人類敢賭嗎？發現遙遠星球上的外星生命，或許是一場賭博！
在美國宇航局戈達德太空飛行中心園區的普通磚房裡，數千臺自動售貨機大小般的電腦，在震耳欲聾的資料處理合唱中嗡嗡作響。日日夜夜不停息，每秒完成達7千萬億次計算，這些電腦統稱為美國宇航局（NASA）的”發現“超級計算機，其任務是運行復雜的氣候模型來預測地球未來氣候。但現在，還在探索更遙遠的事情，在過去20年裡，在太陽系之外發現的4000多顆奇特怪類地行星中：
是否有任何一顆可以支援生命的存在，並有外星生命呢？科學家們發現，這些問題的答案很可能不僅是肯定的，而且與地球相比，在一系列令人驚訝的條件下，答案也更加讓人著迷。這一發現促使許科學家努力解決一個問題，這個問題對於美國宇航局尋找地球以外的生命至關重要。但有沒有可能，我們對什麼使行星適合生命的觀念過於侷限了呢？下一代強大的望遠鏡和太空天文臺肯定會給我們提供更多線索。
這些儀器將首次讓科學家分析最誘人的行星大氣層：像地球這樣的岩石行星，表面可能有生命的基本成分（液態水）流動在它們的表面。目前，很難探測到遙遠的大氣層，按照今天的技術，向太陽系外距離最近的系外行星發射航天器也需要7。5萬年才能抵達。即使有強大的望遠鏡，也幾乎不可能對附近的系外行星進行詳細研究。問題是，它們太小了，被恆星的光淹沒了，科學家們無法辨別出它們反射的微弱光訊號，這些訊號可能會揭示地表生命的化學成分。
換句話說，正如許多科學家喜歡指出的那樣，探測這些系外行星周圍大氣的成分，就像站在華盛頓特區，試圖在洛杉磯的探照燈旁邊瞥見一隻螢火蟲。加州帕薩迪納市NASA噴氣推進實驗室的首席系外行星科學家Karl StapelFeldt說：這種現實使得氣候模型對探索至關重要，這些模型對我們應該看到的東西做出了具體、可測試的預測，這些對於設計未來的望遠鏡和觀測策略非常重要。
太陽系-地球是個好例子
在用大型地面和太空望遠鏡掃描宇宙的過程中，天文學家發現了各種各樣的外星世界，它們似乎是從想象中畫出來的。美國宇航局戈達德天體物理學家伊莉莎·昆塔納（ELISA Quintana）領導了開普勒-186f行星的發現，這是一顆地球般大小的類地行星。昆塔納表示：很長一段時間裡，科學家們專注於尋找類似太陽和地球的系統。因為太陽系是我們所知道的全部，但發現的行星種類繁多，發現了像月球一樣小的行星，也發現了像木星一樣大巨型行星。
還發現了一些圍繞小恆星、巨恆星和多恆星系統執行的行星。事實上，NASA開普勒太空望遠鏡和新的凌日系外行星調查衛星“苔絲號”以及地面望遠鏡探測到的大多數行星，它們的大小介於巖態地球和氣態天王星之間。到目前為止，在大小上最接近地球的行星，理論上是最有可能具有宜居條件的行星，目前只在“紅矮星”周圍發現，紅矮星構成了銀河系中的絕大多數恆星。但這很可能是因為紅矮星比太陽更小、更暗，所以圍繞紅矮星執行的行星，發出的訊號更容易被望遠鏡探測到。
因為紅矮星很小，行星必須靠得太近（比水星離太陽的距離還要近）才能保持引力鎖定。由於紅矮星與所有其他恆星相比都很冷，所以行星必須離它們更近，才能吸收足夠的熱量，讓液態水在表面彙集。目前在紅矮星系統中發現最具吸引力的行星有比鄰星b，比鄰星b是距離我們最近的系外行星。在太陽系附近的TRAPPIST-1系統中也有七顆岩石行星，但這些行星是否能夠維持生命仍然是一個有爭議的問題。
科學家們指出，紅矮星在其行星上噴出的有害紫外線和X射線輻射，比太陽射入太陽系的輻射要多出500倍。從表面上看，這種環境會剝離大氣層，蒸發海洋，也能摧毀DNA。然而也許不是，儘管有輻射，地球氣候模型顯示，紅矮星周圍的岩石系外行星可能是宜居行星。安東尼·德爾·吉尼奧（Anthony Del Genio）是美國國家航空航天局（NASA）戈達德空間研究所（Goddard Institute For Space Studies）的退休行星氣候學家。
大氣層和海洋的作用
在吉尼奧職業生涯中，模擬了地球和其他行星的氣候，包括比鄰星b。吉尼奧研究團隊模擬了比鄰星b上可能的氣候，以測試需要有多少比鄰星的熱量會讓比鄰星b足夠溫暖和潮溼，足以容納生命。這種型別的建模研究幫助NASA科學家，識別了幾個值得用NASA即將推出的詹姆斯·韋伯太空望遠鏡進行更有生命希望研究的行星。雖然模擬研究不能告訴觀測者是否有任何行星適合居住，但可以告訴他們：
某個行星是否處於可以進一步搜尋合適候選行星的中間位置。比鄰星b圍繞半人馬座比鄰星執行，這是一個三恆星（三星）系統，距離太陽僅4。2光年。除此之外，科學家們對此知之甚少。同時科學家認為它是岩石行星，估計略大於地球的質量。科學家可以透過觀察比鄰星在繞其軌道執行時受到比鄰星b引力的大小來推斷其質量。比鄰星b的問題是：這顆行星繞太陽一圈只需要11。2天，而地球繞太陽一圈需要365天。
物理學告訴科學家，這種安排可能會讓比鄰星b被引力鎖在它的恆星上，就像月球被引力鎖在地球上一樣。如果是真的，比鄰星b的一側將面對恆星的強烈輻射，而另一側凍結在黑暗的太空中，這對兩邊的生命都不是好兆頭。研究模擬顯示，比鄰星b，或任何具有類似特徵的行星，也可能是宜居的，引為大氣層和海洋在其中起著基礎性的作用。Del Genio團隊升級了20世紀70年代首次開發的地球氣候模型，建立了一種名為Rocke-3-D的行星模擬器。
比鄰星b是否有大氣層是一個懸而未決的關鍵問題，有望透過未來的望遠鏡來解決，在每一次模擬中，研究團隊改變了比鄰星b空氣中溫室氣體的型別和數量。也還改變了海洋的深度、大小和鹽度，並調整了陸地和水的比例，看看這些調整將如何影響比鄰星b的氣候。像ROKE-3-D這樣的模型，開始時只有一些關於系外行星的基本資訊：大小、質量和與恆星的距離。科學家們可以透過觀察一顆行星從它前面穿過時恆星發出的光線減弱：
或者透過測量一顆行星圍繞恆星旋轉時對它的引力來推斷這些事情。這些稀少的物理細節為方程式提供了資訊，這些方程式包括建立最複雜的氣候模型所需多達100萬行計算機程式碼。該程式碼指示像NASA發現超級計算機這樣的計算機，使用既定的自然規則來模擬全球氣候系統。在許多其他因素中，氣候模型考慮了大氣層和海洋如何迴圈和相互作用，以及來自太陽的輻射如何與行星大氣和表面相互作用。
當研究團隊在發現超級計算機上執行ROKE-3-D時，看到比鄰星b的假想大氣透過偏轉輻射，起到了巨大的太陽傘的作用。這可以將比鄰星b面向太陽的一側的溫度從過熱降低到溫暖。其他科學家已經發現，比鄰星b可以形成如此巨大的雲層，如果人們從表面抬頭看，它們會遮蔽整個天空。NASA戈達德行星科學家拉維·科帕拉普也對系外行星的潛在氣候進行了建模，他說：如果一顆行星被引力鎖定，並沿著軸線緩慢旋轉，那麼恆星前面就會形成一圈雲層，總是指向它。
這是由於一種名為科里奧利效應的力，它會在恆星加熱大氣的位置引起對流。同時還對系外行星的潛在氣候進行了建模，模型顯示比鄰星b可能就是這樣的。除了使比鄰星b的白天比預期溫度更高之外，大氣和海洋環流的結合，將使溫暖的空氣和水在行星周圍移動，從而將熱量輸送到寒冷的一側。因此，比鄰星b不僅可以防止夜間的大氣結冰，還可以在夜間創造出一些區域性條件，即使這些區域看不到光，這些區域也會在表面上保持液態水。
以新的眼光看待
大氣層是圍繞行星的分子包層，除了幫助維持和迴圈熱量外，大氣還分配滋養生命或由其產生的氣體。這些氣體就是科學家們將在系外行星大氣層中尋找的所謂“生物特徵”，但到底應該尋找什麼仍然沒有確定。太陽系地球是科學家擁有維持生命大氣層化學成分的唯一證據。然而，當使用地球的化學物質作為銀河系其行星模型時，必須謹慎。例如，戈達德行星科學家賈達·阿尼（Giada Arney）的模擬表明：即使是像氧氣這樣簡單的東西也可能構成陷阱。
如果外星文明在數十億年前將望遠鏡對準地球，希望發現一顆在被氧氣包裹的藍色行星，他們也會失望的；也許他們會把望遠鏡對準另一個世界。但是，在38億到25億年前，甲烷可能是尋找生命的最好生物特徵，而不是氧氣。這種分子在當時是大量產生的，很可能是由海洋中悄悄誕生的微生物產生。地球歷史上這一階段的有趣之處在於，與現代地球相比，它是如此的陌生。當時地球還沒有氧氣，所以地球在望遠鏡裡甚至不是一個淡藍色的點，而是一個淺橙色的點。
這可能是籠罩著早期地球的甲烷煙霧所產生的橙色霧霾。像這樣的發現“拓寬了我們對系外行星可能性的思考”，有助於擴大行星科學家將在遙遠行星大氣層中尋找的生物特徵清單。雖然行星氣候模型是理論上的，這意味著科學家們還沒有機會在現實世界中進行測，但它們為未來的觀測提供了藍圖。模擬氣候的一個主要目標是確定韋伯望遠鏡和其他任務中最有生命存在希望行星，以便科學家能夠最有效地利用有限而昂貴的望遠鏡時間。
此外，這些模擬正在幫助科學家建立一個潛在的化學特徵目錄，也許會有一天會檢測到這些特徵。擁有這樣的資料庫，可以幫助科學家們快速確定正在觀測的行星型別，並決定是繼續探測還是將望遠鏡轉向其他地方。Del Genio還指出：發現遙遠行星上的生命或許是一場賭博！人類敢賭嗎？能賭贏嗎？從歷史人類探索宇宙的雄心來看，當然是敢的吧？如果我們想要最明智地觀察探測，氣候模型就顯得尤為重要，因為這隻會增加找到機率。
博科園｜研究/來自：美國宇航局戈達德太空飛行中心
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