人們對明年某個時候天文學家使用美國宇航局的開普勒太空船宣佈一項發現抱有很高的期望，這是行星獵人一直在等待的：在類太陽恆星周圍的生命可能繁榮的區域發現的第一顆地球大小的系外行星。這顆系外行星幾乎肯定離地球太遠而無法仔細觀察，但這無疑會加速對生命指紋的搜尋——能夠表明在宜居帶（液態水可以存在的適宜生命區域）的系外行星上是否真的存在生命的化合物。
但是，即使研究人員對系外行星大氣中可能存在的生物特徵有了更深入的瞭解，科學家們也面臨著一個障礙。一項名為“陸地行星探測器”（TPF）的擬議美國宇航局任務，旨在搜尋環繞附近恆星（距離約為開普勒可發現天體的百分之一）執行的行星上的這些化合物，由於詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（哈勃的繼任者）的成本上升，於2007年失去了資金。
TPF將阻擋來自附近類太陽恆星的耀眼光芒，以便拍攝環繞它們的行星的肖像。在一個方案中，一臺配備有遮光罩或日冕儀的大型望遠鏡會遮擋星光，並以反射可見光的形式對行星進行成像。在另一種策略中，幾臺在資訊中飛行的望遠鏡會協同作用，以消除來自母恆星的紅外光，並記錄恆星行星在紅外波長處輻射的熱量。
關於支援科學新聞
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關當今塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。
TPF收集並分離成其組成波長或光譜的光，可以揭示生物特徵的存在。加州大學伯克利分校的傑夫·馬西指出，系外行星大氣中的水蒸氣、氧氣和甲烷將提供類生命環境以及類似於地球上的光合作用和呼吸作用等生物過程的證據。
他補充說：“銀河系可能充滿了微生物生命，但目前我們一無所知。由於預算壓力，陸地行星探測器無法在美國或歐洲獲得支援，這是現代科學的悲劇。”
生物標記
天文學家仍然希望恢復TPF的某種版本，但據馬西估計，該任務需要十年才能重回正軌。與此同時，包括麻省理工學院的莎拉·西格和西雅圖華盛頓大學的維多利亞·梅多斯在內的系外行星研究人員的研究正在完善和擴充套件可能充當不同大小和年齡恆星的系外行星生物標誌物的化合物列表。
梅多斯說，由於最初在太陽系以外尋找生命化學標記的機會很少，“我們希望確保我們對生物特徵有儘可能好的理解。我們不想被愚弄。”
許多新工作都集中在圍繞 M 矮星執行的行星上，M 矮星的質量約為太陽的一半到十分之一，約佔銀河系所有恆星的 75%。由於 M 矮星比太陽冷得多，它們的宜居帶距離它們的距離只有地球距離太陽的十分之一左右。
這種近距離使得 TPF 無法對這些行星成像。但是，現計劃於 2018 年發射的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡有機會檢查其中一些天體的大氣層。新一代的特大型地面望遠鏡，其鏡面為 30 米或更大，最近也已提出。
這些望遠鏡將嘗試研究的一些系外行星具有罕見的排列。與開普勒識別的更遙遠的系外行星一樣，它們在探測器看到的視野中會定期穿過或凌日它們的母恆星。在凌日期間，星光會過濾透過系外行星的大氣層，每種化學成分都會在光中留下自己的印記。該訊號非常微弱，但 M 星宜居帶中的行星經常凌日，使天文學家能夠累積個別觀測結果以進行更強的探測。西格說：“M 星的宜居帶是我們能夠尋找生物特徵的第一個地方。”
梅多斯和她的同事在過去幾年中對類地行星進行的模擬顯示，M 矮星可能更好地儲存了一些脆弱的生物標誌物，這些標誌物很容易被質量更大的恆星的輻射破壞。考慮一下高丰度的甲烷和臭氧同時存在，研究人員在 1965 年首次提出，這是生命的一個有力指標。只有生物活動才能不斷維持這兩種化合物的高水平，它們很容易相互反應並耗盡原始供應。
M 矮星產生的近紫外線輻射遠少於類太陽恆星，近紫外線輻射會將臭氧分子分解為原子氧和氫氧根，並加速甲烷的破壞。梅多斯和她的合作者計算，因此，甲烷的持續時間將延長約 20 倍（約 200 年），並且在圍繞 M 矮星的宜居帶中，類地行星上的預計濃度將比圍繞太陽的宜居帶中的同一行星高 200 倍。
梅多斯說，同樣，另外兩種地球生物特徵——氯甲烷和一氧化二氮——在圍繞 M 矮星執行的類地行星上也可能更普遍且更容易檢測到。
M 星、K 矮星及其他
馬薩諸塞州劍橋哈佛-史密森天體物理中心和德國海德堡馬克斯·普朗克天文研究所的麗莎·卡爾滕內格表示，目前還沒有任何調查在 M 星的宜居帶中發現地球大小的行星，需要進行太空任務才能進行徹底的搜尋。一項名為凌日系外行星巡天衛星的擬議任務將掃描整個天空，以尋找 M 星以及略大的恆星（稱為 K 矮星）周圍的地球大小和更大的系外行星。去年，該專案在麻省理工學院的喬治·裡克的領導下，獲得了美國宇航局 100 萬美元的資助，用於進一步研究。
考慮到 M 星以外的因素——西格和梅多斯也擴大了可能的生物特徵列表。在 1 月份的《天體生物學》雜誌中，西格、北卡羅來納州格林維爾東卡羅來納大學的馬修·施倫克和英國劍橋的諮詢公司 Rufus Scientific 的威廉·貝恩斯指出，大多數研究可能的生物特徵氣體的研究都將其範圍限制在臭氧或氧氣、甲烷和一氧化二氮上。這些化合物不僅是地球上生命的主要標誌，而且是產生地球上生命能量和結構成分的化學反應的直接產物。然而，地球上的微生物會產生範圍更廣的氣體，西格和她的同事將其標記為次要副產物，這些副產物的產生原因不明，並且可能特定於特定物種。一個地球上的例子是海洋浮游植物產生的二甲基硫。
儘管這些次要副產物在地球上的濃度很小，但它們可能是其他型別宜居系外行星上的主要生物特徵。這些想法仍處於初步階段，但西格和她的合作者認為，系外行星大氣中不尋常或複雜分子的高濃度可能是一種新型生物特徵。
在 2011 年 6 月的《天體生物學》雜誌中，梅多斯和她的合作者也擴大了可能的生物特徵的範圍。受早期地球在氧氣主導地球大氣層之前單細胞細菌繁榮的證據的激勵，該團隊模擬了在貧氧系外行星上尋找生命跡象。他們的研究表明，生物體會產生硫氣體，但這些氣體並未在系外行星的大氣層中積聚。相反，硫化合物在一系列最終產生乙烷的反應中被破壞。梅多斯說，因此應將高乙烷濃度新增到指示生物活動的化合物名單中。實際上，它可能是缺乏氧氣的系外行星上生命的主要特徵。
總的來說，西格說，“我很興奮，因為我覺得我們真的快要了解系外行星上的生物特徵了。”
“我們正在收集我們需要的所有工具，以便進行預測並指導實際尋找生命跡象的儀器的設計。”