外星生命跡象?JWST(應該)能找得到

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「生命起源」一直是熱門的研究議題。其中一種研究生命起源的方法,就是尋找其他天體中「接下來可能會產生生命」的跡象。近期發表的研究顯示,新升空的太空望遠鏡「JWST」有機會能幫上忙!

撰文|許世穎

要找什麼?早期生物表徵 (Prebiosignature)

「生命起源」一直是天文學家,甚至是全人類都好奇的熱門議題。為了瞭解地球究竟有什麼得天獨厚的條件,讓生命得以在這顆星球上出現,科學家在宇宙中不斷找尋其他可能有生命的天體。

水分子自然是一個很重要的關鍵,多年來,其他帶有液態水的行星一直是個重要的探索方向。在任何行星、衛星,或者其他天體中,水分子的探索始終占有一席之地。不過,科學家研究生命起源的方法不只有尋找水分子而已,還有著更多不同的方法。

其中一種研究生命起源的方法,就是尋找其他天體中的「早期生物表徵 (prebiosignature)」。想像一下,夏日午後,如果我們看到天空中的雲非常厚、顏色灰濛濛的,而且感覺空氣中濕氣非常重,心中應該會有「接下來可能會下大雨」的想法。雖然這些種種跡象不代表接下來肯定會下大雨,但可能性非常大。

這就是其中一種找尋外星生命的方法,不是直接去找到科技活動的跡象,也不是直接找到細胞等生化相關的直接證明,而是去找出「早期生物表徵」,也就是「接下來可能會產生生命」的跡象。

什麼樣的跡象稱得上是「早期生物表徵」呢?這個問題也沒有肯定的答案。就好像問泰國人和臺灣人做一道打拋豬需要什麼樣的食材,肯定會得到不同的答案一樣。

科學家提出了許多不同的生命起源模型,不同的模型需要不同的材料和條件來發展出生命。所以,其中一種「早期生物表徵」,就是這些材料的存在。幾個較為人知的模型中,這些材料包含:氰化氫 (HCN)、二氧化硫 (SO2)、硫化氫 (H2S)、一氧化碳 (CO)、氨 (NH3)、一氧化氮 (NO)、甲醛 (H2CO) 等。

 

從哪裡找?系外行星 (Exoplanet)

宇宙實在太大了,當中的天體多到數不清,而探究生命起源最主要的目標,就是和地球同樣層級的「行星」。行星並不是只有太陽系裡面才有,太陽系以外還有許多的恆星,也都有著自己的行星系統。這些太陽系以外的行星,稱為「系外行星 (exoplanet)」。

系外行星非常難觀測。行星自己不會發光,太陽系內的行星都是因為有著太陽光的反射,我們才能看到。不但如此,系外行星離我們地球太遙遠了,即便他們反射了恆星的光,在天上看起來一方面可能太暗,另一方面可能也會因為與恆星靠得太近而難以解析分辨。因此,探索系外行星通常得靠其他的方法。

其中最有效率的探測方法,稱為「掩星 (transit)」法。想像一下:如果有一隻蚊子飛過燈泡,那燈泡的亮光看上去會怎麼變化呢?如果燈泡和蚊子離得夠近的話,我們當然可以清楚地看到一隻蚊子從我們眼前飛過去。然而,如果燈泡和蚊子離得非常遙遠呢?雖然看不到蚊子,但是燈泡的亮光想必會稍微暗一點點,而這就是「掩星」的基本原理。行星會繞著恆星轉,當一顆行星繞到恆星和我們觀測的視線之間時,我們就能從細微的亮度變化中發現行星的存在(圖1)。

圖1:掩星法。上方展示繞轉恆星的系外行星,下方則是亮度的變化。只要行星越過恆星與我們之間,亮度就會些微下降|來源:NASA Ames

 

要怎麼找?透射光譜學

觀測系外行星大氣的核心技術稱為「透射光譜學 (transmission spectroscopy)」。這項技術建立在前文介紹的「掩星」法之上。「掩星」法的核心概念是:藉由恆星亮度週期性地下降,判斷出有行星在繞轉恆星。而「透射光譜學」則更進一步去分析這個下降的光長什麼樣子。

想像一下:一道太陽光射進窗戶,十分耀眼。如果窗戶貼了紅色玻璃紙,那我們看到的光就會是紅色;如果貼了綠色玻璃紙,我們看到的光就會變成綠色。也就是說,我們看到的光,可能會因為經過時所遇到的環境而改變,這個就是「透射光譜學」的原理。先觀測恆星的光,接著觀測系外行星經過恆星時的光,這兩道光的差異能進一步告訴我們,光所經過的系外行星大氣層成分(圖2)。

圖2:透射光譜學,中間是系外行星,繞轉左邊的恆星。恆星發射出來的光,在經過系外行星大氣層後會有所變化,在地球上的我們,則能藉由這些變化得知該系外行星大氣層的成分|來源:ESO/M. Kornmesser

 

要靠誰找?詹姆斯.韋伯太空望遠鏡(應該)可以

過去曾藉由哈伯太空望遠鏡 (Hubble Space Telescope, HST) 觀測到一些系外行星的大氣層 (Tsiaras, 2016;Southworth, 2017)。不過可惜的是,由於哈伯太空望遠鏡的設備限制,要從資料中解析出大氣層的成分非常困難。

不過好消息來了,新升空的JWST太空望遠鏡有機會改變這一切!

JWST全名為「詹姆斯.韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope)」,是2021年底發射的紅外線太空望遠鏡(圖3)。由於才剛發射不久,因此還需要許多研究來探索其能力。

圖3:詹姆斯.韋伯太空望遠鏡在太空中的想像圖|來源:NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

今 (2023) 年在《天文期刊 (Astronomical Journal)》上刊登了一篇由A. B. Claringbold為第一作者的論文 (Claringbold, 2023)。作者希望證明:我們能利用JWST的設備,搭配合適的分析方法,找出系外行星大氣層中的「早期生命表徵」。

作者在論文中先是建構了好幾種早期地球的可能樣貌,像是具有海洋與氫氣大氣層的「氫氣海洋世界 (Hycean world)」、具有火山噴發的「火山世界 (ultrareduced volcanic world )」、有外來天體撞擊的「早期撞擊世界 (post-impact world)」等。這些模型有著不同的大氣成分、行星半徑、行星質量等。接著,作者模擬上述這些行星在JWST觀測下會出現什麼樣的光譜,以及我們是否從中還原出正確的大氣成分。

最後作者發現,在大氣中充滿氫氣時,我們可以有效地利用JWST來找出代表早期生命表徵的化學分子。但如果大氣中氫氣較少,那就只有在某些特定條件下較有機會。

本篇論文提出了一套完整的分析方法,並證明了我們能靠JWST研究生命起源的可能性。科學的進展不一定是直接發現某些新東西,像需要本篇論文這樣證明可行性、建構分析方法等研究也非常重要。目前JWST已經開始進行科學觀測,期待不久的將來,我們就能聽到更多對於「生命起源」的進展。

 


參考文獻

  1. Claringbold, A. et al., 2023, “Prebiosignature Molecules Can Be Detected in Temperate Exoplanet Atmospheres with JWST”, AJ 166 39.
  2. Southworth, L. et al, 2017, AJ 153 191.
  3. Tsiaras, A. et al, 2016, ApJ 820 99.

📖 延伸閱讀:《韋伯太空望遠鏡 (James Webb Space Telescope)》、《探索外星生命(3)—尋找遠在他鄉的行星

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