外星生命跡象？JWST（應該）能找得到
「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）。
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）。
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。
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
- Claringbold, A. et al., 2023, “Prebiosignature Molecules Can Be Detected in Temperate Exoplanet Atmospheres with JWST”, AJ 166 39.
- Southworth, L. et al, 2017, AJ 153 191.
- 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》