基于“光谱红边”探测系外行星上的植物生命

我们在宇宙中是孤独的吗？这是自人类文明诞生以来最古老的天问。几千年来，每当人们把目光转向星空，总会幻想宇宙中是否还有生命存在？如果与地球上不一样，那该是以怎样的形式存在？在有生之年我们能否找到他们？

自1995年第一颗系外行星被探测到以来，寻找系外生命这一天体生物学科的基础齿轮就已开始转动起来。但是宇宙浩繁，据估计，可观测宇宙内的恒星数量大概是在10^22到10^24之间，这个数量比地球上的沙粒数量还多。如果我们粗略地将每一粒沙粒对等于每一颗系外行星，在这恒河沙数的目标里，我们该以怎样的策略寻找这些可能具有生命的行星，以及探测上面的生命迹象？

目前给出的答案是，首先以地球为范本寻找类地行星，然后在类地行星上寻找生命存在的迹象。尽管这种策略可能是狭隘的，但从缩小样本提高探测效率出发，这依然是目前生命搜寻的主要策略。

那么我们该如何探测类地行星上生命迹象呢？首先，由于系外行星离我们太过遥远，以人类目前的技术能力无法登上系外行星直接观察，也很难获取行星表面高清照片来目视判断是否有生命存在。鉴于目前天文观测技术手段主要只有两类——成像（直接拍摄天体照片）和光谱（天体发射、反射/散射光的颜色分布），在成像没法解决问题的前提下，我们只能依靠光谱（即光的颜色信息）这一间接手段来探测类地行星上的生命迹象。

天体生物学家提出的系外行星生命信号可主要分为如图1所示三种类型：气态生命信号、行星表面生命信号及时域生命信号。其中，气态生命信号关注生命活动在行星大气中的产物，如，植物光合作用产生氧气，但一些与生命无关的光化学过程同样也会有这类产物，也就是基于这种信号类型的生命探测可能存在“假阳性”。行星表面生命信号一般是指行星表面生命体（如，大规模植被）及生命体产物（如，城市群）等对反射光谱调制，从而引入生命相关光谱特征，这类生命信号类型比气态生命信号更直接，也不容易出现假阳性。时域生命信号，一般是前两类信号的时域变化特性，可进一步提升前两类信号的可靠性。

图1.系外行星远程生命信号的三种主要类型

在行星表面生命信号中，有一种与绿色植被直接相关的光谱信号，叫做植被光谱红边（Vegetation red edge, VRE），近年来深受天体生物学家关注。所谓植被光谱红边VRE，指的是绿色植被对光的散射，在红光与近红外交界处（如图2右图中的红色线段所示）区域有一个迅速增强，这个增强与绿色植叶肉细胞中叶绿素对红光（0.66-0.7微米）的强烈吸收相关。如果我们在来自行星的星光中发现了这种独特光谱变化，就很有可能来自绿色植物的作用。

图2.植被光谱红边

那么，这种VRE生命特征可靠性到底有多高呢？我们对这个问题做了模拟研究 。首先，行星表面假如分为绿地（有植被覆盖的陆地）、裸地（无植被覆盖）、海洋及冰原四类的话，绿地和裸地的VRE指数是正的，且绿地较裸地的VRE指数高一个量级以上；而海洋和冰原则是负值（海洋的VRE指数较冰原高一个量级）。因此，通过VRE指数将植被从其它地表类型中区分出来是可行的，图3中的计算结果也可以佐证。图3也给出了VRE指数在一天内的变化曲线，这种变化是由于地球表面类型的非均匀分布导致不同时刻进入到观测视野的表面类型不同，从而影响到VRE指数的大小，我们也可以看到，在海洋占据观测视野主要部分的时刻，VRE指数是负的，而在陆地，特别是绿地占主导的时刻，VRE指数是正的。这就意味：（1）通过VRE来探测到系外行星上绿色植被，观测时刻极其重要；（2）VRE与行星表面类型直接相关，通过VRE指数在一天内的变化曲线能反演出来行星的表面分布应该是可行的。另外，图3也显示，云的存在使得VRE指数大大降低，这将影响到VRE可探测性，也就是我们需要想办法通过某些手段反演出行星云量分布，并在后续的数据处理中剔除掉云的影响，进而提高VRE的可探测性。

图3.地球上植被（最上图）及裸地（中、下两图）在有云（_cloudy曲线）和无云（_clear曲线）情况下的VRE日变化情况

在上面正向模拟计算的基础上，我们还建立较简化的逆向模型，利用VRE在一天时间内的变化曲线实现了类地行星的大陆分布及云量等性质的反演，发现反演结果与预期符合较好。在此基础上，基于美国NASA规划中的空间望远镜LUVOIR-A（口径15米）及其高对比度成像（对比度10^(-10)）及光谱观测（光效率25%）终端仪器，我们还做了模拟观测。不仅得到10pc距离下模拟观测地球所获得的反射光谱曲线，进一步获得VRE时变曲线，并探讨了光谱信噪比对时变曲线的影响。在此基础上，进一步恢复出行星大陆分布（如图4所示）。此项工作将基于VRE探测系外生命研究往前推进了一步，并为系外行星表面特征研究提供了新思路。

图4.基于LUVOIR-A模拟观测光谱数据反演行星大陆分布

随着下一代望远镜观测能力的提升，例如TMT, E-ELT等30米级地基望远镜建成，以及JWST，HabEx, LUVOIR等空间旗舰级望远镜升空，人类将有能力探测到系外类地行星直接成像光谱，并通过寻找像植被红边这样的生物特征，来搜寻系外行星上的植物生命。那时，回答“我们在宇宙中是孤独的吗？”这个问题可能不再遥不可及。但在此之前，我们应该在探测模型、探测方案、探测技术、探测仪器、数据处理等各方面做好充分准备。

参考文献：

1. Schwieterman E W, Kiang N Y, Parenteau M N, et al. Exoplanet biosignatures: a review of remotely detectable signs of life[J]. Astrobiology, 2018, 18(6): 663-708.

2.  Wang F, He J P, Diurnal variability and detectability of vagetation red edge of earth-like exoplanets[J]. The Astrophysical Journal, 2021, 909(9): 12pp.