓練，這樣，在輸入地球的真實單一像素時，它可以對這些信息進行“逆向工程”并計算出地球的真實形貌。

這個想法奏效了，蔣紅濤的團隊成功地利用他們訓練過的算法，找出了地球上一天24小時的重復特征，以及云層、大陸和海洋的特定模式（圖2）。之后，蔣紅濤轉(zhuǎn)向了一個更抽象的生物特征—— “行星復雜性”。正如加州理工學院的天體生物學家斯圖爾特·巴特利特所建議的，可宜居行星上的生物、地質(zhì)和氣象之間存在復雜的相互作用，應(yīng)該使它們看起來比那些非宜居世界更加復雜。巴特利特認為，無論一個行星與地球有多相似，復雜性可能才是存在生命的普遍特征。

圖2 這就是我們看起來的樣子

天文學家們不僅熱衷于觀察系外行星，也想要了解那些遙遠的世界是否具有變化著的地質(zhì)特征或氣候系統(tǒng)，因為這可能是生命存在的跡象。然而，提取此類信息非常困難，因為我們對這些系外行星的成像效果非常差，通常僅僅是一個光點。為了幫助解決這個問題，加州理工學院的蔣紅濤和他的同事們將NASA深空氣候觀測站在兩年內(nèi)拍攝的大約10000張圖像歸納為一個單點圖像，顯示出地球在外星天文學家眼中可能是什么樣子。接著，他們進行逆向研究，看看是否能夠重建地球上的真實特征。這張圖片顯示了首批二維表面地圖之一，揭示了帶海岸線的地球大陸（中間是非洲）以及海洋的熟悉形狀。不同顏色表示表面反射率的區(qū)別。（圖源：Fan et al. 2019 ApJL 882 L1）

為了弄清這種復雜性是否真的可以在星際空間觀察到，蔣紅濤和巴特利特使用了一種被稱為 “Epsilon機器重建” 的統(tǒng)計技術(shù)——這是一種旨在計算復雜性的算法。這種方法讓研究人員不僅可以根據(jù)DSCOVR數(shù)據(jù)計算仿真的 “外地球” 的統(tǒng)計復雜性，還可以計算來自NASA卡西尼任務(wù)數(shù)據(jù)中仿真的 “外木星” 的統(tǒng)計復雜性。他們能夠證明，統(tǒng)計復雜性確實是一個衡量行星特征復雜性的有效方法。作為一個沒有生命但有劇烈風暴和650公里/小時風速的動態(tài)世界，外木星的案例將對巴特利特支持復雜性作為星際生物特征的觀點提出嚴峻的考驗（Astron. J. 163 27）。但他的想法似乎已經(jīng)通過了考驗：蔣紅濤的外地球比他的外木星 “更復雜” 50%。

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用月球來彌補

蔣紅濤的工作提出了一種在恒星中尋找生命的方法，同時還不必猜測其化學成分或假設(shè)外星人一定與我們相似。唯一的問題是，這項技術(shù)是基于DSCOVR的數(shù)據(jù)，其軌道位于地球和太陽之間。因此，這艘飛船永遠不會看到我們的地球在太陽面前經(jīng)過，這意味著它無法幫助我們進行透射光譜研究。

值得慶幸的是，我們可以依靠我們的老朋友——月球，它在月食期間正好穿過地球的陰影。當這種情況發(fā)生時，月亮并沒有完全從視野中消失，而是將穿過地球大氣層抵達月球的太陽光反射回地球?！把隆?看起來非常的紅，到達我們眼里的光就是我們星球自己的透射光譜。

地基望遠鏡已經(jīng)記錄到了月食期間地球在光學和近紅外波長的透射光譜。但在2019年，由科羅拉多大學的艾里森·揚布拉德領(lǐng)導的團隊，從哈勃太空望遠鏡拍攝的月食數(shù)據(jù)中提取出了地球在紫外頻率下的透射光譜。收集這種類型的光線可以幫助識別可宜居的系外行星，因為它包含來自臭氧（O3）的信號，而臭氧是氧氣（O2）化學反應(yīng)的副產(chǎn)品。揚布拉德成功地從地球的透射光譜中找出了臭氧的特征，為在系外行星上發(fā)現(xiàn)它鋪平了道路（Astron. J. 160 100）。

最近，馬約爾加提議發(fā)射一顆衛(wèi)星，捕捉地球在太陽前方經(jīng)過時的情況，這證明了我們對系外類地行星新視圖的日益增長的興趣。這顆衛(wèi)星被稱為 “地球過境探測器”，軌道將位于JWST附近，幫助天文學家確定透射光譜在系外行星大氣層中的探測深度（Planet. Sci. J. 2 140）。該飛行器還可以確定，生物特征是否會在遙遠行星較易取樣的高層大氣中留下痕跡。它甚至可以確定生物特征信號的強度是如何受到太陽風猛烈噴發(fā)或地球云層條件變化的影響。馬約爾加指出：“這項任務(wù)將幫助我們?yōu)椋ㄎ磥硐低庑行琼椖浚┧璧膬x器設(shè)置提供指導方針”。

另一位熱衷于收集關(guān)于地球新視角的天文學家是來自馬里蘭州NASA戈達德太空飛行中心的帕特里夏·博伊德，她已經(jīng)制定了在月球表面安裝寬視場光學相機的計劃。該儀器被稱為EarthShine，它將測量來自地球的光線并將其平均為一個點，以便將該信號與來自地球軌道衛(wèi)星的實時數(shù)據(jù)進行比較。

月球上放置相機的最大優(yōu)勢是，它將看到地球所有不同的階段——從薄薄的新月形到完整的圓盤——而DSCOVR只能看整個完全被照亮的行星。因此，它的數(shù)據(jù)可以幫助天文學家將系外行星上類似的周期性變化與自然生物變化區(qū)分開來，類似于秋天的樹木變色或藻類的積累或 “爆發(fā)”。

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偏振：觀察系外行星的新角度

除了直接成像和光譜學，還有第三種分析系外行星光線的方法，即研究它的偏振。當光從一個表面上反射時，偏振會發(fā)生變化。較光滑的表面（如平靜的水面）通常在一個狹窄的偏振范圍內(nèi)反射光波，而從較粗糙的表面（如巖石或植被）反射的光則以各種不同的角度出射。智利歐洲南方天文臺的邁克爾·斯特齊克領(lǐng)導的小組是最早用偏振光研究行星圖像的團隊之一，他們研究了先從地球上反射出再從月球上反射回來的光線（Nature 483 64）。

這項工作隨后啟發(fā)了荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員，他們模擬了光如何從巖質(zhì)系外行星上反射。代爾夫特理工大學的天體物理學家多拉·克林德茲克認為，冰、液態(tài)水、雪、云甚至整個大陸都可能在偏振光上留下可探測的印記。事實上，克林德茲克正規(guī)劃在月球上放置一種儀器。這個信用卡大小的設(shè)備被稱為LOUPE，它將為未來的系外行星望遠鏡（如LUVOIR）上的偏振測量儀器提供地球的基準信號。LOUPE甚至可以安裝在軌道飛行器、著陸器或漫游車上，以便在自轉(zhuǎn)、天氣模式演變和季節(jié)變化時持續(xù)收集地球反射的光線。

揚布拉德當然是這個項目的粉絲。她表示：“現(xiàn)在進行像LOUPE這樣的實驗很重要，因為直接給系外行星成像的望遠鏡還在設(shè)計之中”。盡管LOUPE只能捕捉線性偏振光，但荷蘭萊頓大學的一個研究團隊也盯著來自系外行星的圓偏振光。通過這些數(shù)據(jù)我們可以獲得更直接的外星生命的特征，因為植物中存在螺旋形的綠色色素（葉綠體），它能反射出圓偏振的光。

萊頓大學的博士生威勒克·穆德正在幫助開發(fā)這項任務(wù)的儀器，她坦言：“主要的困難是如何從很遠的地方測量這些微弱的信號”。由于存在那些顧慮，她的團隊先在瑞士阿爾卑斯山上空試飛了一個包含移動偏振計的原型儀器，以檢驗這個概念是否可行。在測試過程中，該設(shè)備成功地區(qū)分了草地、森林和城市地區(qū)，甚至還探測到了光合作用的湖泊生物（Astron. Astrophys. 651 A68）。接下來，穆德希望將這項技術(shù)帶到國際空間站。

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一個腦洞大開的計劃

在尋找外星生命的過程中，有一個更瘋狂的想法，那就是將飛船送入太陽系的遠方，這個距離比冥王星到太陽的距離還要遠10倍。正如愛因斯坦在1936年首次計算的那樣，遠處的光線在經(jīng)過太陽邊緣時會被它的引力場彎曲，最終匯聚到距離太陽約8億公里的焦點處。2017年，加州理工學院噴氣推進實驗室的三名研究人員（斯拉瓦·圖里舍夫，邁克爾·邵和路易斯·弗里德曼）意識到，如果能把成像儀器放在這個焦點處，這將會成為監(jiān)測來自系外行星的遙遠光線的理想場所（圖3）。

圖3 邁向太陽引力透鏡

圖a：一個詳細研究系外行星的雄心勃勃的計劃是，將成像器放在距離太陽系很遙遠的地方，比冥王星到太陽的距離遠10倍。經(jīng)過太陽邊緣的星光會被它的引力場彎曲，匯聚到離太陽約800億公里的地方。噴氣推進實驗室的斯拉瓦·圖里舍夫、邁克爾·邵和路易斯·弗里德曼認為，任何有關(guān)圍繞母星運行的行星的詳細信息，都可以從落在成像儀上的遙遠的星光中獲取到。圖b：該項目被稱為太陽引力透鏡（SGL），將是一項巨大的工程挑戰(zhàn)，不太可能在短期內(nèi)建成。不過這并沒有阻止圖里舍夫及其同事模擬圍繞半人馬座（離我們太陽最近的恒星）的類地行星在SGL中的樣子。圖c：接著他們對模擬結(jié)果進行反卷積，從而獲得了遙遠星球的準確圖片 | 圖源：V Toth and S Turyshev 2021 Phys. Rev. D 103 124038）

他們的項目被稱為太陽引力透鏡（SGL），這將是一個巨大的工程挑戰(zhàn)。然而這個設(shè)施一旦建成，其結(jié)果將是驚人的。在這個位置上面向太陽放置一個直徑為1米的望遠鏡，其分辨率將與太陽系其他地方的一個寬為9萬公里的鏡子相當。屆時對于系外行星，SGL所能記錄的將不再是單一像素的光點，而是幾十公里寬的地表特征，并能以相同的比例繪制大氣層的構(gòu)成。風暴、山脈和其他特征將變得清晰可見。

圖里舍夫指出：“如果有一些不規(guī)則的結(jié)構(gòu)，例如中國的長城，我們就會看到它”。他領(lǐng)導著一個由NASA資助的加州理工學院團隊，正在計算SGL的光學特性和任務(wù)要求（Phys. Rev. D 96 024008）。為了給該項目爭取支持，圖里舍夫已經(jīng)模擬了用SGL觀察遙遠的系外行星版本的地球時會呈現(xiàn)的景象。這些圖像肯定會揭示出一個生物世界，甚至可能是一個高級文明的家園。

58歲的圖里舍夫知道SGL不會在短期內(nèi)建成。他開玩笑說：“在我100歲的時候，我應(yīng)該能夠看到系外行星的照片”。但也許，通過利用太陽來聚焦光線的望遠鏡，以及從閃爍的系外行星光子中探測生命的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們有朝一日會成為多年前赫伯特·喬治·威爾斯首次描述的星際觀察者。

“

作者簡介

James Romero是一位自由撰稿的科學作家，他尤其對行星科學感興趣。

”

本文為 Physics World 專欄的第55篇文章。

版權(quán)聲明 原文標題為 “Seeing the Earth through alien eyes: an extraterrestrial view of our planet ”，首發(fā)于2022年5月出版的Physics World，英國物理學會出版社授權(quán)《知識分子》翻譯。未經(jīng)授權(quán)的翻譯是侵權(quán)行為，版權(quán)方將保留追究法律責任的權(quán)利。登陸Physics World，關(guān)注日常全球科學新聞、熱點報道和評論。Physics World幫助學界與產(chǎn)業(yè)界的研究人員走在世界重大科研突破與跨學科研究的前沿。

原文鏈接：

Seeing the Earth through alien eyes: an extraterrestrial view of our planet

翻譯對照表：

（上下滑動可瀏覽）

James Romero 詹姆斯·羅梅羅

H G Wells 赫伯特·喬治·威爾斯

The War of the Worlds 《世界大戰(zhàn)》

Childhood’s End 《童年的終結(jié)》

Arthur C Clarke 亞瑟·克拉克

James Webb Space Telescope 詹姆斯-韋伯太空望遠鏡

Jonathan Jiang 蔣紅濤

transmission spectroscopy 透射光譜學

M-dwarf M型紅矮星

Nancy Grace Roman Space Telescope 南希-格雷斯-羅曼太空望遠鏡

Laura Mayorga 勞拉·馬約爾加

Deep Space Climate Observatory 深空氣候觀測站

Stephen Kane 斯蒂芬·凱恩

Stuart Bartlett 斯圖爾特·巴特利特

Allison Youngblood 艾里森·揚布拉德

Patricia Boyd 帕特里夏·博伊德

Michael Sterzik 邁克爾·斯特齊克

Dora Klindzic 多拉·克林德茲克

Willeke Mulder 威勒克·穆德

Slava Turyshev 斯拉瓦·圖里舍夫

Michael Shao 邁克爾·邵

Louis Friedman 路易斯·弗里德曼

制版編輯 | 姜絲鴨