摘要：外星人从星际空间监视我们是科幻小说的一个经典比喻。但是，正如詹姆斯·罗梅罗 （James Romero） 所解释的那样，弄清楚那些外星人如果将望远镜对准我们可能会看到什么，可以帮助我们在遥远的类地行星上寻找生命

外星人从星际空间监视我们是科幻小说的一个经典比喻。但是，正如詹姆斯·罗梅罗 （James Romero） 所解释的那样，弄清楚那些外星人如果将望远镜对准我们可能会看到什么，可以帮助我们在遥远的类地行星上寻找生命

“在 19 世纪的最后几年，没有人会相信这个世界正被比人类更强大的智慧敏锐而密切地监视着。”

H G Wells 于 1897 年创作的经典小说《世界大战》（The War of the Worlds） 就这样开始了，其中可怕的火星人入侵了我们的星球。尽管这些生物在暴露于它们无法防御的病原体后死亡，但外星人盯着地球的概念是科幻小说中的常见情节。例如，在《童年的终结》中，亚瑟·克拉克 （Arthur C Clarke） 描述了外星人，他们在星际空间秘密观察地球的演变数百万年——在入侵并成为我们的霸主之前。

实际上，我们人类一直在寻找遥远的世界。在过去的几十年里，天文学家发现了近 5000 颗行星围绕着我们自己的恒星旋转。我们星际的本质正在不断发展。我们不仅满足于寻找和编目这些外星系外行星，还想对它们进行表征。伴随着艺术家对火山景观或在波光粼粼的海洋上肆虐的风暴的印象，这些作品使遥远的行星在某种程度上感觉更加真实。

然而，尽管对新的太空任务进行了大量投资，特别是詹姆斯韦伯太空望远镜 （JWST），但在可预见的未来，针对宜居类地行星的系外行星勘测不太可能解决比光点更多的问题。“如果我展望未来 50 年，也许是未来 100 年，没有人能够设置一台强大到足以解析表面特征的望远镜，”加利福尼亚州帕萨迪纳市 NASA 喷气推进实验室的大气科学家乔纳森·江说，他使用地球作为模拟系外行星的实验室。

通过预测我们的星球在星际空间中的外观，我们可以梳理出宜居性、生物学甚至技术的迹象

但是，我们如何从几个像素中识别宜居世界——甚至是生命本身的迹象——呢？一种越来越受欢迎的方法是自己成为星际间谍，并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出现，我们可以梳理出宜居性、生物学甚至技术的迹象。有了这些信息，我们就可以扭转局面，在群星中寻找外星生命。

在这项探索中，有两种技术将特别富有成效。一种是透射光谱学，它着眼于穿过系外行星大气层的星光光谱。特定波长将被大气气体吸收，在光谱中留下特征吸收线。这些线形成化学指纹，可用于寻找氧气或臭氧等“生物特征”。透射光谱甚至可以用于发现“技术特征”，例如氯氟烃和二氧化氮，这将是产生工业污染物的先进文明的证据。

不幸的是，由于类地系外行星的大气层非常稀薄，天文学家还无法记录类地系外行星围绕类太阳恒星的传输光谱。但 JWST 和欧洲航天局定于 2026 年发射的 PLATO 任务应该能够迈出第一步。这两项任务都以较小的“M 矮星”为目标，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环绕——其中最著名的是 TRAPPIST-1 系统，该系统由七颗行星组成，其中多达四颗被认为位于恒星的宜居带。

研究系外行星的另一种有前途的技术是通过捕获从表面反射的光子来直接对这些世界进行成像。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（以前称为 WFIRST）也应该做到这一点，该望远镜将于 2020 年代中期发射。直接捕获反射光也有望与 NASA 的另外两项潜在任务一起进行：大型紫外光学红外勘测仪 （LUVOIR） 和宜居系外行星成像任务 （HabEx）。这些雄心勃勃的高规格望远镜及其直接成像潜力令人兴奋。但整个海洋、大陆、大气层甚至生物特征仍将归结为几个模糊的像素。

透射光谱学也很有限。“通过 [系外行星] 大气层过滤的光将是基本上每个高度发生的事情的组合，”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 （Laura Mayorga） 说。因此，梳理出系外行星表面的大气条件将是很棘手的，因为那里最可能存在生命。

系外行星上的云将使透射光谱学更加困难。由于不透明，它们会阻止光线穿透行星大气层，从而限制可以提取的成分信息量。更重要的是，当天文学家使用透射数据来模拟系外行星大气时，他们受到这样一个事实的阻碍，即落在行星上的阳光量会上升和下降，具体取决于太阳黑子和太阳耀斑的数量。这种通常不可预测的电磁辐射水平可能会隐藏有趣的信号或为潜在的生物特征提供假阳性。

尽管存在这些挑战，江和马约尔加都相信，在这些反射光线和过滤光子中可以找到潜在宜居世界的证据 - 甚至是已经拥有生命的迹象。但为了确保他们的系外行星生物特征技术有效，他们首先想在地球上测试它们，这是我们所知道的唯一一个包含生命的世界。然而，我们不能简单地前往数万亿公里外的另一个星系，然后从那里观察我们的母星。

幸运的是，在 2015 年，江 有了一个想法。美国宇航局的深空气候观测站 （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，它始终面向地球的日边，拍摄精彩、高质量的照片（图 1）。江想知道，为什么不使用这些图像来计算我们的地球在外星人眼中会是什么样子呢？

1 地球对我们和他们来说地球的清晰图像并不像您想象的那么常见。事实上，直到 2015 年美国宇航局启动深空气候观测站 （DSCOVR） 后，我们才能够在一个框架中观察整个地球。该飞船在旋转时保持对地球的持续观察，观察臭氧、植被、云层高度和大气中的气溶胶。a 这张图像拍摄于 2015 年 8 月，是 DSCOVR 所能看到的典型图像。b 同一张图像，但由加利福尼亚大学河滨分校的 Stephen Kane 和同事缩小到只有 25 像素，显示了外星观察者在看我们时可能看到的内容（arXiv：1511.03779). DSCOVR 数据后来让帕萨迪纳 NASA 喷气推进实验室的乔纳森·江 （Jonathan Jiang） 想知道是否可以从这些模糊的像素中梳理出火星的表面细节。（照片由 S R Kane/ 提供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，以创建闪烁光点的时间序列。然后，江的团队纵数据，改变海洋、陆地和云层的比例，以创建数千个假的“系外地球”。接下来，他们将每个假行星的信息平均为单个像素，并将数据馈送到神经网络。他们推断，网络应该能够利用这些信息进行自我训练，这样，当看到我们星球上的真实单个像素时，它可以对信息进行“逆向工程”并计算出地球是什么样子。

这个想法奏效了，江的团队成功地利用他们训练有素的算法梳理出地球日的 24 小时重复特征，以及云、大陆和海洋特有的模式（图 2）。然后，江转向了一个更形而上学的生物特征——“行星复杂性”。正如加州理工学院天体生物学家斯图尔特·巴特利特 （Stuart Bartlett） 所建议的那样，有人居住的行星上的生物学、地质学和气象学之间的复杂相互作用应该使它们看起来比无人居住的世界更复杂。巴特利特认为，复杂性可能是生命的普遍特征，无论它多么像地球。

为了找出是否真的可以在星际空间中观察到这种复杂性，江和巴特利特使用了一种称为“Epsilon 机器重建”的统计技术——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 数据计算他们的假系外地球的统计复杂性，还可以根据 NASA 卡西尼号任务获取的数据计算出假“外木星”。他们能够证明统计复杂性确实是衡量行星特征复杂性的有效指标。作为一个没有生命但充满活力的世界，有着剧烈的风暴和 650 公里/小时的风，外木星将对巴特利特支持作为星际生物特征的复杂性进行严峻的考验（Astron. J.163 27）。但他的想法似乎通过了一次测试：江的系外地球比他的系外木星“复杂”50%。

江的工作提出了一种在恒星中寻找生物学的方法，而不必猜测它的化学成分或假设外星人一定与我们相似。唯一的问题是，该技术是基于 DSCOVR 的数据，其轨道位于地球和太阳之间。因此，该飞船从未看到我们的星球从太阳前面经过，这意味着它无法帮助传输光谱。

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，月球并没有完全从视野中消失，而是将穿过地球大气层的阳光反射回我们。“血月”看起来异常红色，到达我们的光线是我们星球自己的传输光谱。

2 这就是我们的样子天文学家不仅热衷于观察系外行星，还热衷于观察那些遥远的世界是否具有在整个行星上变化的地质特征或气候系统，这可能是生命的迹象。然而，提取这些信息是很困难的，因为我们的系外行星图像非常糟糕，通常只由一个光点组成。为了帮助解决这个问题，加州理工学院（California Institute of Technology）的乔纳森·江（Jonathan Jiang）及其同事将美国宇航局深空气候观测站（Deep Space Climate Observatory）在两年内拍摄的大约10,000张图像归结为单点图像，表明地球在外星天文学家看来可能是什么样子。然后，他们逆向工作，看看他们是否能重建地球上的真实特征。这张图片显示了最早的 2D 表面地图之一，揭示了熟悉的地球各大洲（非洲位于中间）以及海岸线和海洋的形状。颜色表示不同的表面反射率。（图片由Fan等人提供，2019 年ApJL882 L1，经 AAS 许可转载）

地面望远镜记录了月食期间地球在光学和近红外波长下的透射光谱。但在 2019 年，由科罗拉多大学的 Allison Youngblood 领导的一个团队使用哈勃太空望远镜拍摄的日食数据提取了地球在紫外线频率下的传输光谱。收集这种类型的光可能有助于识别宜居的系外行星，因为它包含来自臭氧 （O3），它是氧气 （O2).Youngblood 成功地从我们的透射光谱中分离出地球臭氧的特征，为在系外行星上发现它铺平了道路 （Astron. J.160 100）。

我们对系外行星地球的新视角日益增长的兴趣最近得到了证明，Mayorga 提议发射一颗卫星来捕捉我们的星球经过太阳前面的经过。它被称为地球凌日观察者，将位于 JWST 附近，帮助天文学家确定系外行星大气传输光谱可以探测多深（Planet. Sci. J. 2 140）。该飞船还可以表明生物特征是否会在遥远行星更容易采样的上层大气中留下指纹。它甚至可以确定生物特征信号的强度如何受到太阳剧烈喷发或地球云况变化的影响。“这项任务将帮助我们为 [未来系外行星项目] 的仪器需要是什么样子设定指导方针，”Mayorga 说。

月球上的相机可以帮助天文学家区分系外行星上的周期性变化

另一位热衷于收集地球新视角的天文学家是马里兰州美国宇航局戈达德太空飞行中心的帕特里夏·博伊德 （Patricia Boyd），她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并将其平均为一个点，以便将信号与来自地球轨道卫星的实时数据进行比较。

月球相机的一大优势是它可以看到地球的所有不同相位——从细新月到完整的圆盘——而 DSCOVR 只能看到整个完全照亮的行星。因此，它的数据可以帮助天文学家区分系外行星上的类似周期性变化与自然生物变化，类似于树木在秋天变色或藻类积聚或“开花”。

除了直接成像和光谱学之外，还有第三种分析系外行星光的方法。这涉及研究它的偏振，当光线从表面反射时，偏振会发生变化。较光滑的表面（如平静的水面）通常会在较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）反射的光会以所有不同的角度到达。由智利欧洲南方天文台的 Michael Sterzik 领导的团队是最早研究偏振光中行星模式的一组研究人员，他们研究了首先从地球反射并从月球反弹回来的光（Nature483 64）。

然后，这项工作激发了荷兰代尔夫特理工大学的研究人员模拟光线如何从岩石系外行星反射。代尔夫特大学的天体物理学家 Dora Klindzic 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，Klindzic 正在酝酿在月球上制造仪器的计划。这个被称为地球未分辨偏振仪 （LOUPE） 的月球天文台 （LOUPE） 的设备将为 LUVOIR 等未来系外行星望远镜上的偏振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，随着地球自转、天气模式的变化和季节的变化，持续收集地球反射光。

Youngblood 无疑是他的粉丝。“现在做像 LOUPE 这样的实验很重要，因为直接对系外行星进行成像的望远镜仍在设计中，”她说。尽管 LOUPE 只能捕获线偏振光，但荷兰莱顿大学的一组研究人员也瞄准了来自系外行星的圆偏振光。这些数据可以产生更直接的外星生命特征，因为由于螺旋形绿色色素（称为叶绿体）的存在，植物反射的光会变成圆偏振。

“主要困难是从远处测量这些小信号，”莱顿大学的博士生 Willeke Mulder 承认，他正在帮助开发用于该任务的仪器。这些担忧促使她的团队在瑞士阿尔卑斯山上空飞行了一个包含移动旋光仪的原型仪器，看看这个概念是否有效。在试验过程中，该设备成功地区分了草地、森林和城市地区，甚至揭示了光合湖泊生物（Astron.651 A68）。接下来，Mulder 希望将这项技术带到国际空间站。

在寻找外星生命的过程中，一个更疯狂的想法是将飞船送入太阳系的遥远处，距离太阳的距离是冥王星的 10 倍。正如阿尔伯特·爱因斯坦 （Albert Einstein） 在 1936 年首次计算的那样，绕过太阳边缘的遥远光会因引力场而弯曲，最终会聚到距离太阳约 8 亿公里的焦点。2017 年，加州理工学院喷气推进实验室的三位研究人员 Slava Turyshev、Michael Shao 和 Louis Friedman 意识到，如果能在那里放置成像仪，它将是监测来自被太阳弯曲的系外行星的遥远光的完美地点（图 3）。

3 迈向太阳引力透镜A 详细研究系外行星的一个雄心勃勃的计划是将成像仪放置在遥远的太阳系中，距离太阳的距离是冥王星的 10 倍。绕过太阳边缘的星光会受到引力场的弯曲，会聚到距离太阳约 800 亿公里的地方。喷气推进实验室的 Slava Turyshev、Michael Shao 和 Louis Friedman 认为，遥远的星光降落在成像仪上，可用于提取围绕母星运行的任何行星的详细信息。b 被称为太阳引力透镜（SGL） 的 s00 年，该项目将是一项巨大的工程挑战，不太可能在短期内建成。这并没有阻止 Turyshev 和同事模拟围绕比邻星（离我们太阳最近的恒星）的类地行星与 SGL 相比是什么样子。c 然后，他们对模拟进行了去卷积，以获得遥远地球的准确图像。（图片由：经 V Toth 和 S Turyshev 许可转载，2021 年Phys. Rev. D103 124038。美国物理学会版权所有 2022）

他们的项目被称为太阳引力透镜 （SGL），将是一项巨大的工程挑战。但是，如果这个设施真的建成了，结果将是惊人的。在这个距离上面向太阳的一米直径望远镜将具有与位于太阳系其他地方的 90,000 公里宽的镜子相同的分辨率。SGL 将看到仅数十公里宽的表面特征，并以相同的比例绘制大气的组成，而不是记录单个像素的光。风暴、山脉和其他特征将变得可见。

“如果有一些不规则的结构，比如中国的长城，我们会看到它们，”Turyshev 说，他正在领导一个由 NASA 资助的加州理工学院团队来计算 SGL 的光学特性和任务要求 （Phys. Rev. D96 024008）。为了获得对该项目的支持，Turyshev 对 SGL 观察遥远的系外行星版本的地球会是什么样子进行模拟。这些图像肯定会揭示一个生物世界，甚至可能是技术文明的家园。

58 岁的 Turyshev 知道 SGL 不会很快建成。“到我 100 岁时，我应该能够看到系外行星的图像，”他开玩笑说。但也许，随着望远镜利用太阳聚焦光线，神经网络从闪烁的系外行星光子中探测生命，我们有一天可能会接过 H G Wells 本人多年前首次描述的星际者的衣钵。

来源：人工智能学家