外星人视角中的地球,什么是外星地球什么地球

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知识分子 X Physics World，带你走进英国媒体视角下的科学议题。

导 读

外星人从星际空间中监视我们是科幻小说的一个经典套路。但是，正如本期 Physics World 专栏文章所述，如果我们能搞清楚外星人用望远镜观察我们时会看到什么，这将有助于我们在遥远的类地行星上寻找生命。

撰文｜James Romero

翻译｜赵金瑜

审校｜马超

责编｜陈晓雪

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“在19世纪末期，没有人相信这个世界正在被比人类更高级的智慧生命仔细而密切地观察着”。

赫伯特·乔治·威尔斯于1897年所著的经典小说《世界大战》就是这样开始的。在这部小说中，可怕的火星人入侵了我们的星球。虽然这些生物在接触到他们无法防御的病原体后死亡，但外星人对地球虎视眈眈的观念在科幻小说中非常常见。例如，在《童年的终结》一书中，亚瑟·克拉克所描述的外星人，在入侵并成为我们的领主之前，已经从星际空间秘密观察了地球数百万年的演变。

现实中，则是我们人类一直在寻找遥远的世界。在过去的几十年里，天文学家已经发现了近5000颗绕着其他恒星运行的行星。随着星际探索技术的不断发展，我们不仅仅满足于发现和编目这些系外行星，我们还想了解它们的物理特征。辅以艺术家对火山景观或在波光粼粼的海洋上肆虐的风暴的描绘，这类作品让我们对遥远行星的感觉更加真实。

然而，尽管我们对新的太空任务进行了大量的投资——特别是詹姆斯-韦伯太空望远镜（JWST）——但在可预见的未来，针对可宜居类地行星的调查不太可能分辨出比光点更详尽的细节。位于加州帕萨迪纳的美国宇航局（NASA）喷气推进实验室的大气科学家蒋红涛表示：“在我看来，未来的50年甚至是100年里，没有人能够建造一个强大到足以解析系外行星地表特征的望远镜”。蒋红涛的科学研究聚焦于将地球作为实验室模型来模拟系外行星。

但是，我们如何才能从观测图像上为数不多的像素中识别出宜居的世界——甚至是生命本身的迹象呢？一种越来越受欢迎的方法是，让我们自己成为星际窥探者，然后确定地球在外星天文学家眼中会是什么样子。通过预测我们的星球在星际空间中的外观，我们可以找出和宜居相关的、生物甚至高科技的蛛丝马迹。有了这些信息，我们就可以扭转局面，在星际间寻找外星生命。

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观察外星世界的新手段

在这一探索中，有两项技术将特别富有成效。一种是透射光谱学，可被用来观察穿过一颗系外行星大气层的星光光谱。特定波长的光将被大气中的气体分子吸收，从而在光谱中留下特征吸收谱线。这些吸收谱线形可以被当作一种化学指纹，用来寻找氧气或臭氧等 “生物特征信号”。甚至可以用透射光谱来寻找 “技术特征信号”，如氯氟烃和二氧化氮，这些气体是先进文明创造工业污染物的证据。

不幸的是，天文学家目前还无法观测到类日恒星周围的类地系外行星的透射光谱，因为它们的大气层非常稀薄。不过JWST和欧洲航天局的PLATO任务（将于2026年发射）应该能够迈出第一步。这两项任务的目标之一都是观测体积较小的 “M型红矮星”，这是我们银河系中最常见的一类恒星。这些红色的气体球被许多可能孕育生命的系外行星所环绕——其中最著名的例子是包含七颗行星的TRAPPIST-1系统，其中的四颗被认为位于该恒星的宜居带。

研究系外行星的另一项有前途的技术，是通过捕捉从行星表面反射的光子来直接对其成像。JWST可以做到这一点，NASA即将推出的南希-格雷斯-罗曼太空望远镜（以前简称为WFIRST）也可以做到这一点，该望远镜将于2020年代中期发射（译者注：官方声称会在2027年5月之前发射）。NASA的另外两项正在酝酿中的任务也将直接捕捉反射光：大型紫外光学红外测量仪（LUVOIR）和宜居系外行星成像任务（HabEx）。这些规模宏大的望远镜及其直接成像的潜力令人兴奋。但是整个海洋、大陆、大气甚至生物特征仍将被凝缩为几个模糊的像素。

透射光谱方法也有其局限性。美国马里兰州约翰霍普金斯大学的天文学家劳拉·马约尔加表示：“经过（系外行星）大气层过滤后的光线，是几乎每个高度上发生的事件的组合”。因此，在最有可能存在生命的系外行星表面梳理大气条件将是一件很棘手的事情。

系外行星上的云层将让透射光谱的分析变得更加困难。由于云层不透明，它们会阻止光线穿透行星的大气层，从而限制了可提取的成分信息的数量。另外，当天文学家使用透射光谱数据来模拟系外行星的大气层时，他们会受到另一事实的束缚：落在行星上的阳光量会变化，而这取决于恒星黑子和耀斑的数量。这种通常不可预测的电磁辐射水平可能会掩盖一些有趣的信号，或者对潜在的生物学特征信号产生误报。

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你在观察谁？

尽管存在这些挑战，蒋红涛和马约尔加都相信，从这些被反射的光线和被过滤的光子中可以找到潜在的可宜居世界的证据——甚至是已有生命存在的世界的迹象。但是为了确保他们的系外行星生物特征技术的确有效，他们首先要在地球上进行测试，因为地球是我们所知的唯一的确实包含生命的世界。然而，我们不能直接地前往数万亿公里外的另一个恒星系统，并且从那里观察我们的母星。

幸运的是，在2015年，蒋红涛有了一个想法。NASA的深空气候观测站（DSCOVR）刚刚抵达距离地球150万公里的L1拉格朗日点。DSCOVR旨在监测太空天气，它一直面向地球的白昼面，并拍摄出了精美的高质量照片（图1）。蒋考虑到，为什么不利用这些图像来研究我们的地球在外星人眼中的样子？

图1 我们眼中的地球和外星人眼中的地球。

清晰的地球图像并不像你想象的那样常见。事实上，自2015年开始，在NASA发射深空气候观测站（DSCOVR）之后，我们才能够在一个画面中看到整个地球。这艘飞船在旋转过程中一直将地球保持在其视野中，从而观察大气中的臭氧、植被、云层高度和气溶胶。图a拍摄于2015年8月，这张图片是DSCOVR能够看到的典型图像。图b与a是同一张图片，但被加州大学河滨分校的斯蒂芬·凯恩及其同事缩小到只有25个像素大小，表示外星人观测员眼中的地球（arXiv:1511.03779）。后来，来自帕萨迪纳NASA喷气推进实验室的蒋红涛受到DSCOVR数据的启发，想到可以从这些模糊的像素中梳理出行星的表面细节。（图源：S R Kane/arXiv:1511.03779）

他和加州理工学院的同事们首先对整整两年的DSCOVR数据进行平均，创建出一个亮点的时间序列。随后，蒋的团队对数据进行了处理，改变了海洋、陆地和云层的比例，从而创建出成千上万个仿真的“外星地球”。接着，他们将每个假星球的信息平均到一个像素中，并将数据输入神经网络。他们推断，该网络应该能够根据这些信息进行自我训练，这样，在输入地球的真实单一像素时，它可以对这些信息进行“逆向工程”并计算出地球的真实形貌。

这个想法奏效了，蒋红涛的团队成功地利用他们训练过的算法，找出了地球上一天24小时的重复特征，以及云层、大陆和海洋的特定模式（图2）。之后，蒋红涛转向了一个更抽象的生物特征—— “行星复杂性”。正如加州理工学院的天体生物学家斯图尔特·巴特利特所建议的，可宜居行星上的生物、地质和气象之间存在复杂的相互作用，应该使它们看起来比那些非宜居世界更加复杂。巴特利特认为，无论一个行星与地球有多相似，复杂性可能才是存在生命的普遍特征。

图2 这就是我们看起来的样子

天文学家们不仅热衷于观察系外行星，也想要了解那些遥远的世界是否具有变化着的地质特征或气候系统，因为这可能是生命存在的迹象。然而，提取此类信息非常困难，因为我们对这些系外行星的成像效果非常差，通常仅仅是一个光点。为了帮助解决这个问题，加州理工学院的蒋红涛和他的同事们将NASA深空气候观测站在两年内拍摄的大约10000张图像归纳为一个单点图像，显示出地球在外星天文学家眼中可能是什么样子。接着，他们进行逆向研究，看看是否能够重建地球上的真实特征。这张图片显示了首批二维表面地图之一，揭示了带海岸线的地球大陆（中间是非洲）以及海洋的熟悉形状。不同颜色表示表面反射率的区别。（图源：Fan et al. 2019 ApJL 882 L1）

为了弄清这种复杂性是否真的可以在星际空间观察到，蒋红涛和巴特利特使用了一种被称为 “Epsilon机器重建” 的统计技术——这是一种旨在计算复杂性的算法。这种方法让研究人员不仅可以根据DSCOVR数据计算仿真的 “外地球” 的统计复杂性，还可以计算来自NASA卡西尼任务数据中仿真的 “外木星” 的统计复杂性。他们能够证明，统计复杂性确实是一个衡量行星特征复杂性的有效方法。作为一个没有生命但有剧烈风暴和650公里/小时风速的动态世界，外木星的案例将对巴特利特支持复杂性作为星际生物特征的观点提出严峻的考验（Astron. J. 163 27）。但他的想法似乎已经通过了考验：蒋红涛的外地球比他的外木星 “更复杂” 50%。

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用月球来弥补

蒋红涛的工作提出了一种在恒星中寻找生命的方法，同时还不必猜测其化学成分或假设外星人一定与我们相似。唯一的问题是，这项技术是基于DSCOVR的数据，其轨道位于地球和太阳之间。因此，这艘飞船永远不会看到我们的地球在太阳面前经过，这意味着它无法帮助我们进行透射光谱研究。

值得庆幸的是，我们可以依靠我们的老朋友——月球，它在月食期间正好穿过地球的阴影。当这种情况发生时，月亮并没有完全从视野中消失，而是将穿过地球大气层抵达月球的太阳光反射回地球。“血月” 看起来非常的红，到达我们眼里的光就是我们星球自己的透射光谱。

地基望远镜已经记录到了月食期间地球在光学和近红外波长的透射光谱。但在2019年，由科罗拉多大学的艾里森·扬布拉德领导的团队，从哈勃太空望远镜拍摄的月食数据中提取出了地球在紫外频率下的透射光谱。收集这种类型的光线可以帮助识别可宜居的系外行星，因为它包含来自臭氧（O3）的信号，而臭氧是氧气（O2）化学反应的副产品。扬布拉德成功地从地球的透射光谱中找出了臭氧的特征，为在系外行星上发现它铺平了道路（Astron. J. 160 100）。

最近，马约尔加提议发射一颗卫星，捕捉地球在太阳前方经过时的情况，这证明了我们对系外类地行星新视图的日益增长的兴趣。这颗卫星被称为 “地球过境探测器”，轨道将位于JWST附近，帮助天文学家确定透射光谱在系外行星大气层中的探测深度（Planet. Sci. J. 2 140）。该飞行器还可以确定，生物特征是否会在遥远行星较易取样的高层大气中留下痕迹。它甚至可以确定生物特征信号的强度是如何受到太阳风猛烈喷发或地球云层条件变化的影响。马约尔加指出：“这项任务将帮助我们为（未来系外行星项目）所需的仪器设置提供指导方针”。

另一位热衷于收集关于地球新视角的天文学家是来自马里兰州NASA戈达德太空飞行中心的帕特里夏·博伊德，她已经制定了在月球表面安装宽视场光学相机的计划。该仪器被称为EarthShine，它将测量来自地球的光线并将其平均为一个点，以便将该信号与来自地球轨道卫星的实时数据进行比较。

月球上放置相机的最大优势是，它将看到地球所有不同的阶段——从薄薄的新月形到完整的圆盘——而DSCOVR只能看整个完全被照亮的行星。因此，它的数据可以帮助天文学家将系外行星上类似的周期性变化与自然生物变化区分开来，类似于秋天的树木变色或藻类的积累或 “爆发”。

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偏振：观察系外行星的新角度

除了直接成像和光谱学，还有第三种分析系外行星光线的方法，即研究它的偏振。当光从一个表面上反射时，偏振会发生变化。较光滑的表面（如平静的水面）通常在一个狭窄的偏振范围内反射光波，而从较粗糙的表面（如岩石或植被）反射的光则以各种不同的角度出射。智利欧洲南方天文台的迈克尔·斯特齐克领导的小组是最早用偏振光研究行星图像的团队之一，他们研究了先从地球上反射出再从月球上反射回来的光线（Nature 483 64）。

这项工作随后启发了荷兰代尔夫特理工大学的研究人员，他们模拟了光如何从岩质系外行星上反射。代尔夫特理工大学的天体物理学家多拉·克林德兹克认为，冰、液态水、雪、云甚至整个大陆都可能在偏振光上留下可探测的印记。事实上，克林德兹克正规划在月球上放置一种仪器。这个信用卡大小的设备被称为LOUPE，它将为未来的系外行星望远镜（如LUVOIR）上的偏振测量仪器提供地球的基准信号。LOUPE甚至可以安装在轨道飞行器、着陆器或漫游车上，以便在自转、天气模式演变和季节变化时持续收集地球反射的光线。

扬布拉德当然是这个项目的粉丝。她表示：“现在进行像LOUPE这样的实验很重要，因为直接给系外行星成像的望远镜还在设计之中”。尽管LOUPE只能捕捉线性偏振光，但荷兰莱顿大学的一个研究团队也盯着来自系外行星的圆偏振光。通过这些数据我们可以获得更直接的外星生命的特征，因为植物中存在螺旋形的绿色色素（叶绿体），它能反射出圆偏振的光。

莱顿大学的博士生威勒克·穆德正在帮助开发这项任务的仪器，她坦言：“主要的困难是如何从很远的地方测量这些微弱的信号”。由于存在那些顾虑，她的团队先在瑞士阿尔卑斯山上空试飞了一个包含移动偏振计的原型仪器，以检验这个概念是否可行。在测试过程中，该设备成功地区分了草地、森林和城市地区，甚至还探测到了光合作用的湖泊生物（Astron. Astrophys. 651 A68）。接下来，穆德希望将这项技术带到国际空间站。

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一个脑洞大开的计划

在寻找外星生命的过程中，有一个更疯狂的想法，那就是将飞船送入太阳系的远方，这个距离比冥王星到太阳的距离还要远10倍。正如爱因斯坦在1936年首次计算的那样，远处的光线在经过太阳边缘时会被它的引力场弯曲，最终汇聚到距离太阳约8亿公里的焦点处。2017年，加州理工学院喷气推进实验室的三名研究人员（斯拉瓦·图里舍夫，迈克尔·邵和路易斯·弗里德曼）意识到，如果能把成像仪器放在这个焦点处，这将会成为监测来自系外行星的遥远光线的理想场所（图3）。

图3 迈向太阳引力透镜

图a：一个详细研究系外行星的雄心勃勃的计划是，将成像器放在距离太阳系很遥远的地方，比冥王星到太阳的距离远10倍。经过太阳边缘的星光会被它的引力场弯曲，汇聚到离太阳约800亿公里的地方。喷气推进实验室的斯拉瓦·图里舍夫、迈克尔·邵和路易斯·弗里德曼认为，任何有关围绕母星运行的行星的详细信息，都可以从落在成像仪上的遥远的星光中获取到。图b：该项目被称为太阳引力透镜（SGL），将是一项巨大的工程挑战，不太可能在短期内建成。不过这并没有阻止图里舍夫及其同事模拟围绕半人马座（离我们太阳最近的恒星）的类地行星在SGL中的样子。图c：接着他们对模拟结果进行反卷积，从而获得了遥远星球的准确图片 | 图源：V Toth and S Turyshev 2021 Phys. Rev. D 103 124038）

他们的项目被称为太阳引力透镜（SGL），这将是一个巨大的工程挑战。然而这个设施一旦建成，其结果将是惊人的。在这个位置上面向太阳放置一个直径为1米的望远镜，其分辨率将与太阳系其他地方的一个宽为9万公里的镜子相当。届时对于系外行星，SGL所能记录的将不再是单一像素的光点，而是几十公里宽的地表特征，并能以相同的比例绘制大气层的构成。风暴、山脉和其他特征将变得清晰可见。

图里舍夫指出：“如果有一些不规则的结构，例如中国的长城，我们就会看到它”。他领导着一个由NASA资助的加州理工学院团队，正在计算SGL的光学特性和任务要求（Phys. Rev. D 96 024008）。为了给该项目争取支持，图里舍夫已经模拟了用SGL观察遥远的系外行星版本的地球时会呈现的景象。这些图像肯定会揭示出一个生物世界，甚至可能是一个高级文明的家园。

58岁的图里舍夫知道SGL不会在短期内建成。他开玩笑说：“在我100岁的时候，我应该能够看到系外行星的照片”。但也许，通过利用太阳来聚焦光线的望远镜，以及从闪烁的系外行星光子中探测生命的神经网络，我们有朝一日会成为多年前赫伯特·乔治·威尔斯首次描述的星际观察者。

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作者简介

James Romero是一位自由撰稿的科学作家，他尤其对行星科学感兴趣。

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▲ 本文为 Physics World 专栏的第55篇文章。

版权声明 原文标题为 “Seeing the Earth through alien eyes: an extraterrestrial view of our planet ”，首发于2022年5月出版的Physics World，英国物理学会出版社授权《知识分子》翻译。未经授权的翻译是侵权行为，版权方将保留追究法律责任的权利。登陆Physics World，关注日常全球科学新闻、热点报道和评论。Physics World帮助学界与产业界的研究人员走在世界重大科研突破与跨学科研究的前沿。

原文链接：

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James Romero 詹姆斯·罗梅罗

H G Wells 赫伯特·乔治·威尔斯

The War of the Worlds 《世界大战》

Childhood’s End 《童年的终结》

Arthur C Clarke 亚瑟·克拉克

James Webb Space Telescope 詹姆斯-韦伯太空望远镜

Jonathan Jiang 蒋红涛

transmission spectroscopy 透射光谱学

M-dwarf M型红矮星

Nancy Grace Roman Space Telescope 南希-格雷斯-罗曼太空望远镜

Laura Mayorga 劳拉·马约尔加

Deep Space Climate Observatory 深空气候观测站

Stephen Kane 斯蒂芬·凯恩

Stuart Bartlett 斯图尔特·巴特利特

Allison Youngblood 艾里森·扬布拉德

Patricia Boyd 帕特里夏·博伊德

Michael Sterzik 迈克尔·斯特齐克

Dora Klindzic 多拉·克林德兹克

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Slava Turyshev 斯拉瓦·图里舍夫

Michael Shao 迈克尔·邵

Louis Friedman 路易斯·弗里德曼

制版编辑 | 姜丝鸭