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当詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的第一批观测数据于2022年7月公布时，全世界都为它拍摄的高清晰星云图和星系图所震惊。然而，对许多天文学家来说，同时公布的一张图表，同样也让他们兴奋不已。这张图表显示的是JWST对系外行星WASP 96b大气层的观测结果。它以前所未有的精确细节，捕捉到该行星大气中存在水分子的确凿证据。天文学家意识到，这给寻找外星生命提供了广阔的前景。
人类探测系外行星大气的简史
系外行星的大气中包含了很多信息。我们可以用光谱学分析来研究它们，这种技术利用的是这样一个事实：当母恒星的光穿越行星大气时，一些特定波长的光会被不同的原子、分子吸收，从而在光谱上留下自己的“印记”，泄露它们的踪迹。
探测外星大气的第一次成功是在2002年，当时天文学家使用哈勃太空望远镜观察了一颗名为HD 209458b的气态巨行星。结果发现，当它运行到母恒星的前方时，哈勃望远镜检测到光谱中钠元素的标志谱线轻微变暗，当这颗行星绕开后，这个影响就消失了。这意味着HD 209458b大气中含有钠元素。
从那时起，天文学家开始分析系外行星的大气层。多年来，他们在一类叫“热木星”的系外行星大气中发现了一些元素和分子。热木星是一类体积庞大，又靠近母恒星的气态巨行星，因为体积大，所以它们遮挡母恒星的光更多，更易被发现;又因为它们靠近母恒星，公转周期短，所以便于我们短时间内多次观测。
到了2017年，一个英国天文学家小组利用哈勃和斯皮策两架太空望远镜研究了WASP-121B。这是一颗距离地球850光年、比木星大约1.81倍的热木星。他们首次在它的大气中观测到了水分子。他们在对其进行了一个完整周期(大约31个小时)的观测之后，还发现了一些不寻常的东西：这颗行星面向恒星的一面温度是如此高，以至于水分子被分解，产生了氢气、氧气和羟基。这些分子又被行星上的风吹到背对恒星的一面，在那里重新结合成水。这是关于系外行星天气的第一份资料。
詹姆斯·韦伯太空望远镜的优势
然而，直到最近，我们对系外行星大气的了解仍然只是“冰山的一角”。
在JWST的帮助下，我们正在深入“冰山”的“水下部分”。这是因为JWST主要在三个方面超过了它的前辈们。首先，它在太空中能更精确地对准目标。其次，JWST有一个直径为6.5米的镜子，面积是哈勃的7倍，是斯皮策的7.5倍，这使得JWST能够收集到更多的光线。不过，最大的优势是它可以在整个红外光谱区工作，而大多数分子(包括水分子)吸收的正是红外光。
所有这些意味着，JWST不仅可用于研究热木星的大气，还让天文学家第一次有机会研究岩石质系外行星的大气层，而后者通常被认为是外星生命最可能出现的地方。
我们需要找的是具有大气层的较小岩石质行星，像地球一样，碰巧处于一颗恒星的宜居带上，允许液态水在行星表面存在。但较小的行星，由于引力较小，只能保留相对薄的大气层(例如，地球大气层的厚度占其半径不到1%)，因此，如果我们想用JWST探测它们的大气层，这些行星必须距离我们比较近。
仅仅这些标准(岩石质、处于宜居带、离我们近)就极大地缩小了可供选择的系外行星数量，目前有希望的不到10个。
宜居带上的行星未必都有大气层
即便只有这么几个，也有复杂的情况。这些系外行星都处于红矮星的宜居带上。红矮星比太阳冷，它们的宜居带比太阳的宜居带要近得多，这可能使行星难以保留大气层。
为什么呢?因为尽管红矮星要比太阳这样的正常恒星冷，但在它形成过程中，情况恰好相反。我们知道，恒星是星云在自身引力的作用下收缩形成的。在这个过程中，它释放出一股高能量的辐射。较小的恒星引力也较弱，因此需要更长的时间来收缩，这意味着它们释放辐射的时间要比较大的恒星长。这可能会轰毁附近正在形成的行星的大气层。
一个典型的例子是红矮星TRAPPIST-1，距离地球约40光年，有7颗已知的岩石质行星。这颗恒星的表面温度还不到太阳的一半，这意味着它的宜居区离它非常近。因此，尽管TRAPPIST-1有3或4颗行星位于其宜居带上，但并不能保证它们有大气层。它们有可能都是裸露的岩石质行星。
考虑到这些情况，天文学家将使用JWST来观察TRAPPIST-1的行星，先确定这些行星上的昼夜温差，这将反过来告诉我们它们是否有大气层。大气倾向于均匀地分配热量，因此昼夜温差不会太大;相反，一颗没有大气层的裸岩石质行星，白天会变得非常热，夜间又会变得非常冷。
表明生命存在的独特“指纹”
一旦我们知道有大气层，就可以尝试在光谱中寻找表明生命存在的独特“印记”。首先，当然是先查明是否有液态水存在的“印记”。但水只是生命存在的条件，并不表明生命本身。我们还需要找生命自身留下的独特“指纹”。
据我们对地球生命的了解，最好的生命“指纹”莫过于氧气和甲烷在行星大气中同时存在的“印记”。所有的生物都要呼吸，吸收一种气体或物质，从中提取能量，然后排出一种废气。就动物而言，吸进氧气，排出二氧化碳。对于植物来说，情况正好相反。在动物身上，新陈代谢还会产生其他废气，如甲烷。这些气体也可以由微生物产生。但是，不涉及生命的自然过程(如地质活动)，同样可以产生上述气体，所以，单独来看，它们都不是表明生命存在的最好“指纹”。
但是，如果在系外行星的大气中同时看到氧气和甲烷存在，那意义就不一样了。这两种气体除非从生物那里源源不断地得到补充，否则它们会发生化学反应并很快从大气中消失。
最近，有科学家指出，一组叫做聚羟基烷烃(PHAs)的分子也可作为生命存在的独特“指纹”。在地球上，目前除了人工合成，它们只能由微生物制造。而且这些微生物都生活在极端环境下(如酷热、酷冷、高盐)，我们臆想中的外星环境，大概也与此类似。这个想法的提出，说明还有其他可表征生命存在的独特“指纹”有待我们去发现。
那些有希望找到生命的候选行星
LHS 1140b
2017年由美国惠普尔天文台发现。这是一颗致密的超级地球，质量和半径分别是地球的6.48倍和1.64倍，距离地球40光年。根据其大气层推测，其表面温度可能非常类似于地球。
TRAPPIST-1d
恒星TRAPPIST-1是一颗红矮星，距离我们40.7光年。它有7颗行星，先后发现于2016年和2017年。其中，至少有3颗可能处于它的宜居带上。其中TRAPPIST-1d的半径是地球的0.78倍，质量是地球的0.3倍。
TRAPPIST-1e
TRAPPIST-1e的物理特征与地球非常相似，它的半径是地球的0.91倍，质量是地球的0.77倍。如果这颗行星像地球一样拥有相对稀薄的大气层，它的表面温度可能与我们相似。
TRAPPIST-1f
TRAPPIST-1f的质量约为地球的0.68倍，半径也非常相似，正好位于其母恒星宜居带的外缘。以它这个条件，它的表面温度会很低，除非通过某种温室效应(譬如大气中含有高浓度的二氧化碳)，才能提高到地球表面温度的水平。
K2-18b
K2-18b是2015年由开普勒太空望远镜发现的，距离地球124光年。它处于其母星的宜居带上，且大气层中含有水蒸气。但是它的质量是地球的8倍，半径是地球的2.6倍。它要么是一颗岩石质的“超级地球”，要么是一颗气态的“迷你海王星”。
LP 791-18c
LP791-18c是2019年由美国宇航局的凌日系外行星调查卫星任务发现的，距离我们86.5光年。它的半径是地球的2.3倍，质量是地球的5.95倍，位于母恒星宜居带的内部边缘。这是另一颗超级地球或者迷你海王星。
来源：https://view.inews.qq.com/k/20231204A08FU200
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