根据污染寻找地外文明，是个好方法吗？

科技高度发达的系外行星艺术插图。通过增强色彩凸显了原本不可见的工业污染。图片来源：NASA/Jay Freidlander

撰文 | Bill Steigerwald

翻译 | 耿淑娟

审校 | 张和持

近期，NASA发表的一项研究表明，假如我们附近的恒星系统中存在先进的地外文明，我们或许能够利用它自身的大气污染，对其进行探测。这项研究主要评估了一种大气污染物——二氧化氮。在地球上，这种气体主要由化石燃料燃烧产生，不过它也有一些非工业来源，例如一些生物学过程、闪电和火山喷发。

“在地球上，大多数二氧化氮来自人类活动——比如汽车尾气和化石燃料发电厂，”NASA戈达德太空飞行中心的Ravi Kopparapu说，“在较低层大气中（距地面约10至15公里）的二氧化氮，绝大部分来自人类活动。因此，在宜居星球上观测到二氧化氮，或许能够说明该星球存在工业化文明。” Kopparapu是这项研究的第一作者，该论文已被《天体物理学杂志》接受。

人类工业活动产生大量的二氧化氮。图片来源：Pixabay

迄今为止，天文学家已经发现了4000多个系外行星。据我们所知，有些行星可能拥有适合生命存在的环境条件，在其中一些行星中，生命或许已经达到了科技文明的程度。由于其他恒星周围的行星（系外行星）过于遥远，科学家们无法通过发射航天器的方式，来寻找寻找它们的生命或文明迹象。因此，他们需要使用功能强大的望远镜来观察这些系外行星大气层内部的物质。

一个生命标志的可能迹象是，大气由氧气与甲烷等气体组成。同样地，系外行星的科技标志物也可能是在地球上被视为污染的气体，这类气体（比如二氧化氮）是工业过程中的副产品。

“其他一些研究已经将氯氟烃（CFC）作为一种可能的科技标志物。氯氟烃是一种工业产品，曾被广泛用作制冷剂，后来因为会导致臭氧层空洞而被淘汰。” 该论文的合作作者、蓝色大理石太空科学研究所的Jacob Haqq-Misra表示，“CFC也是一种强效温室气体，可从大气层获取额外热量，可以用于火星等其他行星的地球化改造。据我们所知，生物完全不会产生CFC，因此与二氧化氮相比，它是一种更明显的科技标志物。但是，它是非常特殊的人造化学品，在其他星球上可能并不普遍；而相比之下，二氧化氮则是任何燃烧过程的一般副产物。”

在这项研究中，研究小组利用计算机建模预测二氧化氮污染产生的信号，是否可以被当前和未来的望远镜检测到。大气中的二氧化氮会大量吸收一定波长的可见光，这可以通过观察系外行星绕恒星运行时反射的光来检测。

研究人员发现，对于一颗围绕类日恒星运行的类地行星，如果当地的文明产生了和地球相当数量的二氧化氮，那么使用未来NASA发射的大型可见光望远镜，我们就能在30光年左右的距离内观测约400小时，进而发现它。此观测时间虽然十分漫长，但并非史无前例，NASA的哈勃太空望远镜便花费了相似的时间进行著名的深空观测（Deep Field observations）。

研究者们还发现，比太阳温度更低、更常见的恒星（如K和M型恒星）将产生更强且更易被检测到的二氧化氮信号。这是因为紫外线能够分解二氧化氮，而这些恒星产生的紫外线较少。多种类型的恒星也增加发现外星文明的机会。

由于二氧化氮也可以由自然环境产生，因此将来科学家们必须细致地分析系外行星，判断是否还有其他物质会产生于一个技术发达的社会。该论文的共同作者、NASA戈达德太空飞行中心的 Giada Arney表示：“在地球上，约有76％的二氧化氮排放是由工业活动造成的。如果我们观察到另一颗行星上存在二氧化氮，那么将需要通过模型来估算非工业来源产生的最大二氧化氮排放量。而如果观察到的二氧化氮量超出了最大的排放量，则多余的二氧化氮可能产生于工业活动。但是，在寻找地外生命的过程中，总是存在假阳性的可能性，因此在未来的工作中，需要确保能够区分阳性和假阳性。”

还有可能存在的情况是，行星的大气中存在云或气溶胶。云、气溶胶和二氧化氮吸收的光的波长相似，因此可能会导致假阳性。该研究团队计划使用更先进的模型来判断，是否能够利用云层的自然变化来对二者进行区分。在初步研究中，研究人员利用模型，将行星大气层假设为从地面到太空的多层空气柱。在大多数情况下，这是一个很好的假设，且能进行快速计算。但是行星是三维物体，而不是一维的空气柱。该小组在后续的研究中，将使用3D模型来验证比较这一初步结果的准确性。