很少有比宇宙中其他地方存在生命的可能性更引人入勝的問題了。但是，由於外星人沒有訪問我們的星球，而且我們近期也不會去他們遙遠的家園，因此，關於遙遠世界存在生物的間接證據是我們獲得答案的最佳途徑。
問題在於，行星和衛星不僅比它們的主恆星小得多，而且也暗淡得多，這使得直接觀測極具挑戰性。幸運的是，富有創造力的天文學家已經設計了觀測方法，可以探測到圍繞遙遠恆星執行的行星，並值得注意的是，可以獲得它們大氣的大致化學成分。這就是生命的關鍵所在：如果生命在全球範圍記憶體在於一顆行星上，它可能會在大氣中留下訊號。就像指紋一樣，不同型別的生物活動會留下特定的 атмосферные 印記。例如，我們看到光合作用在我們大氣中產生的氧氣含量豐富。我們面臨的挑戰是破譯生命在外星大氣中留下的資訊。
這將需要強大的望遠鏡，以及關於如何解碼從外星世界捕獲的光線中隱藏的資訊的新思維方式。我們建議，我們現在依賴的資訊理論可以從現代通訊中的噪聲中篩選訊號，它為天文學家提供了可用於探測其他世界生物活動跡象的工具。該方法分兩個步驟進行：在捕獲系外行星的光之後，我們使用資訊理論來搜尋與生命存在相關的化學物質。在通訊中，字母表中的字母構成句子，而在天體生物學中，將是存在於遙遠世界大氣中的特定化學物質。
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今天，我們可以透過凌日光譜學最好地推斷系外行星的化學成分：當行星從地球的角度看，從其恆星前方經過時，行星的大氣層會吸收一些星光。由此產生的吸收光譜看起來有點像鋸齒狀山脈的輪廓，山谷對應於吸收來自恆星的光的不同化學元素。由此，原則上我們可以推斷那裡是否存在任何型別的生物活動。
如果我們知道如何尋找它，那就可以了。事情聽起來很有希望，直到我們開始提出更難的問題。首先，我們假設這些生物特徵是針對我們地球上已知的生命。也許這是一個好的起點，但是我們如何確定這將是我們所發現的呢？即便如此，我們應該尋找哪些型別的大氣生物特徵？此外，如果我們正在尋找某種類似地球的行星，那麼我們是在其進化歷史的哪個階段捕捉到它的？自從生命在35億年前首次出現以來，地球大氣層已經發生了巨大的變化。一位外星天文學家在不同的地質時期觀察我們，會注意到巨大的變化。在那段時間裡，生命大大增加了地球大氣中的氧氣和臭氧，並引發了甲烷的波動。最後，主恆星有各種大小和溫度，並且會在其存在期間發生轉變。不同的主恆星——從炎熱的黃色恆星到較冷的紅色恆星——在不同的生命週期階段會以不同的方式影響它們的行星。
由於所有這些原因，我們需要呼叫多種方法來搜尋其他世界大氣中生命的跡象。在最近的一篇論文中，我們提出了資訊理論——一種從任何型別的資料傳輸中的噪聲中解碼訊號的方法——作為這些關鍵工具之一。該分析將來自模擬系外行星的光譜資料與我們自己的地球在廣泛的天體物理和行星背景下進行了比較：在它們進化的不同階段以及圍繞不同的主恆星執行。結果表明，我們的工具可以可靠地分析來自當前和未來觀測的真實資料，以搜尋外星生物特徵。我們從資訊理論中改編而來的度量標準，稱為Jensen-Shannon 散度，直接比較任意兩個吸收光譜，並量化它們的相似程度（或不相似程度）。這種“構型熵”度量標準是行星光譜模式細微變化的極佳鑑別器。較小的值意味著兩個比較世界具有非常相似的整體大氣成分；較大的值意味著它們非常不同。然後，我們使用更精細的診斷工具來計算特定光波長的構型熵，即電磁頻譜中“光譜特徵”——某些物質山脈輪廓上的山谷——最容易看到的區域。透過這種方法，我們可以集中關注特定化合物，如 CO2 或甲烷，或兩種化合物同時出現，如甲烷和臭氧，並直接比較它們在兩個世界上的丰度。
對我們來說，系外行星是“地球類似物”，不僅當它的半徑和質量接近地球時，而且當它的吸收光譜在資訊空間中非常接近地球在我們星球數十億年曆史中的光譜時。這擴充套件了天體生物學中廣泛使用的“類地”概念，超越了我們生物圈的當前狀態，進入其遙遠的過去（和可能的未來），那時生命的全球指紋可能會非常不同。我們考慮了地球在其進化過程中的三個階段，從大約 20 億年前的大氧化事件之後，大氣中幾乎沒有氧氣，海洋和海底岩石中只有少量氧氣，到 8 億年前，氧氣含量約為 10%，最後到現代的 21%。
我們提出的資訊度量標準可以根據世界的光譜特徵來區分世界。我們仍然必須小心，因為行星的年齡和恆星型別仍然會混淆我們對密切匹配的生物特徵的搜尋。為了自信地識別地球類似物，我們需要找到圍繞像我們太陽一樣的恆星執行的系外行星。但是我們期望生命比我們目前基於在地球上看到的假設更具創造力。
當我們比較現代地球特定化合物的光譜特徵與圍繞不同主恆星執行的類地行星的光譜特徵時，我們發現我們的方法非常適合識別可能歸因於生物活動的內容以及它如何在漫長的歲月中發生變化。當然，準確性取決於光譜有多幹淨（或“低噪聲”），但即使在JWST 的能力範圍內，結果也非常有希望。此外，我們的資訊度量標準可以作為比較基礎應用於任何型別的世界，而不僅僅是地球類似物。這意味著我們可能可以識別出真正外星型別的生物活動，這些活動不符合我們在地球上看到的情況，例如，透過挑出與其相關的異常大氣化學成分。這種開放性和靈活性對於我們尋找我們所知的生命以及我們不知道的生命至關重要。
我們可能還不知道我們在宇宙中是否是孤獨的，但如果生命隱藏在其他地方，我們應該很快就能找到它。
這是一篇觀點和分析文章，作者或作者表達的觀點不一定代表《大眾科學》的觀點。