27年前，在日内瓦大学，MichelMayor和DidierQueloz(现为ETH教授)发现了第一颗围绕类太阳恒星运行的太阳系外行星。自最初发现以来发生了很多事情：天文学家现在已经在3,700多个不同的行星系统中发现了5,000多颗系外行星，其中许多与地球大小相似。到目前为止，我们只分析了宇宙的一小部分，似乎可以肯定地认为太阳系外的其他行星上可能存在生命。

在外星世界寻找生命

然而，正如任何科学家都会告诉你的那样，一个似是而非的假设并不等同于证据。这让许多研究人员想知道我们如何能够证明太阳系以外生命的存在。一种有前途的方法是分析系外行星的大气层。通过研究主恒星光谱中的吸收线，科学家们可以确定系外行星大气中存在哪些分子，至少在较大行星的情况下是这样。

除了寻找甲烷、二氧化碳、氧气或水蒸气的迹象外，他们还对确定这些物质的组合感兴趣。“甲烷和氧气都存在于地球大气层中，”苏黎世联邦理工学院系外行星和宜居性教授SaschaQuanz说。“这是一种化学不平衡，没有生物体就不会存在。”换句话说，一定是生活造成了这种不平衡。在类地系外行星的大气层中发现这种不平衡将是生命存在的有力指标。

当然，理想情况下，如果我们能够直接捕捉系外行星的图像，而不是在它们经过主恒星前时间接观察它们，那会更好。然而，这说起来容易做起来难，因为系外行星几乎完全被母恒星的强光所掩盖。为了解决这个问题，Quanz与其他研究人员合作开发了一种用于超大望远镜(ELT)的仪器。

目前正在智利阿塔卡马沙漠建设ELT，一旦投入使用，望远镜的39米镜面将大大提高天文学家观察太空深处的能力。Quanz说：“有了ELT，我们将首次能够直接捕捉到围绕附近恒星运行的类地行星的直接图像，因为这种新仪器会阻挡那颗恒星的光。”

惊喜接连不断

但是研究人员应该在哪里指导寻找生命呢?他们应该寻找什么信号?一些线索可以在物理模型中找到，例如计算天体物理学助理教授JuditSzulágyi及其团队开发的模型。这些模型可用于重建行星是如何随着时间的推移从围绕新形成的恒星旋转的初始原行星尘埃和气体盘形成的，它们还有助于确定哪些物体值得通过望远镜进行更仔细的观察。

Szulágyi建立的模型考虑了一系列因素，包括引力、磁力、气体运动以及星光与圆盘材料相互作用的方式。通过计算这些参数的无数不同组合，我们可以对宇宙中可能存在的行星世界的多样性有所了解。

然而，经验一再表明，大自然往往比模型预测的要多得多。例如，第一批系外行星让科学界大吃一惊，因为天文学家从未怀疑过木星大小的巨型行星可以如此靠近它们的主恒星。研究人员对所谓的超级地球的存在同样感兴趣，超级地球与地球一样都是岩石，但大约是地球的一倍半。

Szulágyi承认她的模型经常被证明是不准确的，需要重新计算，但她仍然保持乐观：“它不断促使我们重新思考我们关于行星如何形成的想法。”Szulágyi希望用她的模型回答的关键问题之一是水的来源。“地球上的生命需要水，”她说。“因此我们对有水存在证据的地方感兴趣。”

这样的天体甚至可以在我们自己的太阳系中找到，天文学家渴望在未来几年内找到更多关于它们的信息。它们包括木星的卫星欧罗巴，它可能在其厚厚的冰壳下拥有一个海洋，以及土星的卫星土卫二，科学家们在那里观察到从地表喷出的冰粒喷泉。

完全不同的世界

地质学还可以为了解其他行星系统中外星世界的构成提供有用的线索。实验行星学助理教授保罗·索西(PaoloSossi)研究构成其他行星内部和大气层的奇异矿物、液体和气体。“我们在实验中模拟了广泛的条件，”他说。“它们帮助我们建立了一幅关于行星表面正在发生的事情以及行星内部正在发生的事情的图片。”

我们对其他行星的化学成分的了解仍然很粗略，这使得Sossi的任务更具挑战性。“检查主星的光谱可以让我们初步了解行星的化学构成，”Sossi说。“这为了解哪些元素存在以及数量是多少提供了基础。”

通过将各种行星的质量和直径信息与建模结果相结合，科学家们可以推断出不同元素在恒星周围整个行星系统中的实际分布情况。我们自己的太阳系是一个有用的参考，因为迄今为止研究的所有恒星系统中有60%到70%具有相似的化学成分。因此，索西正在使用数值模型来尝试更好地了解地球及其邻近行星的形成方式。这为他提供了重建其他恒星周围行星的质量、数量和分布所需的信息。

然而，也有一些恒星的化学成分与我们的太阳完全不同。例如，一颗恒星可能含有更多的碳和更少的氧，这可能意味着围绕它运行的行星由与地球不同的矿物组成。“这种富含碳的行星上的主要矿物可能是碳化硅和碳化钛，甚至是钻石，”索西说。这反过来又会对行星的大气层产生影响——例如，这样一颗行星上的雨可能由石墨滴组成，而不是水。

长远的眼光

归根结底，我们寻找外星生命的成功取决于不同因素的结合。望远镜观测、实验室实验和数值模型无疑是任何研究计划的关键要素。但我们还需要能够从大量数据中收集尽可能多的科学信息的智能算法，以及能够提供研究人员所需精确数据的仪器。“仪器开发是像我这样的行星研究人员的首要任务，”Quanz说。“作为研究人员，我们需要了解仪器的工作原理，以便了解我们可以从中获得什么样的信息。”

长远的眼光也很重要，这就是为什么Quanz已经提前考虑了。他负责一项旨在在寻找外星生命方面取得重大进展的国际倡议。这是欧洲航天局欧空局在2035年至2050年间发射的大型科学任务之一的一部分。

“我们正在达到地面望远镜所能达到的极限，因为我们正在寻找的所有分子也出现在地球大气层中，而且地球的温度与我们感兴趣的系外行星的温度相似，“他说。“如果我们想逃离地球产生的巨大背景噪音，我们就必须进入太空。这很可能是探测系外行星大气层中生命痕迹的唯一方法。”

然而不幸的是，没有办法在太空中安装与阿塔卡马沙漠中的望远镜一样大的望远镜。因此，Quanz和他的同事提出了一个大胆的项目，称为系外行星大型干涉仪(LIFE)。这个想法是在第二个拉格朗日点放置四个额外的小型望远镜，詹姆斯韦伯太空望远镜就是在这里拍摄了最近让世界惊叹的壮观图像。

“通过组合来自多个小型望远镜的测量信号，我们可以获得与单个大型望远镜相似的分辨率。”Quanz说。“这将使我们能够首次直接对数十颗类地行星进行成像和化学表征。”

在此之前，科学家们需要解决一系列技术挑战：望远镜需要以非常精确的编队飞行，每次瞄准一个新的行星系统时，该编队都会发生变化;来自各个卫星的测量信号必须以极高的精度同步;望远镜必须配备极其灵敏的传感器，旨在捕捉行星发出的微弱光线。同样关键的是如何为卫星提供动力的问题，因为重新定位它们需要大量的燃料。

Quanz说，所有这一切在技术上都是可行的，尽管这不仅需要科学家的努力，而且需要研究政策层面的努力。“最终，这是一个优先事项，”他说。“这是我们第一次有机会对外星生命是否存在这个问题提供一个经验性的答案。找到这个答案将从根本上改变我们对世界的看法——这是一个我们不应该错过的机会。”