科学家如何搜寻外星人？

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为了搜索宜居地球，我们用了两期科普推文，知道了天文学家如何一步步缩小搜索范围——先从浩如烟海的星空中找到系外行星，再从这些系外行星中筛选出类地行星，再在类地行星中遴选出宜居行星。


系外行星＞类地行星＞宜居行星——三部曲的节奏
费尽辛苦搜索宜居地球，当然这不是最终目的。
我们知道，宜居地球的定义还很粗线条。拿太阳系为例，宜居带的范围圈定在0.84AU～1.7AU，金星、地球、火星都处在太阳的宜居带里。但是众所周知，金星、火星到目前为止还没发现任何生命迹象。这就是说，处在宜居带上的宜居行星，可不都是真的存在生命。
能够诞生／存在生命的宜居行星，条件还是很苛刻的，生命的门槛——那是相当得高！
要想说清楚生命诞生的条件，前提条件就是先搞清楚「什么是生命」？

从变形虫到特朗普，从知更鸟到你我他，如此大跨度，都属于生命，而对生命的最简单定义：能够借助自然选择实现繁殖和进化的有机体。我们把含碳的分子统称为有机分子，所以说地球上的所有生命都是碳基的，也就是碳基生命。
此处可能有人会问：为什么碳元素如此重要？而不是氧元素或者硅元素呢？为什么地球生命不是非碳基生命，比如是硅基生命、羟基生命呢？……这是一大坨相当重要而且有趣的命题，我们留着下期再说吧。
回到本期的核心问题上。既然我们知道了什么是生命，那么就应该能得出——生命对环境的要求是什么？
换句话说，我们要想在广袤宇宙中，找到外星人或者适合人类生存的星球，就必须先明确让生命生存的环境条件是什么？问题来了——

①构成生命基本元素是什么？

地球上天然存在的92中化学元素中，构成生命体基本元素的只有25种，其中氧、碳、氢、氮四种元素，就占了生物活体总质量的96%。
②哪里才能找到这些基本元素？

我们知道，所有恒星时时刻刻都在释放着氢、氦，除了这两种轻元素之外，其他重元素碳、氧、氖、镁、矽，直到铁元素，都在恒星内部一层层的聚变反应中被制造出来了。至于更重的元素，还会在恒星最后的蜕变——超新星爆发当中生成。

包括人类在内，我们所有的已知生命，其实都是由星尘构成的——这句话一点不忽悠。
事实上，每个恒星系统都存在构成生命所需要的的化学元素。
除了需要构成基元分子的资源之外，生命还需要能量资源来维持新陈代谢。这就引出了第三个问题：
③哪里能找到生命所需的能量？

我们知道，地球生命需要能量是多种多样的，有的直接从阳光中获得——光合作用，有的通过消化有机分子获得能量——吃掉光合作用的生物体，还有的通过跟铁、硫、氢等无机化合物发生化学反应来获得——深海里的极端微生物。

▲仅仅1.7毫米的水熊虫，竟然是第一种人类已知能够在太空中生存的动物。
④生命需要液态水吗？

除了有机构成基元、获得能量之外，液态水也是地球生命一个基本构成要素。

为什么生命离不开水？
它至少有三个非常重要的功能：
1.水能溶解有机分子，使得有机分子能够参与生命细胞的化学反应；
2.水能够对化学物质进进出出细胞，起到运输作用；
3.水直接参与细胞内的很多新陈代谢。

有人可能又要较真儿了，换成其他液体不行吗？其实，生物学家早就想到了，甚至也做过实验。比如液态氨、液态甲烷、液态乙烷，甚至液体石油、液态岩浆都研究过了，全都无法支撑生命存活。
以上我们说了，生命对环境的4种条件要求——

①要有构成生命的基本元素；
②要有构建这些基本元素的行星资源；
③行星必须处于宜居带，拥有维持生命的能量资源；
④必须要有液态水。

事实上，这4种条件属于递进关系，如果一颗类地行星能够存在液态水，那么前面三种条件也就必然得到满足了。

寻找存在液态水的类地行星，这是成为人类搜索宜居地球和外星人的关键！
此处我要说明的是，（以防有人又要较真儿，呵呵）我们对生命的所有认知，都来自于对地球生命的研究。换个角度看，我们对宜居地球的探讨，很可能是建立在一种狭隘的生命观上的，进而，我们对宜居条件给出的判别标准也可能过于狭隘。我也认为，大自然或者整个宇宙的创造性，很可能出乎想象！问题是，至今我们尚未发现或者未被确认。所以呢，我在这里只能跟大家探讨科学共同体已经确认的认知。毕竟我们是在科普，不是科幻。
好了，既然我们已经知道了液态水对生命的头等重要性，那么只要找到那些存在液态水的行星就OK了。
关键就在这儿，人类尚且飞不出地月系、人类探测器也飞不出太阳系的现有条件下，怎样才能探测动辄就是数十上百光年之外的行星上，到底有啥呢？液态水、大气层、奇异生物……如何知道有没有呢？

毫不夸张地说，光——人类探索宇宙的唯一利器。我们手里只有望远镜，只能依靠各种望远镜，才能探个究竟。
而且，也不是像有些人想象的那样——利用最好的望远镜能够观测到系外行星的清晰图像，就跟我们使用牛顿式望远镜能够观察月球环形山似的——事实上，那是不可能的。
即使是全世界最强大的地面望远镜、太空望远镜，聚焦到一颗行星上，也无法拍出一张清晰的星球来。

▲这就是今年轰动一时的重大发现——人类首次发现7颗类地行星、3颗处于宜居带的Trappist-1系统——NASA公布的真实影像。
40光年之外的恒星系，真面目竟然是一堆马赛克。
别说宜居地球了，就连母恒星本尊都拍得那么模糊。
知道了吧，这就是天文观测的事实。你还能期望发现宜居地球上的海洋世界、奇异生物吗？
那么问题来了，天文学家是如何搜寻宜居行星有没有生命的呢？
还是利用人类手头上的探索利器——光！
天文学家先是动用强大的望远镜，观测到这些行星的光谱，然后进行光谱分析。

提起光谱分析，不妨从最简单最有趣的棱镜现象开始。

所有光线都可以通过棱镜后分解成各种颜色的彩色光带，这些光带看起来就像是彩色的条形码，只不过是非卖品。
它就像是光线的身份证一样，每一种化学元素都相应对应着自己的条形码。总之，每一个天体透过光谱分析，都会显示独一无二的光谱身份证。这样的话，天文学家就可以揭示这些天体的秘密。

▲天文学家就是利用这种光谱身份证，搜索／筛选／找到各种类地行星、宜居行星、海洋行星的。
背后的逻辑关系是这样的——通过光谱分析，我们可以研究行星大气里气体的吸收或者发射特征。如果存在二氧化碳、臭氧、甲烷、水蒸气在内的气体，就会透过光谱身份证被检测出来。
尽管因为这些气体的存在，并不能直接表明生命的存在，但因为它们精确的丰度、组合差异，就能够为生命是否存在提供有力证据。

▲比如说，如果检测到这颗行星存在很高的氧，又因为这是光合作用的产物，所以我们就有理由猜想，这颗行星很可能存在生命。
同样，这一推论对甲烷气体也成立。早在地球生命进化最初的1亿年，地球大气的标志性气体是甲烷，因为微生物通过代谢过程排出的是甲烷而不是氧气，植物大规模进行光合作用释放氧气，那时之后的事儿。所以，这就意味着——如果检测到一颗行星大气存在较高的甲烷，我们就有理由猜想，这颗行星很可能存在原始生命。

我们不妨设想一下，在宇宙遥远的某个地方，只要通过足够大望远镜就会发现我们地球，并且测出地球反射光的光谱，也就可以发现地球上生命的存在。同理，我们也可以通过同样路径，探测其他行星是否存在着生命。
也许未来某个时间点，天文学家通过光谱分析，有幸发现某个宜居地球上存在丰富的甲烷或者氧气，为人类创世纪地找到外星人提供有力证据。

yinfeifei

非常喜爱这类科普文章，期待下一篇

chaojiwantong

题图水熊虫？

icihdlfgxf

对，厌氧生物。神奇的造物。

mxptmrh

会不会找错了，不应该是找生命，而是找意识，意识的存在多种多样