近年来，天文学家一直在思考如何在遥远的系外行星大气层中寻找生物标记，或者说生命的迹象。计划在2021年发射升空的詹姆斯韦伯太空望远镜能够探测到这些吗？一项新的技术给出了肯定的回答。
地球大气的约21%是由氧气组成的。在我们的星球上，氧气是由包括植物，藻类和细菌在内的有机体产生的。如果我们能够在一个系外行星的大气层中探测到氧气，这可能是那里有生物存在的一条线索。
NASA的詹姆斯韦伯太空望远镜现在计划于2021年发射，它是哈勃太空望远镜的继任者，也是一个全新的探索和研究系外行星（围绕其他恒星的行星）的强大工具，尤其是那些可能存在生命的行星。科研人员开发了一种新的技术，可以帮助科学家用韦伯望远镜探测一种可能的外星生命特征--存在于遥远行星大气层中的氧气，效率将远大于曾经的预期。
NASA戈达德太空飞行中心的研究人员宣布，韦伯望远镜将可以检测到氧气分子碰撞产生的独特信号。如果在系外行星大气层中找到了这种信号，这将是这颗行星表明存在氧气，或许还有生命的强力证据。
这项有前景的发现经同行评议后已于2020年1月6日发表在自然-天文杂志上。
我们在这里讲的是在系外行星大气层中生物标记的搜寻，这是一种说明生命存在的物理标志。以前人们认为，如果一个系外行星有和地球相似的氧气水平，这些氧气是无法通过韦伯望远镜检测到的。新研究的主要作者，戈达德太空飞行中心的 Thomas Fauchez解释道：
在我们的研究之前，大家认为与地球氧气水平相似的环境是无法用韦伯望远镜探测的，但我们指出了一个有前景的方法在附近的行星系统中探测它，虽然并未用来做系外行星研究。
科学家对7个绕着红矮星TRAPPIST-1运行，已知地球大小的地外行星中的3个进行了研究。红矮星是银河系中最常见的恒星，詹姆斯·韦伯太空望远镜能够探测到此类行星大气中的氧气，至少是相对较近的那些。TRAPPIST-1红矮星和其系外行星距我们约40光年。图片来自ESO / M。Kornmesser /Slate。
科学家们将用什么新方法且如何设计出来？
他们专注于做出围绕红矮星运转的地外行星大气的电脑模型-我们银河系中最常见的恒星-并模拟这些星球的氧气特征。因为红矮星通常是具有强烈辐射的活跃恒星，科学家们研究了红矮星的辐射将如何影响其行星大气。
他们后又模拟了从地球上看这些行星横穿或经过恒星时，恒星的光线颜色会如何变化。
像其他气体一样，氧气会吸收电磁波光谱的红外部分中特定颜色或波长的光，尤其是在这种6.4微米的情况中。当-受其红矮星太阳活动的刺激-遥远系外行星周围空气中的氧分子发生碰撞（彼此碰撞或与行星大气中的其他气体分子碰撞）时，这些氧分子获得了吸收红外线光的短暂能力。
韦伯望远镜上的仪器将能探测到这种吸收信号。
也有其他的氧气信号，但他们更难被监测到。该论文的合著者Geronimo Villanueva表示，类似的氧气信号存在于1.06和1.27微米且在先前的研究中已经讨论过。但与6.4微米的信号相比，它们的强度更低且因存在云，其减弱的程度更大。
图解 :概念上，对两个富氧的地外行星进行比较，左边的是含水的，右边则是不含水干燥的。图片来自Friedlander Griswold，戈达德宇宙飞行中心，美国宇航局。
如果韦伯望远镜最终发现氧气存在的证据，这是多么令人兴奋的发现。然而，值得牢记的是，由生命产生氧这是非必要证据，以探测到氧气。进而有其它方式可以累积行星的大气气体。例如，如果大气变得非常暖和，那么水汽便会饱和。随之之后，水汽将会遭到来自星系紫外辐射的分解，形成氢原子和氧。这样假阳性的错误观测，不会有任何生命的作用参与，但是詹姆斯.韦伯太空望远镜有利于对这些探测做出甄别，并从这些观测中鉴别哪些是建议生命确实参与氧的产生。
然而，即使出现这种情形（指假阳性错误检测）仍然是有趣的，因为这可能表明这个行星有着丰富的水历史。当然，对我们已知的生命来说，水是必须的。但是这样的检测也表明，这颗行星现在已经失去了大部分的水。过多的氧气也可能是一件坏事，正如另一个合著者 Ravi Kopparapu所说：“基于韦伯望远镜检测这个6.4微米信号的难易程度，我们可以了解到这个星球宜居的可能性。”如果韦伯望远镜指向一颗行星，并相对轻松地探测到这个6.4微米的信号，这意味着这颗行星的氧气层非常稠密，可能无法居住。
加州大学里弗赛德分校的天体生物学家Edward Schwieterman说：“由于氧气与生命的联系，氧气是最难探测的分子之一。但我们不知道生命是否是唯一导致大气中存在氧气的原因。这项技术将使我们能够在行星中找到氧气，无论这个行星是活的还是死的。”
Schwieterman补充到：“知道死行星是否以及有多少数量来产生大气氧气是很重要的，这样我们才能更好地识别一个行星何时存在或死亡。”
戈达德航天飞行中心的托马斯福彻斯，这项新研究的主要作者。
如果詹姆斯韦伯太空望远镜能在一颗并不热的行星的大气层中发现氧气，并且没有证据表明氧气是非生物（没有生命）产生的，就像一个与地球非常相似的行星。这样的发现非常有趣，并且能够强有力地初步证明这个星球是某种生物的家园。
那将令人非常兴奋。
对氧气的强烈探测也能被用来确定行星是否有大气层。这是因为围绕红矮星运行的行星可能会被恒星强烈活动所产生的辐射摧毁其大气层。根据福彻斯所说的：这一点很重要。因为M矮星是高度活跃的，而且有人假设恒星活动可能会“吹走”整个行星的大气。哪怕仅仅知道一颗围绕M矮星的行星是否有大气层，都对于理解这些丰富而活跃的恒星周围行星之间的相互作用非常重要。
这项新的探测技术最重要的一个方面是：它可以使韦伯望远镜在行星中发现氧气的速度大大快于之前的设想。当然，哪个行星离我们越近，观测它越容易。和所有的望远镜一样，韦伯望远镜也有自身的局限性。
图解：艺术家对詹姆斯·韦伯太空望远镜的看法，图像通过诺斯罗普·格鲁曼公司及美国国家航空局分享。
如果一颗围绕红矮星旋转的行星拥有与地球相似的大气层，那么韦伯望远镜想要探测到这颗行星的氧气将会需要在离星球表层16光年内测量。韦伯望远镜可以做到探测如此远的距离，但是，在干燥的，没有任何水分存留的星球大气中寻找氧气，探测压力将会是在地球上探测的22倍，并且比探测地球要多达82光年之远。
詹姆斯·韦伯望远镜在2021年发射后，有望于研究我们宇宙的每一个角落，包括遥远的系外行星，星系，宇宙大爆炸之后的第一缕光，还有我们自己的太阳的进化。在我们的太阳附近的系外行星上寻找生命将会成为最令人着迷的课题之一。研究韦伯望远镜的发现将会是非常有趣的事！
结语:美国宇航局的戈达德太空飞行中心开发了一项新技术可以帮助即将发射的詹姆斯·韦伯望远镜在系外行星大气中寻找氧气，这将比我们预想的更快速，也将加快我们找到外星生命的步伐。
参考资料
1.Wikipedia百科全书
2.天文学名词
3.earthsky-Paul Scott Anderson
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