NASA跨越学科，寻找地外生命

​系外行星

在地球之外寻找生命的过程，是创造力和创新的高潮。在过去二十年里发现了一颗系外行星的淘金热之后，现在是时候着手下一步了:确定已知的系外行星中哪些是适合生命的候选行星。

来自NASA和两所大学的科学家提出了新的结果致力于这项任务领域包括天体物理学、地球科学、太阳和行星科学——演示一个跨学科的方法是至关重要的寻找其他星球上的生命,在秋季的美国地球物理联盟会议12月13日,2017年,在新奥尔良,路易斯安那州。

“宇宙中潜在的可居住的地产已经大大扩展了，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体生物学家Giada Arney说。“我们现在知道数千颗系外行星，但我们所知道的是有限的，因为我们还不能直接看到它们。”

目前，科学家主要依靠间接方法来识别和研究系外行星;这样的方法可以告诉他们一个行星是否像地球，或者它离它的母恒星有多近。但这还不足以说明一颗行星是否真正适合居住，或者是否适合生命——为此，科学家们最终必须能够直接观测到系外行星。

​系外文明宜居带

直接成像仪器和任务设计正在进行中，但与此同时，Arney解释说，科学家们正在利用已经掌握的工具取得进展。他们正在建造计算模型来模拟适宜居住的行星的样子，以及它们如何与它们的母恒星相互作用。为了验证他们的模型，他们正在寻找太阳系内的行星，就像我们有朝一日发现的系外行星的类似物一样。当然，这包括地球本身——我们所知道的最好的行星，也是我们唯一知道的可居住的星球。

“在我们探索其他世界生命的过程中，科学家应该从整体的意义上考虑外行星——也就是从多个学科的角度来看，”Arney说。“我们需要这些多学科的研究来研究太阳系外行星，它们是由多个天体物理、行星和恒星过程所形成的复杂世界，而不是遥远的天空中的点。”

当人类开始收集太阳系外行星的第一个直接图像时，即使是最接近的图像也会显示为几个像素。我们能从仅仅一点点的像素中了解到行星的生命吗?

​强烈的太阳风

加州大学河滨分校(University of California,Riverside)的系外行星专家斯蒂芬·凯恩(Stephen Kane)在美国国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration)的深空气候观测站(DSCOVR)上使用美国宇航局的地球多色成像摄像机来回答这个问题。凯恩解释说，他和他的同事们采用了DSCOVR的高分辨率图像——通常用来记录地球的全球天气模式和其他与气候相关的事件——并将它们降级为仅仅几像素大小的图像。凯恩通过一个声音过滤器来运行DSCOVR图像，试图模拟来自外行星任务的干扰。

“从几个像素点，我们试图提取尽可能多的关于地球的信息，”Kane说。“如果我们能准确地做到这一点，我们就可以在其他恒星周围的行星上做到这一点。”

DSCOVR每半小时拍一张照片，它在轨道上运行了两年。它的3万多幅图像是迄今为止从存在的空间中最长的连续记录。观察地球的亮度变化的大部分土地是在视图与主要水相比,凯恩一直能够逆向工程地球的反照率,倾斜,旋转速度甚至季节性变化——这还没有被测量直接为系外行星——所有这些都有可能影响一个行星的支持生命的能力。

寻找其他的宜居行星

科学家们将地球作为适合居住的行星的研究方法，他们也使用太阳系内的行星——因此他们更熟悉的行星——作为研究行星不适宜居住的研究。

凯恩还研究了地球的姊妹行星金星，它的表面有850华氏度，大气中充满了硫酸——在地球表面的压力是地球的90倍。由于地球和金星的大小如此接近，而且在可居住性的前景上又如此不同，他对开发在其他行星系统中区分地球和金星类似物的方法很感兴趣，这是一种确定潜在宜居类地行星的方法。

​系外行星

凯恩解释说，他的工作是通过定义“金星带”，从NASA的开普勒(Kepler)的开普勒望远镜(Kepler)的数据中识别出金星类似物。“金星带”(Venus Zone)在大气侵蚀和温室气体循环中扮演着关键的角色。

“地球和金星的命运和他们的大气层是相互联系的，”Kane说。“通过寻找类似的行星，我们正试图了解它们的进化，最终发展出的行星最终会变成像金星一样的地狱景观。”

建模Star-Planet交互

当凯恩谈到行星的时候，戈达德太空科学家凯瑟琳·加西亚- sage专注于行星与他们的主星的相互作用。科学家还必须考虑一颗恒星的质量和一个行星的电磁环境——它可以保护它免受恶劣的恒星辐射——要么阻碍，要么帮助适居性。例如，地球的磁场保护大气不受恶劣的太阳风的影响，太阳源源不断的带电的太阳能材料，可以在一个叫做电离层逃逸的过程中去除大气中的气体。

garcia - sage描述了比邻星b(Proxima b)的研究，这颗系外行星距离地球4光年，已知存在于它的红矮星比邻星(Proxima Centauri)的宜居带内。但仅仅因为它位于宜居带——离恒星的正确距离——水可以在行星表面聚集——并不一定意味着它可以居住。

虽然科学家还不能确定Proxima b是否磁化，但他们可以利用计算模型来模拟地球磁场如何能保护太阳系外行星接近半人马座的近半人马座近半人马座的大气层，而这通常会产生剧烈的恒星风暴。这样的风暴对给定行星的空间环境的影响统称为“太空天气”。

“我们需要了解一个星球的太空天气环境，以了解一个行星是否适宜居住，”garcia - sage说。“如果恒星过于活跃，就会危及大气，这是提供液态水的必要条件。”但有一条很好的线索:有迹象表明，恒星的辐射可以产生生命的基石。

一颗红矮星——我们星系中最常见的一种恒星——当极端紫外线辐射电离大气气体时，产生了一大片带电粒子，沿着磁场线流入太空。

根据NASA钱德拉x射线天文台的观察，科学家们计算出了比邻星的平均辐射量。在Proxima b的轨道上，科学家们发现他们类似地球的行星遭遇了比地球大几百倍的极端紫外线辐射。

garcia - sage和她的同事设计了一个计算机模型，研究一个类似地球的行星——与地球的大气、磁场和重力——在Proxima b的轨道上是否可以保持它的大气层。他们研究了驱动电离层逃逸的三个因素:恒星辐射，中性大气层的温度，以及极地帽的大小，这是逃逸发生的区域。

科学家们指出，在可能存在于Proxima b的极端条件下，这个星球可能会在1亿年内损失相当于地球大气全部的量——只是近距离b的40亿年前的一小部分。即使在最好的情况下，也有大量的物质在20亿年的时间里逃逸，在地球的生命周期内。

火星，一个研究系外行星的实验室

当garcia - sage谈到磁化行星时，科罗拉多大学的行星科学家David Brain谈到火星——一个没有磁场的行星。

“火星是一个伟大的实验室，用来思考太阳系外行星，”Brain说。“我们可以利用火星来限制我们对各种岩石系外行星的思考，我们还没有观测到这些行星。”

研究使用了NASA火星大气和挥发性进化(MAVEN)的观测数据，以提出这样一个问题:如果火星围绕一种不同的恒星运行，那么火星将如何演化?这个答案提供了关于岩石行星如何在不同情况下发展不同的信息。

人们认为，火星曾经携带着水和大气层，这可能使它适合地球上的生命。但是，随着时间的推移，火星的大气层大部分都失去了大气层，通过多种化学和物理过程——MAVEN在2013年后期发射后，已经观测到了类似的大气损失。

一个MAVEN的共同调查员，和他的同事们应用MAVEN的观点来模拟一个类似火星的行星，它环绕着一个m级恒星——通常被称为红矮星。在这种假想的情况下，地球将接收到比真实的火星多5到10倍的紫外线辐射，这反过来又加速了大气的逃逸速度。他们的计算表明，地球大气层的带电粒子可能会减少三到五倍，而中性粒子则会减少五到十倍。

这样的大气损失速度表明，在一个安静的m级恒星的宜居带边缘，而不是我们的太阳运行，可能会使地球的宜居时间缩短约5到20倍。

“但我不会放弃对环绕M矮星的岩石行星的希望，”Brain说。我们选择了最坏的情况。火星是一个很小的行星，缺少磁场，所以太阳风可以更有效地去除它的大气层。我们还选择了一个没有地质活动的火星，所以没有大气层的内部来源。如果你改变了任何一个因素，这样的行星可能是一个更快乐的地方。

这些研究中的每一个都只对一个更大的谜团做出了贡献——以确定我们应该寻找什么特征，并需要认识到，在寻找一个可能支持生命的行星上。这样的跨学科研究在一起奠定了基础，以确保新的任务能够更清晰地观测到系外行星，我们将准备好确定它们是否只是生命。