互动科普

生命仍然是我们所知道的仅仅在地球上的一种现象。但是一种革新的空间望远镜通过检测在遥远的行星上的生命的信号可以改变那种看法。

我们不是独自生活在宇宙中这种可能性，几个世纪来使人着迷,在17世纪，伽利略用新发明的望远镜窥视夜空，辨认出了月球上的山脉，并且注意到其它行星像地球一样也是圆的。

大约60年后，其它的天文学家观察到在火星上的极冰盖，以及该行星上的颜色变化，他们认为那是随季节改变而发生的植被变化（现在已经知道那些颜色是尘暴的结果）。在本世纪的较后部分期间，无人驾驶太空飞行器上的照相机拍摄了火星的图像，在它的上面有一些由已经消失的长河切开的渠道，提供了生命曾经可能在那里存在的希望。但是在20世纪70年代通过“海盗”号着陆舱太空飞行器获得的火星土壤标本缺乏任何生命存在的物质证据。的确，在我们的太阳系中其它星球的现有条件，似乎一般是与像地球上发现的那样的生命不相协调的。

但是我们对地球外的生命的研究最近已经被扩大了——我们观在能够将注意力转到我们自己的太阳系之外的行星上。观察了3年以后，天文学家们已经找到了环绕三个遥远的类似于我们太阳的恒星旋转的行星的证据。围绕这些恒星与其它恒星的行星都可以演化活的有机体，发现地球外的生命似乎是一个艰巨的任务，但在下一个十年内，我们能够建造需要用来确定具有生命形式的行星的位置的设备，这些生命形式就像地球上原始的生命形式一样，现在最大的与功率最高的空间望远镜是哈勃望远镜，它恰好能够辨认火星上的山脉，清晰得足以显示其它恒星周围的行星的地理特征的照片需要用像美国那样大的空间望远镜组才能得到。而且，正如康奈尔大学的Carl Sagan所指出的，除了以很高的分辨率拍摄外，地球的照片不能揭示生命的存在。用被送人其它太阳系的太空飞行器可以获得精细的照片，但是地球与任何其它行星之间的巨大距离对于这种方法来说是一个明显的障碍——要花几千年的时候才能到达另一个太阳系并且送回有用的图片。

但是拍照不是开始研究遥远的行星的最好方法。天文学家们代之以依靠光谱学技术来获取他们的大部分信息。在光谱学中，可以分析来源于一个空间物体的光，以便确定有助于研究人员将诸如天体的温度，大气压力与化学组份综合在一起的特征。

最容易用光谱学发现的至关重要的标志是由外星人为星际通讯设计的无线电信号。这样的传送将完全不像自然现象，这些未预料到的特征是我们探测其它地方的智能生命所必须寻找的那种标志。但对遥远的恒星系统的灵敏的搜索还没有发现任何信号，仅仅表明决心要进行星际无线电通讯的外星人是罕见的。

但是行星也许是没有通讯的生命形式的家乡，所以我们必须能够找到甚至是最简单的有机体的证据。为了扩大我们探测遥远的行星与确定这些世界是否有被居住的可能性，我们打算建造一台功率强大的新式望远镜，它是伽利略望远镜的后继者，我们相信，它将使我们能够检测其它行星上的生命。

我们行星上的最简单的生命形式改变了地球上的环境，使遥远的观察者都能察觉到。化石记录表明，在地球形成后的10亿年内，小行星的沉重撞击一旦停止，如像细菌与藻类这样的有机体就扩展到地球的大部分地方，这些有机体是其后二十亿年间地球上的全部生命。所以，如果在其它行星上存在生命，它完全有可能属于这种非通讯联络的形式。

藻类与大气

地球上的低等蓝绿藻不能操纵无线电发射机，但它们是卓越的化学工程师。随着藻类的分布越来越广泛，它们开始将大量的氧添加到大气中。氧的产生对于以碳为基础的生命来说是十分重要的:最简单的有机体吸收水、氮与二氧化碳作为营养物，然后把氧作为废物释放到大气中。氧是一种在化学上易反应的气体;如果没有通过藻类以及在地球的演化的以后阶段中通过植物的连续补充，氧的浓度就会下降。因此，在一个行星的大气中，大量氧的存在是一些以碳为基础的生命形式可能在那里存在的第一标记。

氧在一个行星发射的辐射上留下一个明显的标志。例如，到达地球表面的一些阳光通过大气层被反射回到空间。在大气层中的氧吸收一些这样的辐射，从而，对地球进行观察的人利用光谱学研究反射的阳光就可以发现与氧有关的与众不同的特征。

在1980年，那时在斯托尼布鲁克的纽约州立大学的Toby C. Owen提出，在行星反射的可见红光中寻找氧的征象，作为在那里的生命的标志。更近一些，Sagan在1993年报告，伽利略空间探测器记录了在来自地球的可见光中的红色区内有氧的特征光谱。的确，至少过去5亿年来，生命存在的这种标记一直在发射一种可辨识的信号到空间。

当然，在没有生命的行星上，可能有一些氧的非生物来源。所以必须总是要调查这种可能性，此外，生命能够建立在不产生氧的其它某种化学组成和化学性质上，这一点和以碳为基础的生命不同。但是有力的使人信服的理由导致我们预料其它行星上的生命会有类似于我们自己那样的化学组成与性质。碳特别适于作为生命的建造材料:它在宇宙中的数量是丰富的，并且没有其它已知元素可以形成我们所知的生命所必需的无数复杂而稳定的分子。

寻找另一个地球

我们的富于水分的行星显然是适宜于生命的。水是将要发生的生命的生化反应的一种溶剂，并且起生命物质所需的氢的来源的作用。在大小与离它们的太阳的距离上相似于地球的行星是其它太阳系中以碳为基础的生命的似乎最可能的基地，这主要是因为液态水可能存在于这些世界上，一个行星离它的恒星的距离决定它的温度——即决定了它是太热或太冷而不适于液态水存在。

我们可以很容易地估计Goldilocks轨道——那些条件“刚好足以”产生与维持如像存在于地球上的生命的距离。对于一个其亮度25倍于我们的太阳的大而热的恒星来说，一个假设的类似地球的行星将大约处在木星环绕太阳旋转的距离上。对于一个其亮度为大阳的十分之一的小而冷的恒星来说，该行星的轨道将类似于水星的路径。但是如果一个行星的重力不能够维持住海洋和大气层，则适当的位置就没有多大意义了。如果到一个恒星的距离是需要考虑的唯一因素，地球的月球会有液态的水，但是重力取决于天体的大小与密度：因为月球的体积与密度都比地球小，因此它的重力也弱得多，可能发生在这样一种天体上或周围的任何水或大气层都会很快散失到空间。

相反地，一个具有强大重力的很大的行星，将从空间吸引气体。科学家们认为，木星就是以这种方式发生的，并且逐渐积累起一个氢与氦的巨大的外壳层。像我们所知的生命似乎不大可能存在像木星一样的巨大的气态行星上。

虽然我们对生命可能易接受的那种行星作了很具体的描述，但是发现环绕遥远的恒星旋转的任何天体都证明是困难的。目前检测这样的天体的最好的方法，不是着眼于行星本身，而是在它们的恒星上。天文学家们注意寻找只能以行星存在来解释的恒星轨道或光发射的轻微变化；不幸的是，对行星的间接观察向我们提供的关于它们的特征的信息很少。的确，所有间接的方法只能揭示天体的质量与位置，仍然不可能确定它是否载有居住者。

观看红外线

显然，我们需要一种不同的技术来揭示诸如在一颗行星上能发现什么化合物这样一些具体的特征。在前面我们已提到了来自一颗行星的可见辐射可以证实某些分子，特别是我们所知道的支持生命的氧的存在。但是辨识一颗小行星反射的光中微弱的氧信号会是十分困难的，即使这颗小行星是位于我们自己的太阳附近的一个恒星的周围也是如此；

例如，来自遥远的行星的太阳的辉光比该行星亮到100亿倍。所以寻找行星可能就也试图分辨在数千公里之外的探照灯附近的萤火虫一样复杂。即使我们能够分辨一个行星反射的光，可见光谱中的任何氧特征都是不明显的并且非常难于观测的。

面对这一难题，我们和在香港大学的Y. S. Chang—起提出:监测由一颗行星发射的中红外波长(比可见的红光波长长)是发现行星与寻找地球外的生命的一种较好的方法。这种类型的辐射——实际上是行星辐射的热——具有的波长比可见光的波长长10至20倍。在这些波长上一颗行星发射的许多光子——光的粒子——大约是它在较短波长上发射的光子的40倍，邻近的恒星比该行星“仅仅”亮一千万倍，这一比值比红光提供的更适宜1000倍。

而且，应该一起出现在被居住的行星上的3种化合物：臭氧(通常位于大气高层中的氧的一种形式）、二氧化碳与水——易于通过检查红外光谱所辨识。我们的太阳系对这种技术提供了有希望的保障:对局部行星的红外发射研究揭示，只有地球显示生命的特征。虽然地球、火星与金星都有含二氧化碳的大气层，但是只有地球显示具有丰富的水与臭氧的特征。

我们需要哪种望远镜才能确定类似地球的行里的位置与探测出它们的红外发射呢？今天的一些地基望远镜能够检测来自恒星的强大的红外辐射，但是我们的大气层与望远镜本身发出的热将完全淹没一颗行星的任何标志。甚至南极都远不是冷得足以使我们能够获得这样微弱的图象:望远镜必须被冷到至少-225℃。更麻烦的是，通过地球大气层的辐射将混有我们希望在另一个行星上发现的臭氧，二氧化碳与水的特征。显然，我们有理由认为，我们必须将望远镜移到太空中去。

尽管那样，为了区别行星的辐射与它的恒星的辐射，传统的望远镜必须比任何地基望远镜或迄今为止所建造的轨道望远镜大得多，因为光不能被聚焦到比它的波长小的点上。所以，来自天空中一个遥远的点上的光充其量也不过是能够被聚焦到被一个微弱的晕圈包围的模糊核心上，甚至一个完善的望远镜反射镜也不能形成完善的图象。如果在恒星周围的晕圈扩展到行星的轨道之外，那么我们就不能够辨别在它内面的行星的暗淡得多的天体。通过使一个望远镜反射镜及其所得到的图象很大，在原理上我们能够使一个恒星的图象和希望的一样清晰，但是达到这样高分辨率所需的设备的尺寸使这一项目不可能实现。

我们能够预测望远镜的性能，从而预先知道我们可以指望什么种类的图象质量。例如，为了监测比方说一颗30光年远的恒星周围的类似地球的行星的红外光谱，我们将需要一个直径接近60公尺的巨大的空间望远镜。利用现代技术制造这样一个仪器的成本将和国债的数目一样大。所以，甚至像我们自己这样的望远镜的热心研究者也认为这种装置的尺寸是大得吓人的。

重新考虑望远镜

为了研制尺寸更合理的望远镜，以便使我们能够找出小的，也许可居住的行星的位置，我们知道我们必须对我们的仪器作一些改进。一种有用的办法是23年前由斯坦福大学的Ronald N. Bracewell提出的。他说明了两个小的望远镜可以怎样适合于寻找类似于木星的大而冷的行星，建议的这种仪器包括两个隔开20米的1米直径的望远镜。单独使用各个望远镜只能得到模糊的照片，它从未使Bracewell能够分辨出行星的模糊图象。但是可以将两个装置安排在一起来观察遥远的世界。

如果Bracewell将两个望远镜聚焦在同一个恒星上，他设想他就能够将来自一个望远镜的光波反相，将波峰变为波谷，而波谷变为波峰。然后，他将反相的光与来自第二个望远镜的光相结合，因为第一个图象是第二个图象颠倒过来的，所以当Bracewell将两束光结合以致它们准确地重叠在一起时，来自恒星的光——中心部分与周围的晕圈——就会被消除，（当然，光不会消失，能量必须守恒。来自恒星的光会被转到望远镜的一个单独的部分）科学家们将这种类型的装置称为干涉仪，因为它通过应用光波的干涉揭示了光源的详细情况。

只有在恒星垂直于各个望远镜中心的连线时，Bracewell设计的干涉仪才能使一个恒星模糊不清。采用这样一种排列后，两个望远镜正好接受来自恒星的同一模式的光，如果我们用这个仪器搜索天空，当恒星进人该垂线与离开该垂线时，它们仿佛是若隐若现的。

但是，当一个恒星进入上述垂线位置时，这个恒星的行星——即使它与恒星的距离很小——将不能被该装置对中。两台望远镜记录行星信号的时间将有极小的差异，这样，来自行星的光波将不会相互抵消，如果我们消去了该恒星的图像后，光通过干涉仪闪耀，我们就知道，一些额外的红外辐射源——也许是一个行星——存在于该恒星的附近。我们绕着仪器与该恒星的连线转动干涉仪，就能够分析这种信号。当装置转动时，图象的亮度将会改变，行星则会显示一种可辨认的变化模式。

制订出这种干涉仪的设计后，Bracewell认识到，找到一个木星似的行星的主要障碍不是来自邻近恒星的太强的光，而是由我们的太阳系中尘埃粒子辐射的热，它被称为黄道带辉光。来自遥远的行星的微弱信号与背景眩光对照将几乎是觉察不到的。发现一颗行星的任何希望将需要至少一个月的平均数据，才能洞悉这种辉光背景。.

此外，当我们试图改进Bracewell的设计以搜寻其轨道更靠近太阳的比木星小的行星时，问题就出来了。干涉仪不能够完全消除星光——变暗的面积是相当小的，来自恒星的光总会沿边缘泄漏出来，并且当我们试图观看如像地球这样的极端模糊的与小的行星时，任何过度的光都是一个大的障碍。

为了克服这些限制，包括我们两个在内的许多研究人员一直在寻找替换用的方法.在1990年，我们中的一个(Angel)提出，将4个反射镜排成一个菱形就可以更好地消除星光，但是为了抑制黄道光的背景眩光，每个望远镜的直径必须达到8米。巴黎大学的Alain及其同事们接着提出了对这一困难的第一个切实可行的解决办法：他们建议将该装置放在大致相当于木星轨道的绕太阳的轨道中，这样就会将望远镜冷却到适当的温度并使黄道光中的背景眩光减至最少，由于背景眩光的减少，沿轨道旋转的干涉仪可以是比较小的。可以用4个直径小至1米的望远镜建造一台灵敏的仪器，但是，这种仪器有一个大的缺陷：因为它在消除星光上极为有效，所以这个装置有时也能隐蔽一个邻近的行星。

我们设计了一种干涉仪，它具有两对完全挑在一条直线上的反射镜。各对反射镜都使恒星的主象变暗，但是各对反射镜也将显著地减少其它反射镜对的星光漏失。

因为干涉仪很有效地消除了星光，结果能够使它相当长，大约50至75米。仪器的这种尺寸使它有一个重要的优点:具有这种安排时，来自行星的信号是复杂而独特的。通过适当的分析，我们能够用来自干涉仪的数据重建一个遥远太阳系的图象。因为我们预想绕轨道旋转的干涉仪，它会每天指向一颗不同的恒星，但是又能回到人们感兴趣的系统以作更广泛的观察。

如果这个干涉仪从一个邻近的恒星上朝向我们自己的太阳系，它就能够分辨出金星、地球、火星、木星与土星.，并且可以分析这些数据以确定各个行星的大气层的化学成份。这个装置从我们的太阳系中可以很容易地研究大熊座47号星周围的新发现的行星。更重要的是，这个干涉仪能够辨别我们用其它方法看不见的在別处的地球似的行星，并且这一装置能够检查所有——这些行星是否有二氧化碳，水与臭氧。

建造这样一个仪器将是一件意义重大的事情，也许是一个国际课题，它的许多细节还必须彻底硏究。我们估计，建议的这种干涉仪将耗资不到20亿美元，——大约是国家航空与航天局未来10年空间科学研究预算的10%。有理由认为，在另一个行星上发现生命也许是空间考察的登峰造极的成就。国家航空与航天局长Daniel S. Goldin说，“在别处发现生命，将会改变一切——人类的行为或思想无不被那个发现所改变。”

值得注意的是，有助于这一发现的技术就在我们手头。我们应该能够很快回答这个几个世纪的老问题：“宇宙中只是在地球上才有生命吗？”