生命的成分遍布整个宇宙。虽然地球是宇宙中唯一已知的有生命的地方，但探测地球以外的生命是现代天文学和行星科学的主要目标。
我们是研究系外行星和天体生物学的两位科学家。在很大程度上要归功于像詹姆斯韦伯这样的下一代望远镜，像我们这样的研究人员很快就能测量其他恒星周围行星大气的化学成分。希望这些行星中的一个或多个将具有生命的化学特征。
宜居的系外行星
生命可能存在于存在液态水的太阳系中——比如火星上的地下含水层或木星卫星欧罗巴的海洋中。然而，在这些地方寻找生命是非常困难的，因为它们很难到达，而且探测生命需要发送一个探测器来返回物理样本。
许多天文学家认为，在围绕其他恒星运行的行星上存在生命的可能性很大，而且有可能首先发现生命的地方。
理论计算表明，仅在银河系中就有大约3 亿颗潜在的宜居行星，而在距地球仅 30 光年的范围内，就有几颗地球大小的宜居行星——基本上是人类的银河系邻居。到目前为止，天文学家已经发现了 5,000 多颗系外行星，其中包括数百颗可能适合居住的行星，它们使用间接方法来测量行星如何影响附近的恒星。这些测量可以为天文学家提供有关系外行星质量和大小的信息，但仅此而已。
寻找生物特征
为了探测遥远行星上的生命，天体生物学家将研究与行星表面或大气层相互作用的星光。如果大气或地表被生命改变，光可能带有线索，称为生物印记。
在地球存在的前半段时间里，尽管它拥有简单的单细胞生命，但它的大气层却没有氧气。在这个早期时代，地球的生物特征非常微弱。24 亿年前，当一个新的藻类进化出来时，这种情况突然发生了变化。藻类利用光合作用产生游离氧——不与任何其他元素化学键合的氧。从那时起，地球充满氧气的大气层在穿过它的光上留下了强烈且易于检测的生物印记。
当光从材料表面反弹或穿过气体时，某些波长的光比其他波长更有可能留在气体或材料表面。这种对光波长的选择性捕获是物体具有不同颜色的原因。叶子是绿色的，因为叶绿素特别擅长吸收红色和蓝色波长的光。当光线照射到叶子上时，红色和蓝色波长被吸收，大部分绿色光会反射回您的眼睛。
缺失光的模式取决于与光相互作用的材料的特定成分。正因为如此，天文学家可以通过测量来自行星的光的特定颜色来了解系外行星大气或表面的成分。
这种方法可用于识别某些与生命相关的大气气体（例如氧气或甲烷）的存在，因为这些气体会在光线下留下非常具体的特征。它还可以用来检测行星表面的特殊颜色。例如，在地球上，用于光合作用的叶绿素和其他色素植物和藻类捕获特定波长的光。这些颜料会产生特征颜色，可以使用灵敏的红外相机检测到。如果你看到这种颜色从一颗遥远行星的表面反射出来，它可能意味着叶绿素的存在。
太空和地球上的望远镜
需要一个非常强大的望远镜来检测来自潜在宜居系外行星的光线的这些细微变化。目前，唯一能够实现这一壮举的望远镜是新的詹姆斯韦伯太空望远镜。当它于 2022 年 7 月开始科学运行时，詹姆斯韦伯阅读了气体巨行星系外行星 WASP-96b的光谱。光谱显示存在水和云，但像 WASP-96b 这样又大又热的行星不太可能存在生命。
然而，这一早期数据表明，詹姆斯韦伯能够在来自系外行星的光中检测到微弱的化学特征。在接下来的几个月里，韦伯将把它的镜子转向TRAPPIST-1e ，这是一颗距离地球仅 39 光年的潜在可居住地球大小的行星。
韦伯可以通过研究行星在它们的主恒星前经过并捕捉穿过行星大气层的星光来寻找生物特征。但韦伯并不是为寻找生命而设计的，所以望远镜只能检查几个最近的可能适合居住的世界。它也只能检测到大气中二氧化碳、甲烷和水蒸气含量的变化。虽然这些气体的某些组合可能暗示生命存在，但韦伯无法检测到未结合的氧的存在，这是生命的最强信号。
未来更强大的太空望远镜的主要概念包括阻挡行星主恒星的强光以揭示从行星反射回来的星光的计划。这个想法类似于用手挡住阳光以更好地看到远处的东西。未来的太空望远镜可以使用小型内部面罩或大型外部伞状航天器来做到这一点。一旦星光被阻挡，研究从行星反射回来的光就会变得容易得多。
目前还有三座巨大的地面望远镜正在建设中，它们将能够搜索生物特征：巨型麦哲伦望远镜、三十米望远镜和欧洲超大望远镜。每个望远镜都比地球上现有的望远镜强大得多，尽管地球大气层会扭曲星光，但这些望远镜可能能够探测最近世界的大气中的氧气。
是生物学还是地质学？
即使使用未来几十年最强大的望远镜，天体生物学家也只能探测到由生命完全改变的世界产生的强烈生物特征。
不幸的是，陆地生命释放的大多数气体也可以由非生物过程产生——牛和火山都会释放甲烷。 光合作用产生氧气，但当阳光将水分子分解成氧气和氢气时，它也会产生氧气。天文学家在寻找遥远生命时很有可能会发现一些误报。为了帮助排除误报，天文学家需要充分了解感兴趣的行星，以了解其地质或大气过程是否可以模拟生物特征。
下一代系外行星研究有可能通过证明生命存在所需的非凡证据的门槛。詹姆斯韦伯太空望远镜发布的第一批数据让我们对即将到来的激动人心的进展有所了解。 
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