基於“光譜紅邊”探測系外行星上的植物生命_風聞

我們在宇宙中是孤獨的嗎？這是自人類文明誕生以來最古老的天問。幾千年來，每當人們把目光轉向星空，總會幻想宇宙中是否還有生命存在？如果與地球上不一樣，那該是以怎樣的形式存在？在有生之年我們能否找到他們？

自1995年第一顆系外行星被探測到以來，尋找系外生命這一天體生物學科的基礎齒輪就已開始轉動起來。但是宇宙浩繁，據估計，可觀測宇宙內的恆星數量大概是在10^22到10^24之間，這個數量比地球上的沙粒數量還多。如果我們粗略地將每一粒沙粒對等於每一顆系外行星，在這恆河沙數的目標裏，我們該以怎樣的策略尋找這些可能具有生命的行星，以及探測上面的生命跡象？

目前給出的答案是，首先以地球為範本尋找類地行星，然後在類地行星上尋找生命存在的跡象。儘管這種策略可能是狹隘的，但從縮小樣本提高探測效率出發，這依然是目前生命搜尋的主要策略。

那麼我們該如何探測類地行星上生命跡象呢？首先，由於系外行星離我們太過遙遠，以人類目前的技術能力無法登上系外行星直接觀察，也很難獲取行星表面高清照片來目視判斷是否有生命存在。鑑於目前天文觀測技術手段主要只有兩類——成像（直接拍攝天體照片）和光譜（天體發射、反射/散射光的顏色分佈），在成像沒法解決問題的前提下，我們只能依靠光譜（即光的顏色信息）這一間接手段來探測類地行星上的生命跡象。

天體生物學家提出的系外行星生命信號可主要分為如圖1所示三種類型：氣態生命信號、行星表面生命信號及時域生命信號。其中，氣態生命信號關注生命活動在行星大氣中的產物，如，植物光合作用產生氧氣，但一些與生命無關的光化學過程同樣也會有這類產物，也就是基於這種信號類型的生命探測可能存在“假陽性”。行星表面生命信號一般是指行星表面生命體（如，大規模植被）及生命體產物（如，城市羣）等對反射光譜調製，從而引入生命相關光譜特徵，這類生命信號類型比氣態生命信號更直接，也不容易出現假陽性。時域生命信號，一般是前兩類信號的時域變化特性，可進一步提升前兩類信號的可靠性。

圖1.系外行星遠程生命信號的三種主要類型

在行星表面生命信號中，有一種與綠色植被直接相關的光譜信號，叫做植被光譜紅邊（Vegetation red edge, VRE），近年來深受天體生物學家關注。所謂植被光譜紅邊VRE，指的是綠色植被對光的散射，在紅光與近紅外交界處（如圖2右圖中的紅色線段所示）區域有一個迅速增強，這個增強與綠色植葉肉細胞中葉綠素對紅光（0.66-0.7微米）的強烈吸收相關。如果我們在來自行星的星光中發現了這種獨特光譜變化，就很有可能來自綠色植物的作用。

圖2.植被光譜紅邊

那麼，這種VRE生命特徵可靠性到底有多高呢？我們對這個問題做了模擬研究 。首先，行星表面假如分為綠地（有植被覆蓋的陸地）、裸地（無植被覆蓋）、海洋及冰原四類的話，綠地和裸地的VRE指數是正的，且綠地較裸地的VRE指數高一個量級以上；而海洋和冰原則是負值（海洋的VRE指數較冰原高一個量級）。因此，通過VRE指數將植被從其它地表類型中區分出來是可行的，圖3中的計算結果也可以佐證。圖3也給出了VRE指數在一天內的變化曲線，這種變化是由於地球表面類型的非均勻分佈導致不同時刻進入到觀測視野的表面類型不同，從而影響到VRE指數的大小，我們也可以看到，在海洋佔據觀測視野主要部分的時刻，VRE指數是負的，而在陸地，特別是綠地佔主導的時刻，VRE指數是正的。這就意味：（1）通過VRE來探測到系外行星上綠色植被，觀測時刻極其重要；（2）VRE與行星表面類型直接相關，通過VRE指數在一天內的變化曲線能反演出來行星的表面分佈應該是可行的。另外，圖3也顯示，雲的存在使得VRE指數大大降低，這將影響到VRE可探測性，也就是我們需要想辦法通過某些手段反演出行星雲量分佈，並在後續的數據處理中剔除掉雲的影響，進而提高VRE的可探測性。

圖3.地球上植被（最上圖）及裸地（中、下兩圖）在有云（_cloudy曲線）和無雲（_clear曲線）情況下的VRE日變化情況

在上面正向模擬計算的基礎上，我們還建立較簡化的逆向模型，利用VRE在一天時間內的變化曲線實現了類地行星的大陸分佈及雲量等性質的反演，發現反演結果與預期符合較好。在此基礎上，基於美國NASA規劃中的空間望遠鏡LUVOIR-A（口徑15米）及其高對比度成像（對比度10^(-10)）及光譜觀測（光效率25%）終端儀器，我們還做了模擬觀測。不僅得到10pc距離下模擬觀測地球所獲得的反射光譜曲線，進一步獲得VRE時變曲線，並探討了光譜信噪比對時變曲線的影響。在此基礎上，進一步恢復出行星大陸分佈（如圖4所示）。此項工作將基於VRE探測系外生命研究往前推進了一步，併為系外行星表面特徵研究提供了新思路。

圖4.基於LUVOIR-A模擬觀測光譜數據反演行星大陸分佈

隨着下一代望遠鏡觀測能力的提升，例如TMT, E-ELT等30米級地基望遠鏡建成，以及JWST，HabEx, LUVOIR等空間旗艦級望遠鏡升空，人類將有能力探測到系外類地行星直接成像光譜，並通過尋找像植被紅邊這樣的生物特徵，來搜尋系外行星上的植物生命。那時，回答“我們在宇宙中是孤獨的嗎？”這個問題可能不再遙不可及。但在此之前，我們應該在探測模型、探測方案、探測技術、探測儀器、數據處理等各方面做好充分準備。

參考文獻：

1. Schwieterman E W, Kiang N Y, Parenteau M N, et al. Exoplanet biosignatures: a review of remotely detectable signs of life[J]. Astrobiology, 2018, 18(6): 663-708.

2.  Wang F, He J P, Diurnal variability and detectability of vagetation red edge of earth-like exoplanets[J]. The Astrophysical Journal, 2021, 909(9): 12pp.

來源：中國科學院國家天文台南京天文光學技術研究所