外星人眼中的地球,會是什麼樣?|Physics World 專欄

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7.2

知識分子

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導 讀

外星人從星際空間中監視我們是科幻小說的一個經典套路。但是,正如本期Physics World專欄文章所述,如果我們能搞清楚外星人用望遠鏡觀察我們時會看到什麼,這將有助於我們在遙遠的類地行星上尋找生命。

撰文|James Romero

翻譯|趙金瑜

審校|馬超

責編|陳曉雪

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“在19世紀末期,沒有人相信這個世界正在被比人類更高階的智慧生命仔細而密切地觀察著”。

赫伯特·喬治·威爾斯於1897年所著的經典小說《世界大戰》就是這樣開始的。在這部小說中,可怕的火星人入侵了我們的星球。雖然這些生物在接觸到他們無法防禦的病原體後死亡,但外星人對地球虎視眈眈的觀念在科幻小說中非常常見。例如,在《童年的終結》一書中,亞瑟·克拉克所描述的外星人,在入侵併成為我們的領主之前,已經從星際空間祕密觀察了地球數百萬年的演變。

現實中,則是我們人類一直在尋找遙遠的世界。在過去的幾十年裡,天文學家已經發現了近5000顆繞著其他恆星執行的行星。隨著星際探索技術的不斷髮展,我們不僅僅滿足於發現和編目這些系外行星,我們還想了解它們的物理特徵。輔以藝術家對火山景觀或在波光粼粼的海洋上肆虐的風暴的描繪,這類作品讓我們對遙遠行星的感覺更加真實。

然而,儘管我們對新的太空任務進行了大量的投資——特別是詹姆斯-韋伯太空望遠鏡(JWST)——但在可預見的未來,針對可宜居類地行星的調查不太可能分辨出比光點更詳盡的細節。位於加州帕薩迪納的美國宇航局(NASA)噴氣推進實驗室的大氣科學家蔣紅濤表示:“在我看來,未來的50年甚至是100年裡,沒有人能夠建造一個強大到足以解析系外行星地表特徵的望遠鏡”。蔣紅濤的科學研究聚焦於將地球作為實驗室模型來模擬系外行星。

但是,我們如何才能從觀測影象上為數不多的畫素中識別出宜居的世界——甚至是生命本身的跡象呢?一種越來越受歡迎的方法是,讓我們自己成為星際窺探者,然後確定地球在外星天文學家眼中會是什麼樣子。 通過預測我們的星球在星際空間中的外觀,我們可以找出和宜居相關的、生物甚至高科技的蛛絲馬跡。 有了這些資訊,我們就可以扭轉局面,在星際間尋找外星生命。

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觀察外星世界的新手段

在這一探索中,有兩項技術將特別富有成效。一種是 透射光譜學 ,可被用來觀察穿過一顆系外行星大氣層的星光光譜。特定波長的光將被大氣中的氣體分子吸收,從而在光譜中留下特徵吸收譜線。這些吸收譜線形可以被當作一種化學指紋,用來尋找氧氣或臭氧等 “生物特徵訊號”。甚至可以用透射光譜來尋找 “技術特徵訊號”,如氯氟烴和二氧化氮,這些氣體是先進文明創造工業汙染物的證據。

不幸的是,天文學家目前還無法觀測到類日恆星周圍的類地系外行星的透射光譜,因為它們的大氣層非常稀薄。不過JWST和歐洲航天局的PLATO任務(將於2026年發射)應該能夠邁出第一步。這兩項任務的目標之一都是觀測體積較小的 “M型紅矮星”,這是我們銀河系中最常見的一類恆星。這些紅色的氣體球被許多可能孕育生命的系外行星所環繞——其中最著名的例子是包含七顆行星的TRAPPIST-1系統,其中的四顆被認為位於該恆星的宜居帶。

研究系外行星的另一項有前途的技術, 是通過捕捉從行星表面反射的光子來直接對其成像。 JWST可以做到這一點,NASA即將推出的南希-格雷斯-羅曼太空望遠鏡(以前簡稱為WFIRST)也可以做到這一點,該望遠鏡將於2020年代中期發射(譯者注:官方聲稱會在2027年5月之前發射)。NASA的另外兩項正在醞釀中的任務也將直接捕捉反射光:大型紫外光學紅外測量儀(LUVOIR)和宜居系外行星成像任務(HabEx)。這些規模巨集大的望遠鏡及其直接成像的潛力令人興奮。但是整個海洋、大陸、大氣甚至生物特徵仍將被凝縮為幾個模糊的畫素。

透射光譜方法也有其侷限性。美國馬里蘭州約翰霍普金斯大學的天文學家勞拉·馬約爾加表示:“經過(系外行星)大氣層過濾後的光線,是幾乎每個高度上發生的事件的組合”。因此,在最有可能存在生命的系外行星表面梳理大氣條件將是一件很棘手的事情。

系外行星上的雲層將讓透射光譜的分析變得更加困難。由於雲層不透明,它們會阻止光線穿透行星的大氣層,從而限制了可提取的成分資訊的數量。另外,當天文學家使用透射光譜資料來模擬系外行星的大氣層時,他們會受到另一事實的束縛:落在行星上的陽光量會變化,而這取決於恆星黑子和耀斑的數量。這種通常不可預測的電磁輻射水平可能會掩蓋一些有趣的訊號,或者對潛在的生物學特徵訊號產生誤報。

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你在觀察誰?

儘管存在這些挑戰,蔣紅濤和馬約爾加都相信,從這些被反射的光線和被過濾的光子中可以找到潛在的可宜居世界的證據——甚至是已有生命存在的世界的跡象。但是為了確保他們的系外行星生物特徵技術的確有效,他們首先要在地球上進行測試,因為地球是我們所知的唯一的確實包含生命的世界。然而,我們不能直接地前往數萬億公里外的另一個恆星系統,並且從那裡觀察我們的母星。

幸運的是,在2015年,蔣紅濤有了一個想法。NASA的深空氣候觀測站(DSCOVR)剛剛抵達距離地球150萬公里的L1拉格朗日點。DSCOVR旨在監測太空天氣,它一直面向地球的白晝面,並拍攝出了精美的高質量照片(圖1)。蔣考慮到,為什麼不利用這些影象來研究我們的地球在外星人眼中的樣子?

圖1我們眼中的地球和外星人眼中的地球。

清晰的地球影象並不像你想象的那樣常見。事實上,自2015年開始,在NASA發射深空氣候觀測站(DSCOVR)之後,我們才能夠在一個畫面中看到整個地球。這艘飛船在旋轉過程中一直將地球保持在其視野中,從而觀察大氣中的臭氧、植被、雲層高度和氣溶膠。圖a拍攝於2015年8月,這張圖片是DSCOVR能夠看到的典型影象。圖b與a是同一張圖片,但被加州大學河濱分校的斯蒂芬·凱恩及其同事縮小到只有25個畫素大小,表示外星人觀測員眼中的地球(arXiv:1511.03779)。後來,來自帕薩迪納NASA噴氣推進實驗室的蔣紅濤受到DSCOVR資料的啟發,想到可以從這些模糊的畫素中梳理出行星的表面細節。(圖源:S R Kane/arXiv:1511.03779)

他和加州理工學院的同事們首先對整整兩年的DSCOVR資料進行平均,創建出一個亮點的時間序列。隨後,蔣的團隊對資料進行了處理,改變了海洋、陸地和雲層的比例,從而創建出成千上萬個模擬的“外星地球”。接著,他們將每個假星球的資訊平均到一個畫素中,並將資料輸入神經網路。他們推斷,該網路應該能夠根據這些資訊進行自我訓練,這樣,在輸入地球的真實單一畫素時,它可以對這些資訊進行“逆向工程”並計算出地球的真實形貌。

這個想法奏效了,蔣紅濤的團隊成功地利用他們訓練過的演算法,找出了地球上一天24小時的重複特徵,以及雲層、大陸和海洋的特定模式(圖2)。之後,蔣紅濤轉向了一個更抽象的生物特徵—— “行星複雜性”。正如加州理工學院的天體生物學家斯圖爾特·巴特利特所建議的,可宜居行星上的生物、地質和氣象之間存在複雜的相互作用,應該使它們看起來比那些非宜居世界更加複雜。巴特利特認為,無論一個行星與地球有多相似,複雜性可能才是存在生命的普遍特徵。

圖2這就是我們看起來的樣子

天文學家們不僅熱衷於觀察系外行星,也想要了解那些遙遠的世界是否具有變化著的地質特徵或氣候系統,因為這可能是生命存在的跡象。然而,提取此類資訊非常困難,因為我們對這些系外行星的成像效果非常差,通常僅僅是一個光點。為了幫助解決這個問題,加州理工學院的蔣紅濤和他的同事們將NASA深空氣候觀測站在兩年內拍攝的大約10000張影象歸納為一個單點影象,顯示出地球在外星天文學家眼中可能是什麼樣子。接著,他們進行逆向研究,看看是否能夠重建地球上的真實特徵。這張圖片顯示了首批二維表面地圖之一,揭示了帶海岸線的地球大陸(中間是非洲)以及海洋的熟悉形狀。不同顏色表示表面反射率的區別。(圖源:Fan et al. 2019 ApJL 882 L1)

為了弄清這種複雜性是否真的可以在星際空間觀察到,蔣紅濤和巴特利特使用了一種被稱為 “Epsilon機器重建” 的統計技術——這是一種旨在計算複雜性的演算法。這種方法讓研究人員不僅可以根據DSCOVR資料計算模擬的 “外地球” 的統計複雜性,還可以計算來自NASA卡西尼任務資料中模擬的 “外木星” 的統計複雜性。他們能夠證明,統計複雜性確實是一個衡量行星特徵複雜性的有效方法。作為一個沒有生命但有劇烈風暴和650公里/小時風速的動態世界,外木星的案例將對巴特利特支援複雜性作為星際生物特徵的觀點提出嚴峻的考驗(Astron. J. 163 27)。但他的想法似乎已經通過了考驗:蔣紅濤的外地球比他的外木星 “更復雜” 50%。

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用月球來彌補

蔣紅濤的工作提出了一種在恆星中尋找生命的方法,同時還不必猜測其化學成分或假設外星人一定與我們相似。唯一的問題是,這項技術是基於DSCOVR的資料,其軌道位於地球和太陽之間。因此,這艘飛船永遠不會看到我們的地球在太陽面前經過,這意味著它無法幫助我們進行透射光譜研究。

值得慶幸的是,我們可以依靠我們的老朋友——月球,它在月食期間正好穿過地球的陰影。當這種情況發生時,月亮並沒有完全從視野中消失,而是將穿過地球大氣層抵達月球的太陽光反射回地球。“血月” 看起來非常的紅,到達我們眼裡的光就是我們星球自己的透射光譜。

地基望遠鏡已經記錄到了月食期間地球在光學和近紅外波長的透射光譜。但在2019年,由科羅拉多大學的艾里森·揚布拉德領導的團隊,從哈勃太空望遠鏡拍攝的月食資料中提取出了地球在紫外頻率下的透射光譜。收集這種型別的光線可以幫助識別可宜居的系外行星,因為它包含來自臭氧(O3)的訊號,而臭氧是氧氣(O2)化學反應的副產品。揚布拉德成功地從地球的透射光譜中找出了臭氧的特徵,為在系外行星上發現它鋪平了道路(Astron. J. 160 100)。

最近,馬約爾加提議發射一顆衛星,捕捉地球在太陽前方經過時的情況,這證明了我們對系外類地行星新檢視的日益增長的興趣。這顆衛星被稱為 “地球過境探測器”,軌道將位於JWST附近,幫助天文學家確定透射光譜在系外行星大氣層中的探測深度(Planet. Sci. J. 2 140)。該飛行器還可以確定,生物特徵是否會在遙遠行星較易取樣的高層大氣中留下痕跡。它甚至可以確定生物特徵訊號的強度是如何受到太陽風猛烈噴發或地球雲層條件變化的影響。馬約爾加指出:“這項任務將幫助我們為(未來系外行星專案)所需的儀器設定提供指導方針”。

另一位熱衷於收集關於地球新視角的天文學家是來自馬里蘭州NASA戈達德太空飛行中心的帕特里夏·博伊德,她已經制定了在月球表面安裝寬視場光學相機的計劃。該儀器被稱為EarthShine,它將測量來自地球的光線並將其平均為一個點,以便將該訊號與來自地球軌道衛星的實時資料進行比較。

月球上放置相機的最大優勢是,它將看到地球所有不同的階段——從薄薄的新月形到完整的圓盤——而DSCOVR只能看整個完全被照亮的行星。因此, 它的資料可以幫助天文學家將系外行星上類似的週期性變化與自然生物變化區分開來,類似於秋天的樹木變色或藻類的積累或 “爆發”。

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偏振:觀察系外行星的新角度

除了直接成像和光譜學,還有第三種分析系外行星光線的方法,即研究它的 偏振 。當光從一個表面上反射時,偏振會發生變化。較光滑的表面(如平靜的水面)通常在一個狹窄的偏振範圍內反射光波,而從較粗糙的表面(如岩石或植被)反射的光則以各種不同的角度出射。智利歐洲南方天文臺的邁克爾·斯特齊克領導的小組是最早用偏振光研究行星影象的團隊之一,他們研究了先從地球上反射出再從月球上反射回來的光線(Nature483 64)。

這項工作隨後啟發了荷蘭代爾夫特理工大學的研究人員,他們模擬了光如何從巖質系外行星上反射。代爾夫特理工大學的天體物理學家多拉·克林德茲克認為,冰、液態水、雪、雲甚至整個大陸都可能在偏振光上留下可探測的印記。事實上,克林德茲克正規劃在月球上放置一種儀器。這個信用卡大小的裝置被稱為LOUPE,它將為未來的系外行星望遠鏡(如LUVOIR)上的偏振測量儀器提供地球的基準訊號。LOUPE甚至可以安裝在軌道飛行器、著陸器或漫遊車上,以便在自轉、天氣模式演變和季節變化時持續收集地球反射的光線。

揚布拉德當然是這個專案的粉絲。她表示:“現在進行像LOUPE這樣的實驗很重要,因為直接給系外行星成像的望遠鏡還在設計之中”。儘管LOUPE只能捕捉線性偏振光,但荷蘭萊頓大學的一個研究團隊也盯著來自系外行星的圓偏振光。通過這些資料我們可以獲得更直接的外星生命的特徵,因為植物中存在螺旋形的綠色色素(葉綠體),它能反射出圓偏振的光。

萊頓大學的博士生威勒克·穆德正在幫助開發這項任務的儀器,她坦言:“主要的困難是如何從很遠的地方測量這些微弱的訊號”。由於存在那些顧慮,她的團隊先在瑞士阿爾卑斯山上空試飛了一個包含移動偏振計的原型儀器,以檢驗這個概念是否可行。在測試過程中,該裝置成功地區分了草地、森林和城市地區,甚至還探測到了光合作用的湖泊生物(Astron. Astrophys. 651 A68)。接下來,穆德希望將這項技術帶到國際空間站。

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一個腦洞大開的計劃

在尋找外星生命的過程中,有一個更瘋狂的想法,那就是將飛船送入太陽系的遠方,這個距離比冥王星到太陽的距離還要遠10倍。正如愛因斯坦在1936年首次計算的那樣,遠處的光線在經過太陽邊緣時會被它的引力場彎曲,最終匯聚到距離太陽約8億公里的焦點處。2017年,加州理工學院噴氣推進實驗室的三名研究人員(斯拉瓦·圖裡舍夫,邁克爾·邵和路易斯·弗裡德曼)意識到,如果能把成像儀器放在這個焦點處,這將會成為監測來自系外行星的遙遠光線的理想場所(圖3)。

圖3 邁向太陽引力透鏡

圖a:一個詳細研究系外行星的雄心勃勃的計劃是,將成像器放在距離太陽系很遙遠的地方,比冥王星到太陽的距離遠10倍。經過太陽邊緣的星光會被它的引力場彎曲,匯聚到離太陽約800億公里的地方。噴氣推進實驗室的斯拉瓦·圖裡舍夫、邁克爾·邵和路易斯·弗裡德曼認為,任何有關圍繞母星執行的行星的詳細資訊,都可以從落在成像儀上的遙遠的星光中獲取到。圖b:該專案被稱為太陽引力透鏡(SGL),將是一項巨大的工程挑戰,不太可能在短期內建成。不過這並沒有阻止圖裡舍夫及其同事模擬圍繞半人馬座(離我們太陽最近的恆星)的類地行星在SGL中的樣子。圖c:接著他們對模擬結果進行反捲積,從而獲得了遙遠星球的準確圖片 | 圖源:V Toth and S Turyshev 2021 Phys. Rev. D 103 124038)

他們的專案被稱為太陽引力透鏡(SGL),這將是一個巨大的工程挑戰。然而這個設施一旦建成,其結果將是驚人的。在這個位置上面向太陽放置一個直徑為1米的望遠鏡,其解析度將與太陽系其他地方的一個寬為9萬公里的鏡子相當。屆時對於系外行星,SGL所能記錄的將不再是單一畫素的光點,而是幾十公里寬的地表特徵,並能以相同的比例繪製大氣層的構成。風暴、山脈和其他特徵將變得清晰可見。

圖裡舍夫指出:“如果有一些不規則的結構,例如中國的長城,我們就會看到它”。他領導著一個由NASA資助的加州理工學院團隊,正在計算SGL的光學特性和任務要求(Phys. Rev. D 96 024008)。為了給該專案爭取支援,圖裡舍夫已經模擬了用SGL觀察遙遠的系外行星版本的地球時會呈現的景象。這些影象肯定會揭示出一個生物世界,甚至可能是一個高階文明的家園。

58歲的圖裡舍夫知道SGL不會在短期內建成。他開玩笑說:“在我100歲的時候,我應該能夠看到系外行星的照片”。但也許,通過利用太陽來聚焦光線的望遠鏡,以及從閃爍的系外行星光子中探測生命的神經網路,我們有朝一日會成為多年前赫伯特·喬治·威爾斯首次描述的星際觀察者。

作者簡介

James Romero是一位自由撰稿的科學作家,他尤其對行星科學感興趣。

▲本文為Physics World專欄的第55篇文章。

版權宣告 原文標題為 “Seeing the Earth through alien eyes: an extraterrestrial view of our planet ”,首發於2022年5月出版的Physics World,英國物理學會出版社授權《知識分子》翻譯。未經授權的翻譯是侵權行為,版權方將保留追究法律責任的權利。登陸Physics World,關注日常全球科學新聞、熱點報道和評論。Physics World幫助學界與產業界的研究人員走在世界重大科研突破與跨學科研究的前沿。

原文連結:

https://physicsworld.com/a/seeing-the-earth-through-alien-eyes-an-extraterrestrial-view-of-our-planet/

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James Romero 詹姆斯·羅梅羅

H G Wells 赫伯特·喬治·威爾斯

The War of the Worlds 《世界大戰》

Childhood’s End 《童年的終結》

Arthur C Clarke 亞瑟·克拉克

James Webb Space Telescope 詹姆斯-韋伯太空望遠鏡

Jonathan Jiang 蔣紅濤

transmission spectroscopy 透射光譜學

M-dwarf M型紅矮星

Nancy Grace Roman Space Telescope 南希-格雷斯-羅曼太空望遠鏡

Laura Mayorga 勞拉·馬約爾加

Deep Space Climate Observatory 深空氣候觀測站

Stephen Kane 斯蒂芬·凱恩

Stuart Bartlett 斯圖爾特·巴特利特

Allison Youngblood 艾里森·揚布拉德

Patricia Boyd 帕特里夏·博伊德

Michael Sterzik 邁克爾·斯特齊克

Dora Klindzic 多拉·克林德茲克

Willeke Mulder 威勒克·穆德

Slava Turyshev 斯拉瓦·圖裡舍夫

Michael Shao 邁克爾·邵

Louis Friedman 路易斯·弗裡德曼

製版編輯 | 薑絲鴨

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