利用月全食難得的機(jī)會(huì)，天文學(xué)家利用哈勃太空望遠(yuǎn)鏡，在地球大氣中探測(cè)到了地球自己品牌的防曬霜-臭氧。這種方法模擬了天文學(xué)家和天體生物學(xué)家如何通過觀察系外行星（其他恒星周圍的行星）上潛在的“生物特征”來搜索地球以外的生命證據(jù)。

哈勃望遠(yuǎn)鏡沒有直視地球，取而代之的是，天文學(xué)家利用月球作為鏡子，反射穿過地球大氣層的陽光，然后反射回哈勃。

使用太空望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)日食重現(xiàn)了未來望遠(yuǎn)鏡測(cè)量凌日系外行星大氣的條件。這些大氣中可能含有天體生物學(xué)感興趣的化學(xué)物質(zhì)（也就是研究和尋找生命的學(xué)科）。雖然之前已經(jīng)進(jìn)行了大量的這種地面觀測(cè)，但這是第一次用紫外波長(zhǎng)和太空望遠(yuǎn)鏡捕捉到月全食。哈勃探測(cè)到臭氧的強(qiáng)烈光譜指紋，它吸收了一些陽光。臭氧對(duì)生命很重要，因?yàn)樗堑厍虼髿鈱又斜Ｗo(hù)罩的來源。

在地球上，幾十億年的光合作用，造成了地球上的高氧氣水平和厚厚的臭氧層。這就是為什么科學(xué)家認(rèn)為臭氧或氧氣可能是另一個(gè)星球上生命的跡象，并將其稱為生物特征的原因之一。科羅拉多州博爾德市大氣和空間物理實(shí)驗(yàn)室的首席研究員、哈勃望遠(yuǎn)鏡首席研究員艾莉森·楊布拉德解釋說：發(fā)現(xiàn)臭氧意義重大，因?yàn)樗欠肿友醯墓饣瘜W(xué)副產(chǎn)品，而分子氧本身就是生命的副產(chǎn)品。

得益于日全食

盡管之前在月食期間的地面觀測(cè)中，已經(jīng)檢測(cè)到地球大氣中的臭氧，但哈勃望遠(yuǎn)鏡的觀測(cè)研究，代表了迄今為止對(duì)這種分子的最強(qiáng)探測(cè)，因?yàn)槌粞酰◤奶諟y(cè)量，沒有受到地球大氣中其他化學(xué)物質(zhì)的干擾）如此強(qiáng)烈地吸收紫外光。哈勃望遠(yuǎn)鏡記錄到臭氧吸收了2019年1月20日至21日月食期間穿過地球大氣層邊緣太陽紫外線輻射的一部分。

在日食期間，其他幾臺(tái)地面望遠(yuǎn)鏡也在其他波長(zhǎng)進(jìn)行了光譜觀測(cè)，尋找更多地球大氣成分，如氧氣和甲烷。美國(guó)宇航局（NASA）主要目標(biāo)之一是確定可能支持生命的行星。但是，如果我們看到一顆宜居或有生命居住的行星，我們?cè)趺粗浪强删幼〉倪€是生命居住的呢？用天文學(xué)家掌握描述系外行星大氣層的技術(shù)，它們會(huì)是什么樣子呢？

這就是為什么開發(fā)地球光譜模型，作為太陽系外行星大氣分類的模板是很重要的原因。如果外星世界穿過其母恒星的表面，就可以探測(cè)到一些太陽系外行星的大氣層，這一事件被稱為凌日。在凌日期間，星光穿過背光系外行星的大氣層（如果近距離觀察，這顆行星的輪廓看起來就像是被照亮的大氣層造成薄而發(fā)光的“光環(huán)”，就像從太空看地球一樣）。

嗅出行星大氣層

大氣中的化學(xué)物質(zhì)會(huì)過濾掉某些顏色（波長(zhǎng)）的星光，從而留下明顯的特征。使用哈勃望遠(yuǎn)鏡的天文學(xué)家，首創(chuàng)了這項(xiàng)探測(cè)系外行星的技術(shù)。這一點(diǎn)特別值得注意，因?yàn)?990年哈勃望遠(yuǎn)鏡發(fā)射時(shí)還沒有發(fā)現(xiàn)太陽系外行星，空間天文臺(tái)最初也不是為這樣的實(shí)驗(yàn)而設(shè)計(jì)。在系外行星的天空中發(fā)現(xiàn)臭氧并不能保證其表面存在生命，除了臭氧之外，還需要其他光譜特征才能得出該星球上有生命的結(jié)論，而這些特征不一定能在紫外光中看到。

在地球上，當(dāng)?shù)厍虼髿庵械难鯕獗┞对趶?qiáng)紫外光下時(shí)，臭氧就會(huì)自然形成。臭氧在地球周圍形成一層“毯子”，保護(hù)地球免受強(qiáng)烈紫外線的傷害。研究的合著者、美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)戈達(dá)德太空飛行中心的吉亞達(dá)·阿尼(Giada Arney)說：光合作用可能是任何星球上能進(jìn)化出的最高效新陳代謝，因?yàn)樗怯商柟饽芰框?qū)動(dòng)的，使用了大量的元素，比如水和二氧化碳。

這些必要成分在宜居星球上應(yīng)該是常見的，臭氧信號(hào)中的季節(jié)變化也可能表明氧氣的季節(jié)性生物生產(chǎn)，就像它對(duì)地球上植物的生長(zhǎng)季節(jié)那樣。但是，當(dāng)?shù)獨(dú)夂脱鯕獗┞对陉柟庀聲r(shí)，也可以在沒有生命存在的情況下產(chǎn)生臭氧。為了增加對(duì)給定生物特征確實(shí)是由生命產(chǎn)生的信心，天文學(xué)家必須尋找生物特征的組合。多波長(zhǎng)結(jié)合是必要的，因?yàn)樵S多生物簽名中的每一個(gè)，在特定于這些簽名的波長(zhǎng)上更容易被檢測(cè)到。

哪里有臭氧，哪里就有生命？

天文學(xué)家在觀察具有年輕行星的年輕恒星時(shí)，還必須考慮到行星的發(fā)展階段。如果想從一個(gè)類似于早期地球的行星上探測(cè)氧氣或臭氧，當(dāng)行星大氣中氧氣較少的時(shí)候，光學(xué)和紅外光的光譜特征不夠強(qiáng)。研究認(rèn)為地球在中元古代地質(zhì)時(shí)期（大約在20億到7億年前）之前臭氧濃度很低，當(dāng)時(shí)光合作用促進(jìn)了大氣中氧氣和臭氧的積累，達(dá)到了現(xiàn)今的水平。

但由于臭氧特征的紫外光特征非常強(qiáng)，將有希望檢測(cè)到少量臭氧。因此，紫外線可能是探測(cè)低氧系外行星上光合作用生命的最佳波長(zhǎng)。美國(guó)宇航局（NASA）未來將發(fā)射的詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡(James Webb Space Telescope)，它可以在紅外線下進(jìn)行類似的測(cè)量，有可能探測(cè)系外行星大氣中的甲烷和氧氣，韋伯太空望遠(yuǎn)鏡目前計(jì)劃在2021年發(fā)射，讓我們期待未來的天文學(xué)大發(fā)現(xiàn)吧！

博科園｜研究/來自：美國(guó)宇航局戈達(dá)德太空飛行中心

參考期刊《天文學(xué)》

DOI: 10.3847/1538-3881/aba0b4

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