系外行星是我们最后的边界

几个星期前的午夜，我躺在温哥华岛西海岸一个偏僻的海滩上。高高在上，银河在天空中倾泻出一股星星的洪流，比我以前见过的更丰富的点彩画的荣耀。在那一刻，我们几乎不可避免地会觉得，在围绕银河系恒星运行的1000亿颗行星中，一定有一些孕育着生命。

它们的大气层可能有答案。在过去的20年里，天文学家已经在太阳系外发现了数千颗“系外行星”，并开始寻找可能表明生命存在的气体。系外行星生物特征的科学可能还处于起步阶段，但它将在未来十年蓬勃发展，而化学家将在这一探索中发挥至关重要的作用。

太空竞赛

在一颗正常恒星周围发现的第一颗系外行星，最初被命名为51 Pegasi b，最近更名为Dimidium，它肯定不像家。它的轨道非常接近它的恒星，是一颗“热木星”:巨大的，灼热的，被辐射炸裂。从那时起，美国宇航局的开普勒太空望远镜等仪器已经确认了3000多个其他外星世界，其中最常见的是“超级地球”，就像海王星和地球的混合体。

美国宇航局的凌日系外行星巡天卫星(TESS)和欧洲航天局的系外行星特征卫星(CHEOPS)等后续卫星将在未来几年内发射，在巨大的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)于2018年进入太空之前，增加系外行星的数量。

通过哈勃太空望远镜和地面望远镜，天文学家已经在各种系外行星的大气中看到了水蒸气、一氧化碳和钠气体。但是JWST将提供更全面的视角，研究穿过系外行星大气层的星光的红外光谱。美国麻省理工学院的天文学家萨拉·西格说:“这将是我们第一次能够详细研究大量系外行星的大气。”

JWST将努力从“地球双胞胎”(类太阳恒星周围有稀薄大气层的岩石行星)上收集大气测量数据，但它应该能够花一些时间观察较小的红矮星周围的这类行星。了解这些大气层的组成可以为行星的形成提供线索，以及它们是否也可能携带生命的迹象。

找出这些迹象可能是一项艰巨的任务。如果用一架光年外的望远镜研究地球的大气层，它可能会看到数千种由生物产生的不同气体。可以说，最强的生物特征是氧气，因为它占我们大气的21%——没有生命，几乎就没有——而且它有很强的、独特的吸收光谱。氧也是高活性的，所以它的存在意味着它在不断地被补充。

然而，在其他星球上，氧气可以通过纯化学过程产生，比如二氧化钛光催化分解水。确定这些“假阳性”是如何产生的是该领域的主要挑战。天文学家不只是需要一份潜在生物特征气体的清单;他们还需要识别许多不同气体的独特模式和它们的相对比例，这可能是生物活动的指纹。

2016年7月下旬，研究人员聚集在西雅图的Nasa研讨会上，开始研究这些问题。西格尔还在开发一份可能出现在系外行星大气中的气体的详尽目录。她说:“现在化学反应在其中发挥了巨大的作用。”

遥远的世界

首先，天文学家渴望获得他们可能看到的数千种可能气体的数据。他们需要知道系外行星大气中可能的反应路线，以及这些路线如何依赖于空气、陆地和海洋之间的化学相互作用;地球的温度;以及它的恒星发出的光谱。

化学家可以帮助他们了解，在每个行星的独特条件下，某些活性气体或有毒气体的存在是否仅仅否定了生命的可能性。他们可以建立模型，表明某些气体模式是否指示地质过程，或者大气指纹中的特定光谱间隙是否可以排除生物来源。

这需要科学家们共同努力，跨越各自领域之间的文化鸿沟。例如，与大气化学家研究我们自己的空气所获得的光谱相比，来自JWST的数据将非常粗糙，有很多噪音和较差的波长分辨率。除了对系外行星大气中各种气体的一瞥之外，它不太可能提供任何东西，也不会确定一个结结性的生物特征。

但通过证明这些研究是可能的，它可以为未来致力于研究系外行星的望远镜提供支持。如果化学家能够利用这些不完美的数据，开发模型和基于实验室的实验来检验关于遥远世界的假设，他们就能真正帮助探索化学的最后前沿。