探测外星球上的植物群
探测外星球上的植物群
破译来自遥远外星球的光线，可为我们提供其上是否有植物的确凿证据。
带着深红色叶子的棕榈树在微风中摇曳，海浪拍打着被外星阳光温暖的海岸。水里有类似海带的东西，蓝色地衣铺满了每一块巨石，奇怪的花朵从沙丘上涌出……电影《阿凡达》曾经为我们描绘了这样一个外星植物世界。
据最新估计，仅在我们银河系就可能有大约50亿颗适宜居住的行星。天文学家对存在植物的外星球似乎充满信心，面临的挑战只是如何将它们识别出来。
如何识别?他们已找到了一种新方法。
在外星大气中寻找生命活动的痕迹
当涉及到搜索外星球的生命迹象时，一直以来，天文学家主要关注的是其大气中那些能暗示生命活动的痕迹。例如，地球大气中有大量的氧气，它们是由植物和光合作用细菌产生的。甲烷也是。在地球上，甲烷是由产烷细菌、腐烂的植物和反刍动物制造的。大气中这些气体的存在，就揭示了地表生命的存在。
但是，从遥远的地方找外星球上的这些痕迹相当困难。当来自母恒星的光线穿过行星大气时，不同波长的光会被吸收——取决于那里存在哪些气体。光谱中的空白线(也叫吸收线)可以告诉我们，这个星球的大气是由什么组成的。然而，由于系外行星离我们太过遥远，它们的光线太黯淡，你需要很大的光学望远镜，才能以足够的分辨率将光线按波长分开，形成光谱。在大多数情况下，这只有借助建在地面的大型光学望远镜才能做到。但如此一来，又产生一个新的困难：外星光必然要穿过地球大气才能到达地面，而地球大气中的氧气、甲烷也会在外星光谱中留下自己的痕迹。它们的“搅局”让我们无从下判断。
当然，我们也可以在太空建造大型望远镜来观察外星光，从而避免地球大气的干扰。2021年12月发射的詹姆斯·韦伯太空望远镜就可做此类用途。不过，即便在外星光谱中发现了氧气或甲烷的痕迹，我们也远非就能下铁板钉钉的结论。事实上，氧气并不一定就来自生物，也可能来自被阳光分解的水;甲烷也可能来自于火山喷发而不是植物的腐烂……所以，研究穿过外星大气的光，最多只能为外星生命的存在提供间接证据。
捕捉来自系外行星的偏振光
不过，其实早在20年前，天文学家就知道有一个更好的方法——搜索从行星表面反射回来的光线，那将让我们有机会直接寻找到生命本身。这种方法利用了光作为电磁波的另一种属性——偏振。
通常情况下，恒星光或灯泡发出的光都是非偏振的(见小贴士“偏振光”)。但是，当恒星光从行星表面反射出来，一部分就变成了偏振光，而且其偏振方式可以告诉我们，是什么东西导致了偏振。
例如，偏振光可能让我们确定行星上是否存在液态水。因为从水中反射回来的恒星光具有强烈的偏振性。你甚至可以通过偏振光分析波浪的高度。恒星光被植物反射后，部分也会产生偏振，而且其偏振方式与叶绿素的结构有关。
问题是，从遥远的行星上反射来的偏振光是极难观察到的。首先，它们比直接透过行星大气的恒星光还要微弱。其次，并不是所有反射光都是偏振的，偏振光只占反射光的百分之一，这使得信号更加微弱。多年来，天文学家尝试从系外行星的反射光中检测偏振光都失败了。为什么偏振光在反射光中比例这么少呢?这是因为反射光能否成为偏振光，与反射的物质和入射角度有关。大部分情况下，反射光中的偏振光都占少数。
但是，现在我们终于迎来了转机。2021年1月，两个不同的团队宣布他们各自探测到了来自系外行星的偏振光。先是一个荷兰小组使用甚大望远镜从系外行星DH Tau b周围的尘埃盘中捕捉到了偏振的红外光。两周后，澳大利亚一个小组又宣布探测到了系外行星51 Pegasi b反射的偏振光。51 Pegasi b是人类在类日恒星系中发现的第一颗系外行星。虽然这两颗行星都比木星大，都不是类地行星，但这是一个重大突破。
现在我们面临两个挑战。第一个挑战是，天文学家必须继续提高观测技术，以便能够探测来自类地行星的偏振光。因为类地行星比上述两颗行星都小，而我们知道，一颗行星越小或者离母恒星越远，其反射的光就越暗。这个挑战容易克服。我们正在建更强大的望远镜。第二个挑战难度更大，即我们必须弄清楚在能够探测到的任何偏振光中，植物会留下什么确凿的痕迹。
揭示生命存在的偏振信号
不同物质的反射，可以导致不同偏振方式的反射光。譬如，来自云层和海洋的反射光是线性偏振的，即在光传播的途中，波的振动始终朝向同一个方向;而植物的反射光则产生圆偏振，即波的振动方向会在一个与传播方向垂直的平面内旋转。
当然，一些无机物质也能产生圆偏振光，但植物中的叶绿素产生的圆偏振光又独具特色。
圆偏振光振动方向的变化有顺时针转和逆时针转之分，这取决于反射它的物质分子的手性。
什么叫手性?你把双手伸出来，手心都朝向你，然后把一只手叠放到另一只手上，它们无法重合，这就是手性的含义。你也许会说，双手合十，两手不就重合了吗?但双手合十的时候，手背各自朝向两侧，严格来说，不算重合。左手套不能靠翻个个儿变成右手套，就是这个道理。
在化学中，分子式相同的分子，也以类似的左手性和右手性的方式存在。一般来说，非生物分子的两种手性各占一半。所以，当非生物分子产生圆偏振光时，左旋和右旋的比例是1∶1。但是在地球上，生物分子对手性有偏好，譬如所有氨基酸分子都是左手性的，所有糖类分子都是右手性的。这样一来，由氨基酸分子产生的，都是左旋圆偏振光;由糖类分子产生的，都是右旋圆偏振光。所以，如果我们在系外行星反射的圆偏振光中看到左旋与右旋的比例相对1∶1有较大的偏离，就足以表明那里有生命存在。
长期以来人们认为，在系外行星的偏振光中，圆偏振光(可能由生命物质产生)只有线性偏振光(由非生命物质产生)的几千分之一，因此太过微弱而无法被看到。但是美国加州SETI研究所的威廉·斯帕克斯最近做了一个实验。他将非偏振的自然光照射在光合作用细菌上。他发现，从这些细菌反射的光线中，有高达1%是圆偏振的，与线性偏振光的强度差不多。此外，他还发现，当这些细菌死亡的时候，圆偏振光在反射光中的比例可以高达2%。换句话说，当一颗外星球上的生命大规模死亡的时候，我们反而更容易探测到其上存在生命的信号。
寻找外星生命的新时代
但是，即使来自外星生命的偏振信号比我们预期的要强，我们能够在广袤的太空中探测到它们吗?
无可否认，这将是很困难的。幸运的是，我们自己就生活在一个充满植物的星球上，因此我们的一切探测手段，都可以先对地球进行测试。
智利欧洲南方天文台的米歇尔·斯特奇克一直在用甚大望远镜观察地球被月球反射回来的光。他不仅从中检测到了植物反射到太空的圆偏振光，还注意到另一件令人吃惊的事情。他发现，这些由植物反射的圆偏振光，就其波长而言，大多数落在光谱的可见光和红外光的交界处。这就是所谓的“红边现象”。红边现象也许能为我们提供另一种寻找遥远星球上植物的有力方法。
更多的测试正在安排之中。譬如，斯特奇克是在地球上观察由植物反射到月球，又被月球反射回地球的光，这里面的信号已经受到了月球的干扰。下一步，科学家们打算在月球建一个观测站，直接观测地球的反射光。通过解读其检测到的偏振信号，将它们与地球生物圈的已知特征相匹配，这样，当我们把目光转向外星球时，就能确切地知道我们需要寻找哪些能确凿暗示生命存在的特征。这很可能预示着寻找外星生命的新时代即将到来。
偏振光
光是一种横波，其振动方向与传播方向垂直。为了便于理解，你不妨把光线想象成一根绳子。绳子的一头拴在树上，另一头由你拿着。绷直之后，你拿着绳子的一头上下左右摆动，在绳子上就会产生一个S形的波。波的传播方向是向前的，但波的振动却是上下左右的，与传播方向垂直。
光波中有一种光叫做偏振光。
当光波的振动始终保持在一个方向，或有规律地变化，科学家把这种光定义为偏振光。偏振光分为平面偏振光(线偏振光)和圆偏振光等几种。光波的振动始终保持在一个方向的为平面偏振光(线偏振光)，振动方向是按一定规律变化的，是圆偏振光。
自然光在传播过程中，随机地、杂乱无章地在垂直于传播方向的任何一个方向上振动，没有一定规律，就像你拿着绳子的一头上下左右无规律地胡乱摆动，所以自然光是非偏振光。
偏振光是如何产生的呢?
请想象一下，绳子穿过一列栅栏。你上下挥动时。垂直排列的波将能够穿过栅栏的缝隙。但如果你左右挥动，波在栅栏那里就被挡住了。偏振片就起到栅栏的作用。自然光通过偏振片就可以变成偏振光。
由于只有一小部分波可以通过偏振片，因此光线的整体强度会降低。