你如何辨别外星人？一些科学家正在寻找发送到太空的通讯信号。另一些人则建议寻找可能由外星人建造的巨型结构围绕着一个遥远的恒星运行而引起的星光下降。
但也许最有希望的研究方向在于探测外星世界周围的气体层。如果我们从远处观察地球，我们就能通过分析大气的组成来推断我们的存在。据我们所知，只有一个过程可以让它保持如此丰富的氧气：生命。
如果外星人生活在其他星球上，他们可能也会在他们的大气层中留下他们存在的印记。虽然我们能够通过最新的太空望远镜观察外星大气，但有一个问题：我们并不真正知道自己在寻找什么。我们只有地球作为对比——但如果有其他气体组合可以揭示生命的存在呢？
这个问题的答案可能在于一项有趣的新研究，即在地球上复制外星空气。与此同时，其他科学家正在强大的超级计算机中模拟天气和外星大气的循环，以发现遥远的星球究竟有多适宜居住。这项研究已经提供了一些诱人的线索，关于下一代外星猎人应该把注意力放在哪里。
自从年第一次发现系外行星——围绕着另一颗恒星的行星——以来，已经发现了多颗系外行星，其中大部分是通过观察当行星穿过母恒星并阻挡其部分光线(凌日)时，恒星发出的微弱但有规律的暗光。超过一半的系外行星是由美国宇航局的开普勒太空望远镜(年至年10月活动)以这种方式探测到的。年4月，美国宇航局发射了开普勒的继任者：凌日系外行星勘测卫星(TESS)。
像开普勒62e这样的超级地球是一种常见的系外行星，有着浓厚的雾状大气层为了研究系外行星的大气，天文学家观察大气如何吸收通过它的星光。不同的气体分子会吸收不同波长的光，因此研究人员可以分析恒星在凌日过程中滤过的光谱，以确定存在哪些气体。就这样，天文学家在年首次直接探测并分析了系外行星的大气层——在一颗名为HDb的气态巨星的大气中发现了钠。
从那时起，一些系外行星的大气层被分析，揭示了这些行星周围存在水蒸气、甲烷、二氧化碳，甚至还有少量的氧气。然而，没有任何一种气体能单独发出生命的信号——甚至氧气也不行，因为我们所知道的过程可以在不涉及生物体的情况下产生少量氧气。
这就是行星科学家萨拉·霍斯特博士的工作。在美国巴尔的摩市的约翰·霍普金斯大学，她领导着一个科学家团队，他们正在实验室里模拟可能存在于系外行星大气中的气体，以便发现它们可能会产生什么。到目前为止，霍斯特的研究集中在一种大气现象上，这种现象对任何在大城市生活过的人来说都很熟悉：雾霾。
这两种最常见的系外行星在我们的太阳系中没有类似的行星。一个是“超级地球”：直径是地球的1.25到2倍。另一个是“迷你海王星”，在岩石或冰的致密内核上覆盖着一层厚厚的气体(主要是氢和氦)。
天文学家发现，超级地球和“迷你海王星”的大气层相当厚，而且有雾：光不容易穿过它们。这可能是因为它们充满了云(可能是由水蒸气或其他气体(如甲烷)凝结而成的水滴)，也可能是雾霾造成的：微小的、粉尘状的固体颗粒，就像交通烟雾造成的城市上空的阴影。
霍斯特正试图找到答案。她说，这样的行星是否能支持生命，可能会有不同的结果。霍斯特认为，大气中的雾霾粒子会对星光穿过大气层的方式产生巨大影响。她说：“这可能会影响到一些事情，比如在行星表面有多少能量、什么样的能量适合生命存在，以及表面的温度是多少。”
我们对这些大气的化学成分只有最粗略的了解，因此霍斯特对各种可能的成分进行了模拟，包括可能在类似这样的世界中发现的所有常见气体：水蒸气、一氧化碳、二氧化碳、氮气、氢气、氦气和甲烷。霍斯特在大约25°C到°C的温度下混合了这些气体的不同比例，模拟了被认为存在于超级地球和迷你海王星上的条件。
霍斯特博士和助理研究员ChaoHe研究了一个模拟系外行星大气的样本这是一种“宇宙烹饪法”：把所有的原料放在一起，用中火烘烤，看看会出现什么。还有另一个关键的成分：通过分解分子来引发化学反应的能量。在系外行星上，这可能来自星光中的高能紫外线，也可能来自宇宙射线涌入大气层上层区域而形成的带电粒子。研究人员使用紫外线灯或类似荧光灯管中的放电来模拟这些能源。
霍斯特和她的团队研究的大多数混合物都产生了褐色的烟雾状烟雾，类似于我们在土星卫星泰坦上看到的烟雾。不过，雾霾的程度因混合物的成分而异。例如，两个含有大量水蒸气和甲烷的实验产生了最多的雾霾，但第三个实验也产生了完全不含甲烷的微粒。
还需要做更多的工作来发现在遥远的系外行星上探测到雾霾对发现生命的可能性意味着什么。霍斯特说，在某些情况下，雾霾可能会阻止有害的辐射(就像地球上的臭氧层所做的那样)，但它也可能导致地表降温和缺乏液态水。她说：“我们需要更多地了解这颗行星和它的大气层，以便能够了解它表面的条件可能是什么样的，以及是什么过程导致了雾霾的形成。”
与此同时，这一研究领域的圣杯是确定一些分子——或一组分子——只有在有生命存在的情况下才能存在，即外星生命的“生物特征”。那是什么呢？
答案似乎不仅仅是氧气。霍斯特和他的同事们在模拟实验中观察到氧的形成，完全是由紫外线引起的化学反应。他们还发现了像乙醇和甲醛这样的有机分子，这也排除了它们作为生物特征的可能性。
霍斯特说，一个可能的生物特征是同时存在臭氧和甲烷。这是一种化学上不稳定的混合气体，目前还没有已知的地质过程可以支持它们。霍斯特说：“如果没有某种物质来源的补充，要让它们在同一大气中聚集在一起真的很难。”在地球上，生物圈最终是我们大气中这两种气体的来源。
霍斯特认为，寻找这些生物特征的一些最诱人的世界是年探测到的一组行星，它们围绕着一颗名为TRAPPIST-1的昏暗恒星运行。TRAPPIST-1位于距离地球40光年的宝瓶座。围绕这颗恒星运行的行星中，有7个近似地球，其中大部分可能适合居住，表面有适宜液态水存在的条件。霍斯特和他的同事们通过观察它们大气中传输的光，发现其中一些可能有云或雾霾，尽管在这个阶段很难更精确地确定哪种可能性更大。
霍斯特认为，这些引人入胜的行星应该是NASA詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST)的早期目标。JWST是哈勃太空望远镜的计划接班人，该望远镜将于年发射，届时将更近距离地观察系外行星的大气层。
通过研究它们的大气层，我们可以确定围绕TRAPPIST-1恒星的一些行星是否具备液态水存在的条件。地球上的生命不仅依赖于拥有正确的大气层，而且还依赖于整个气候系统：空气、海洋和热量如何循环，以及云如何形成。如果我们发现了一颗与地球大气成分相同的系外行星，如果它缺乏类似的气候系统，它可能仍然不适合生命生存。一个名为“外气候学”的新研究领域旨在通过将用于模拟地球天气和气候的计算机模型应用于其他世界，了解系外行星的气候及其对生命的影响。
到目前为止，大部分工作都集中在另一种常见的系外行星类型上：“热木星”——像我们的木星一样的气态巨行星，但它们的轨道离母星要近得多。它们要么旋转得非常慢，要么被“潮汐锁定”，因此，就像月球绕地球运行一样，同一面总是朝向恒星。这使得行星的“白天”和“夜晚”之间的温差驱动着大气循环，就像地球赤道和两极之间的温差驱动着我们自己的气候一样。
埃克塞特大学外气候学小组负责人内森梅恩博士表示，这种循环的计算机模型表明，热木星有一种大气急流。这可以混合大气冷热两方面的化学成分，改变某些地方的混合气体，从而改变射向地表的星光量。虽然热木星不太可能孕育生命，但这表明大气环流在行星表面条件中扮演着至关重要的角色——这对它们的宜居性有着重要的影响。
在等式中加入水，事情就变得更有趣了。一些潜在的宜居行星，比如TRAPPIST-1，也可能被潮汐锁定在它们的恒星上。如果这些系外行星的表面有液态水，那么白天热的那一面的水就会蒸发，最终在夜晚较冷的那一面凝结成雨或雪。
梅恩说：“白天覆盖的土地会很快干涸，水分会被输送到夜晚。”“但如果有海洋，水可以循环回来”——在地球两侧形成一个巨大的水传送带。这将使一个贫瘠的星球分裂成两半——每一半都极端到生命无法生存的地步——和一个水循环创造一个更加湿润和温和的环境的星球产生不同。
有了最新一代的太空望远镜，我们不久就能研究更多奇异系外行星的大气层。Horst说：“TESS和JWST的结合应该为我们提供了许多令人信服的研究领域。”她和梅恩等人的工作将对天文学家至关重要，他们想知道，他们所探测到的系外行星气体和天气模式，是不育行星的症状，还是只是生命的迹象。
