发现外星生命的梦想找到了新的希望

Kaltenegger 的办公室装饰包括电钻、望远镜、拼图和同一办公室前任住户 Carl Sagan 的亲笔签名照片。

广达杂志的萨沙·马斯洛夫

她的首要任务——寻找外星生命——正在进入一个前所未有的阶段。除非诸如外星无线电广播之类的东西突然到来，大多数天文学家认为，我们在宇宙中遇到其他生命的最佳近期机会是探测生物特征气体——这些气体只能来自生命——漂浮在系外行星的大气层中。进行这种探测所必需的那种远程测量甚至已经使人类最先进的天文台的能力变得紧张。但随着詹姆斯韦伯太空望远镜 (JWST) 的头几个月的观测，这样的发现已经成为可能。

在接下来的几年里，这台巨大的太空望远镜将仔细检查少数被认为最有可能适合居住的岩石世界，其中可能包括新的 SPECULOOS-2c。至少，JWST 的研究应该辨别这些行星是否有大气层；他们还可能表明有些人正在滴下液态水。最乐观的是——如果生物圈很容易从类似地球的世界中绽放——望远镜可能会在其中一颗行星上探测到奇怪的比例，比如二氧化碳、氧气和甲烷。天文学家可能会非常想将这种混合物归因于外星生态系统的存在。

寻找生物特征将需要 Kaltenegger 和她的一小群同行从极少的光子中获得确定性。他们正在寻找的大气信号不仅很微弱，而且她和她的同事必须足够准确地模拟行星可能的星光、岩石和空气的相互作用，以确保除了生命之外没有任何东西可以解释特定大气气体的存在。任何此类分析都必须在 Scylla 和 Charybdis 之间进行导航，避免误报——生命存在但你错过了它——以及在没有生命的地方找到生命的误报。

弄错会带来后果。与大多数科学努力不同，寻找外星生命迹象的过程是在不可避免的聚光灯下进行的，并且是在一个任何科学家都在喊“生命！”的涡轮增压信息生态系统中进行的。扭曲了资金、注意力和公众信任的结构。 Kaltenegger 本人最近就这样的一集坐在了前排。

她这一代人面临着另一种压力，我本打算巧妙地摆出姿势，但在见到她一个小时后就脱口而出。她和她的同事在系外行星时代的黎明开始了他们的职业生涯。现在，他们正在竞相在死前发现生命。

行星梦想家

在 1995 年发现第一颗围绕类太阳恒星运行的系外行星——一颗气态巨行星——之后，几乎立即开始了对生物特征的现代搜索。行星狩猎很快变得紧张和竞争激烈，成为头条新闻。一些资深的天文学家怀疑，这个华丽的、资源匮乏的子领域能否提供远远超过对少数独特行星的一次性测量。麻省理工学院系外行星天文学家萨拉·西格说：“人们公开表示怀疑，有些人愤怒地反对它。”与此同时，志同道合的研究人员开始聚集在研讨会上，以探索开放天空中的新问题。 “我们从未对任何想法说不，”当时还是研究生的西格说。

当第一颗巨型系外行星的消息传出时，Kaltenegger 还是一名大学新生。她在奥地利的一个小镇长大，父母支持她对数学、物理和语言的兴趣。镇上的图书管理员非常了解她，他们会给她尚未分类的新书。 “一切皆有可能，”她谈到自己的成长经历时说。在格拉茨大学，她被对新世界的新探索所吸引。西格在 1997 年的一个暑期学校项目中遇到了 Kaltenegger，现在他称赞本科生加入一个仍然如此边缘和短暂的子领域的非凡勇气。 “能够在一开始就在那里——这不仅仅是巧合，”西格说。在 Kaltenegger 的本科学习结束时，她从欧盟获得了资助，并邀请自己进入加那利群岛特内里费岛天文台的一个空地。在那里，她度过了漫长的、喝着咖啡的夜晚，寻找系外行星，一边循环播放博士后的 Dire Straits 专辑，然后跌跌撞撞地走到外面，看太阳从熔岩布满的景观中升起。

与此同时，航天机构正在采取行动。 1996 年，美国宇航局局长丹·戈尔丁 (Dan Goldin) 公布了一项计划，该计划有效地从发现第一颗气态巨行星系外行星一直冲到终点区。他的计划要求建立大型太空观测站，被称为类地行星探测器，可以对外星地球进行详细的光谱测量，将它们的光分解成其成分颜色，以了解它们的化学成分。

更好的是，戈尔丁想要行星的真实照片。 1990 年，美国宇航局的航海者号探测器在萨根的要求下，从海王星轨道之外拍摄了一张家的照片，将我们整个生命、呼吸、脆弱的世界变成了一个悬浮在虚空中的淡蓝色圆点。如果我们能看到另一个淡蓝色的点在黑色中闪烁呢？

欧洲航天局制定了自己的地球双星探测、生命探测任务版本，称为达尔文。当时 24 岁的 Kaltenegger 申请了这项工作并得到了这份工作。 “我问自己：如果你生活在一个你可以弄清楚我们在宇宙中是否孤独的时代，我是否可以提供帮助？”她在康奈尔大学说，戴着一条象征着淡蓝色圆点的绿松石宝石项链，并在膝盖上平衡着一个茶杯。 “回顾我的生活，这可能是我想做的事。”她的任务是考虑任务的设计权衡和起草达尔文的望远镜舰队应该扫描行星的恒星清单；与此同时，她攻读博士学位。

但在 2000 年代，大型外星人狩猎望远镜的愿景在大西洋两岸都崩溃了。达尔文研究在 2007 年以失败告终。原因之一是 JWST 自己的开发进度缓慢，这耗尽了预算和注意力。另一个是科学怀疑：当时，天文学家不知道银河系的恒星中有多少部分有岩石行星，可能存在稳定的温带气候。

正如开普勒太空望远镜所揭示的那样，这一比例大约为五分之一，该望远镜于 2009 年发射并继续发现了数千颗系外行星。如果一个人被复活，一个类地行星探测器任务将有很多地方可以指出。

然而，自开普勒发射以来，务实的妥协导致天体生物学家的梦想更小，将他们的资源转移到一条更卑微的道路上。像达尔文这样的天文台本可以在一颗更亮的恒星旁边发现一颗岩石行星的信号——这通常与拍摄萤火虫在探照灯周围掠过的照片相比是一项挑战。但现在有另一种更便宜的方法。

西格和哈佛天文学家迪米塔尔·萨塞洛夫在 2000 年提出了另一种方法——即使来自行星和恒星的光混合在一起，也能嗅探到系外行星的大气层。首先，望远镜寻找“过境”的行星，从地球的角度看，它们在恒星前方穿过，这会导致星光略微减弱。这些过境信息丰富。在凌日过程中，恒星的光谱会出现新的颠簸和摆动，因为一些星光穿过行星周围的大气环，大气中的分子吸收特定频率的光。对光谱摆动的巧妙分析揭示了高海拔化学的原因。哈勃太空望远镜于 2002 年开始测试这项技术，在遥远的气态巨行星周围发现钠蒸气；与其他望远镜一起，它已经在几十个目标上重复了这个技巧。

现在宇宙只需要咳出一些合适的类地球世界来观察。

系外行星调查似乎在其他恒星周围遇到了大量过度烹饪的木星和尺寸过小的海王星，但在开普勒时代之前，具有液态水潜力的岩石行星仍然稀缺。到 2010 年代中期，开普勒已经证明地球大小的世界很常见。它甚至发现了一些可能适合居住的人在他们的恒星前过境，比如 Kaltenegger 为 Borucki 建模的一对。尽管如此，开普勒出现的具体例子对于后续研究来说太遥远了。与此同时，在 2016 年，天文学家发现离地球最近的恒星比邻星拥有一颗可能适合地球大小的宜居行星。但那颗行星并没有经过它的恒星。

2009 年，当时在哈佛并以自己的实力塑造该领域的 Kaltenegger 和合作者 Wesley Traub 增加了另一项资格。他们考虑了外星文明需要采取什么措施来探测地球上的生物特征气体——一个大气层相对紧密的行星，穿过一颗明亮的恒星。他们意识到像 JWST 这样的望远镜在每次凌日期间只能看到来自大气气体的微小信号，因此为了获得任何统计确定性，天文学家需要观察数十甚至数百次凌日，这需要数年时间。根据这一见解，天文学家开始在更暗、更冷的红矮星周围的近距离轨道上寻找地球，那里的大气信号将更少被星光淹没，凌日更频繁地重复。

宇宙来了。 2017 年，天文学家宣布在一颗名为 TRAPPIST-1 的红矮星周围发现了七颗岩石行星。然后在 9 月，SPECULOOS-2 系统作为备份出现。这些星星很接近。它们又暗又红。他们每个人都有多个过境的岩石行星。截至夏季，JWST 的启动和运行情况甚至好于预期。在接下来的五年里，它将花费相当大的一部分时间盯着这些杂乱无章的岩石和化学物质球体，这些球体围绕着它们奇怪的恒星旋转。对于像 Kaltenegger 这样的理论家，他们从对替代地球的白日梦转变为对其大气化学进行大量预测，几十年的预期已经让位于计算机显示器上波浪形光谱的缓慢淡入。

发光的外星人女士

两年多来，Kaltenegger 的办公室——与 Sagan 曾经工作过的办公室相同——被及时冻结。首先是大流行，然后是休假。 8 月，她回来了，手里拿着记号笔在白板上前进，查看一系列在《星际迷航》系列作家的房间里不会显得格格不入的想法。 （盖亚和SETI。黑暗的海洋。臭氧。陆地。浅海。铁？）“这是有趣的部分，”她说，突出了她已经发表的论文的主题。

Kaltenegger 在哈佛大学任职后，于 2015 年成为卡尔萨根研究所的创始主任，然后在海德堡经营她的第一个实验室。在海德堡期间的一天，康奈尔大学天文学系主任乔纳森·卢宁（ Jonathan Lunine ）发来一封电子邮件，询问她是否想谈谈重要的机会。 “我去，天哪，这是一个‘科学界的女性’活动。在某个时候，你收到的邀请太多了。”相反，卢宁打算聘请一位新教授。 Kaltenegger 回应说，她宁愿在以天体生物学为重点的跨学科研究所工作。所以在这里带一个，他建议。

Kaltenegger 的白板。

最近的一天早上，我们坐在离研究所不远的校园花园里，两旁种满了杜鹃花。斑驳的阳光洒下来，一只小鸟跳上树干，蝉鸣，割草机的嗡嗡声越来越近，又越来越远。这显然是一个有人居住的世界。

Kaltenegger 的交易存量在于想象力：既是天文学家在计划像 JWST 这样价值 100 亿美元的太空望远镜时所信任的那种，也是激发公众观众的更具诗意的那种。那么这个场景在她眼里是怎样的呢？

她抬头看了一眼。这些树有绿色的叶子，大多数已知的进行光合作用的生物也是如此。它们已经进化到利用我们的黄色太阳及其丰富的可见光辐射，使用能够捕捉蓝色和红色光子同时让绿色波长反弹走的颜料。但是较冷恒星周围的植物，更渴望光线，可能会呈现出更深的色调。 “在我的脑海中，如果我愿意，它会在花园里完全改变，我们坐在红太阳下，”她说。 “你周围和身后的一切都是紫色的，”包括树叶。

二十年来，由于她在 2000 年代初的达尔文任务工作中产生了一种挥之不去的怀疑，因此在 Kaltenegger 的思想中占据了巨大的恐怖谷版本的地球。

当时的目标是将岩石、温带行星的光谱与遥远的地球光谱进行比较，寻找明显的信号，例如由于广泛的光合作用而导致的氧气过剩。 Kaltenegger 的反对意见是，在地球存在的最初 20 亿年里，它的大气层没有氧气。然后，氧气又花了十亿年才达到高水平。这种生物特征的最高浓度不是在地球今天的光谱中，而是在白垩纪晚期的一个短暂窗口中，当时原始鸟类在天空中追逐巨型昆虫。

Kaltenegger 担心，如果没有一个关于地球自身光谱如何变化的良好理论模型，大型行星发现任务很容易错过一个与狭窄时间模板不匹配的生物世界。她需要将地球设想为随着时间演变的系外行星。为此，她改编了由地球科学家 James Kasting 开发的首批全球气候模型之一，其中仍然包含对 1970 年代磁带时代的参考。Kaltenegger 将此代码开发为定制工具，不仅可以分析地球随着时间的流逝，还有完全陌生的场景，它仍然是她实验室的主力。

我们在花园里聊天的第二天，我坐在 Kaltenegger 旁边的办公室里，看着博士后 Rebecca Payne 的肩膀，我们俩都眯着眼睛看着黑色背景上的一行字。 “如果我不选择黑色配色方案，到了一天结束时，我的眼睛都想从我的脑海中掉出来，”她说。

Payne 和她的同事向他们的软件提供有关行星的基本信息，例如它的半径和轨道距离，以及它的恒星的类型。然后，他们猜测它可能的大气成分，并运行他们的模型，看看这颗行星的大气会如何出现。当他们为 SPECULOOS-2c 执行此操作时，他们看到沐浴在虚拟星光中的虚拟化学物质通过模拟化学反应相互上升、下降和湮灭。想象中的气氛最终趋于平衡，软件弹出了一张桌子。佩恩在屏幕上拉了一个。她一排接一排地轻弹鼠标，显示出对新行星在不同高度的温度和化学成分的猜测。利用这些信息，她和她的同事可以识别 JWST 或其他仪器可能能够看到的特别丰富的化合物。

从地球穿越时间的研究开始，Kaltenegger 的许多论文都遵循相同的模式。她的诀窍是在她的理论手掌中收集我们对地球自身丰富性的了解，然后像篮球一样沿着不同的轴旋转它。如果我们及时倒带呢？如果外星地球有不同的地质情况会怎样？不一样的氛围？全海洋表面？如果它围绕着一个红色的太阳，或者一颗炽热的白矮星的煤渣，会怎样？

例如，在 2010 年，她发现如果在系外行星上发生类似事件，那么即将推出的 JWST 应该能够推断出火山喷发（如 1991 年菲律宾皮纳图博火山喷发）中气体的存在。或者它可以识别不是由地表和大气之间的碳循环（如地球上），而是由火山释放的硫磺统治的世界，然后被星光分解。当你试图识别生物特征气体时，这样的气候周期很重要，也因为它们是更大的行星物理学的一部分。与 Kaltenegger 在这些项目上合作的 Sasselov 说：“生物印记只是蛋糕上的樱桃，但基本上，有很多蛋糕可以吃。”

Kaltenegger 的生物特征目录包括来自亚利桑那州索诺兰沙漠的芽孢杆菌（左上）的测量结果；来自智利阿塔卡马沙漠的节杆菌；白杨树的汁液；和来自内华达州大苏打湖的Ectothiorhodospira 。

悉达多·赫格德/MPIA

除了她的大气建模之外，Kaltenegger 还花了过去十年在地球上搜寻，以组装一些天体生物学家的珍品柜：一个奇怪光谱的公共数据库。如果天文学家确实设法在系外行星光谱中发现异常摆动，她的数据库可以提供破译它的关键。

例如，在去黄石国家公园的一次旅行中，Kaltenegger 惊叹于热水池表面的多色微生物浮油。这导致她和同事在培养皿中培养了 137 种细菌，然后公布了它们的光谱。美国宇航局艾姆斯研究中心的合成生物学家、该项目的合作者林恩·罗斯柴尔德说：“彩虹中可能没有一种颜色是你现在在地球上找不到的。”受另一位同事在北极钻探冰芯工作的启发，Kaltenegger 的小组分离出 80 种类似于冰行星上可能进化的嗜冷微生物，并于今年 3 月发布了这些光谱的参考数据库。

其他世界 可能是生物荧光的。在地球上，像珊瑚这样的生物荧光生物通过吸收紫外线并将其重新发射为可见光来保护自己免受紫外线伤害。鉴于像 TRAPPIST-1 这样的红矮星系统中的行星沐浴在紫外线辐射中，Kaltenegger 认为那里的外星生命可能会演化出类似的过程。 （她后来被称为“那位发光的外星女士”。）她还计划获得一系列代表可能的熔岩世界的光谱；一位地球科学家同事和一位新来的博士后将很快开始熔化岩石。

随着她的出版物列表的增加，Kaltenegger 经历了一位新星女科学家的机会和屈辱。有一次，当她在夏威夷拍摄一部寻找生命的 IMAX 短片时，制片人给她穿上短裤，以符合他们对科学家的概念，即劳拉·邓恩 (Laura Dern) 饰演的侏罗纪公园角色；然后这个决定需要更多的化妆品来覆盖所有的蚊虫叮咬。

合作者说，在一个被迫分享有限望远镜时间的紧密领域内，她是一个热情洋溢、温暖人心的存在。她说话时手指在空气中穿梭；句子和故事往往会引发大笑。 “她在每一条短信上都给我签名‘拥抱’，”罗斯柴尔德说。 “我没有其他同事这样做。”

地图上的第一个点

第一个生物印记将是微小的、模棱两可的信号，受到敌对的解释。事实上，一些说法已经出现。

最相关的案例研究在 2020 年秋季震撼了天文学界。包括 Seager 在内的一个团队宣布，他们在金星的上层大气中发现了一种不寻常的化合物，称为磷化氢，这是一个闷热、酸洗的行星，通常被认为是无菌的。在地球上，磷化氢通常由微生物产生。虽然一些非生物过程也可以在某些条件下制造这种化合物，但该团队的分析表明这些过程不太可能发生在金星上。在他们看来，这留下了微小的漂浮金星生物作为一个合理的解释。 “金星上的生命？”纽约时报的头条想知道。

外部团体形成了对立的阵营。一些专家，包括华盛顿大学的系外行星大气建模师Victoria Meadows ，他使用了与 Kaltenegger 相似的方法，重新分析了金星的数据，并得出结论认为磷化氢信号只是海市蜃楼：化学物质甚至不存在。其他人，包括康奈尔大学的 Lunine，认为即使存在磷化氢，它实际上也可能来自地质来源。

Kaltenegger 认为这些批评是有效的。在她看来，磷化氢事件凸显了科学与科学资助之间的反馈循环，这也可能会纠缠未来的候选生物特征。在磷化氢宣布时，美国宇航局正处于在四个小型太阳系任务之间进行选择的最后阶段，其中两个是金星方向的。到次年夏天，美国宇航局宣布这两个人被选中飞行。磷化氢研究“是让金星任务获批的好方法，”Kaltenegger 笑着说。 “这就是讽刺。” （磷化氢研究的主要作者简·格里夫斯（Jane Greaves）表示，她的团队没有考虑任务选择过程，论文的时间安排纯属巧合。）

寻找系外行星生物特征的下一阶段取决于 JWST 对 TRAPPIST-1 行星的揭示。在他们的天空中看到实际的生物特征可能是不可能的。但望远镜可以以地球和金星模型预测的比例检测二氧化碳和水蒸气。这将证实建模者对银河系中哪些地球化学循环很重要，以及哪些世界可能真正适合居住有很好的把握。看到更意想不到的东西将有助于研究人员纠正他们的模型。

一个更严峻的可能性是这些行星根本没有大气层。众所周知，像 TRAPPIST-1 这样的红矮星会发出太阳耀斑，除了裸露的岩石外，一切都可以被剥离。 （Kaltenegger 对此表示怀疑，认为行星的气体排放应该不断补充它们的天空。）

到本世纪下半叶，来自多个行星凌日的数据将会堆积起来，足以让天文学家不仅在这些星球上寻找化学物质，而且还可以研究给定的分子是如何随着季节的变化而起起落落的。到那时，补充观察可以添加到数据中。从 2027 年开始，几个新的、惊人的大型天文台计划向宇宙开放盆地大小的镜子，其中包括最大的望远镜，智利的超大望远镜。这些望远镜将比 JWST 对不同波长的光敏感，探测一组替代的光谱特征，它们还应该能够研究凌日之外的行星。

所有这些仪器仍然没有达到生物特征猎人真正想要的东西，他们一直想要的东西：那些巨大的太空类地行星探测器之一。今年早些时候，当美国国家科学院发布了一份名为“十年调查”的有影响力的议程设置报告时，该报告总结了天文学界对美国宇航局应该优先考虑什么的想法，他们实际上将对该问题的重大推动推迟到了 2030 年代。

“我一直在想：如果不是我们呢？”卡尔滕格说。 “如果不是我们这一代呢？”基于真正的下一代行星搜寻望远镜最快可以飞行，她认为领导这样一项任务的最有可能的候选人现在可能正在读研究生。

再说一次，她的早期系外行星科学家团队一直都是梦想家，她说。科学一直是代际活动。

她坐在萨根的办公室里，勾勒出一个特定的场景。一个遥远未来的航海者走上像进取号这样即将离去的宇宙飞船的桥，准备前往一个新的世界。 Kaltenegger 确信她自己不会在船上，但是，她说，“在我看来，我用这张旧星图看到了他们。”古色古香的地图将标出候选活行星的位置。它可能已经过时了，只是出于感性的原因而带来的。 “但我想成为把第一个点放在这张地图上的人。”