哈勃望远镜用月球作为“镜子”来研究地球的大气层-寻找其他恒星周围潜在可居住行星的代理

利用2019年1月的月全食，使用NASA哈勃太空望远镜的天文学家已经探测到了地球大气中的臭氧。这种方法是他们如何观察像地球一样的行星在其他恒星前寻找生命的代理。在月全食期间，我们的星球与太阳和月亮的完美对准，模仿了一颗正在过地的行星及其恒星的几何形状。在一项新的研究中，哈勃没有直接看地球。取而代之的是，天文学家使用月球作为镜子，反射通过地球大气层传输的阳光，然后被哈勃望远镜捕获。这是首次从太空望远镜捕获到紫外线波长的月全食。

从太空注视着地球的宇航员对我们蓝色大理石星球的威严与坚韧感到震惊。帮助在轨哈勃太空望远镜服务的迈克·马西米诺（Mike Massimino）说：“我认为我们的星球是天堂。我们很幸运能来到这里。”

令人震惊的是，天文学家估计，仅在我们的银河系中，可能还有多达10亿个其他行星，例如地球。试想一下，还有十亿个（而不是百万个）其他“天堂星球”。但是，如果没有人住在那里惊叹于蔚蓝的蓝天下的日落，那么它的天堂就迷失了。而且，正如19世纪哲学家托马斯·卡莱尔（Thomas Carlyle）所说的…那样，“这是对空间的浪费”。

令人震惊的是，我们的家乡星球是宇宙中唯一已知的生存和繁衍生息的地方。因此，我们向外凝视被空间和时间囚禁的星星，进入宇宙的寂寞。这就是为什么科学家致力于建造更大的望远镜以寻找可能居住的行星的原因。但是他们怎么会知道生命存在而不必旅行到那里并且看着生物在周围行走，飞行或滑行呢？

一种方法是探测行星的大气层。具有适当化学元素混合的气氛对于养育和维持生命是必要的。地球的大气层包括氧气，氮气，甲烷和二氧化碳，这些气体已经帮助维持了数十亿年的生命。特别是地球上的氧气含量丰富，这表明我们的大气中的氧气含量正在通过生物过程得到补充。

天文学家一直在使用各种基于地面和空间的望远镜来分析地球大气层从太空中的外观，并使用我们的地球作为研究太阳系外行星大气的代理。他们希望最终将地球的大气成分与其他世界的大气成分进行比较，以发现异同。利用哈勃望远镜，天文学家利用整个月食，通过观察从月球反射回来的地光发现了地球大气中的臭氧。我们的月亮作为太空中的巨型镜子派上了用场。

臭氧是地球大气中的关键成分。当氧气暴露于高浓度的紫外线中时，它会自然形成，从而触发化学反应。臭氧是地球的安全毯，可保护生命免受致命紫外线的伤害。

这是首次从太空望远镜捕获到紫外线波长的月全食。这种方法模拟了天文学家如何通过寻找太阳系外行星上潜在的生物特征来寻找地球以外生命的环境证据。

使用太空望远镜进行日食观测，可以再现未来的望远镜将测量在恒星前方通过的太阳系外行星大气的条件。这些大气层可能包含与地球非常相似的化学特征，并激起了我们的好奇心，想知道我们是否不孤单。

该图说明了月食的几何形状。当月球完全位于地球的本影（被称为月全食或本影）时，到达月球表面的所有阳光都被折射或散布在地球大气中。当月球处于地球的半影（称为半月食）时，照明来自直接的阳光和折射并散布在地球大气中的阳光。这个过程类似于系外行星过境观测。

利用全月食，使用NASA哈勃太空望远镜的天文学家在我们的大气层中发现了地球自己的防晒霜-臭氧。这种方法模拟了天文学家和天体生物学研究人员如何通过观察系外行星（其他恒星周围的行星）上潜在的“生物特征”来寻找地球以外生命的证据。

哈勃没有直视地球。相反，天文学家使用月球作为镜子来反射穿过地球大气层的太阳光，然后再反射回哈勃望远镜。使用太空望远镜进行日食观测，再现了未来的望远镜将测量正在运行的系外行星大气的条件。这些大气中可能含有对天体生物学，生命研究和寻找感兴趣的化学物质。

尽管以前已经进行过许多这样的地面观测，但这还是第一次从太空望远镜中以紫外线波长捕获到全月食。哈勃探测到了臭氧的强光谱指纹，它吸收了一些阳光。臭氧对生命至关重要，因为它是地球大气层中保护层的来源。

在地球上，数十亿年的光合作用是造成地球上高水平的氧气和厚厚的臭氧层的原因。这就是科学家认为臭氧或氧气可能是另一颗星球上的生命迹象并将其称为生物特征的原因之一。

哈勃观测的首席研究员，位于科罗拉多州博尔德的大气与空间物理实验室的艾里森·扬布洛德解释说：“发现臭氧很重要，因为它是分子氧的光化学副产物，而分子氧本身就是生命的副产物。”

尽管以前在月食期间在地面进行的观测中都检测到了地球大气中的臭氧，但是哈勃的研究代表了迄今为止对该分子的最强检测，因为从太空中测量的臭氧没有受到地球大气中其他化学物质的干扰，因此吸收了紫外线如此强烈。

哈勃记录的臭氧吸收了在2019年1月20日至21日发生的月食期间穿过地球大气层边缘的一些紫外线。日食期间，其他几台地基望远镜也在其他波长下进行了光谱观察，以寻找地球上更多的大气成分，例如氧气和甲烷。

Youngblood说：“ NASA的主要目标之一就是确定可以支撑生命的行星。”“但是，如果我们看到一个可居住或无人居住的星球，我们将如何知道呢？用天文学家掌握的表征系外行星大气的技术，他们会是什么样？因此，开发地球光谱模型作为对太阳系外行星的大气进行分类的模板非常重要。”

她的论文今天（2020年8月6日）发表在《天文杂志》上。

这张月球的地面望远镜影像突显了天文学家使用NASA哈勃太空望远镜测量地球大气中臭氧含量的一般区域。这种方法是他们如何观察其他恒星周围的类地行星以寻找生命的代理。

如果外星世界穿过其母恒星的表面，则可以探测到一些太阳系外行星的大气，这一事件称为过境。在运输过程中，星光会穿过背光的系外行星大气层过滤。（如果近距离观察，行星的轮廓看起来就像是它周围有一个薄薄的，发光的“光晕”，是由被照亮的大气造成的，就像从太空中看到的那样。）

大气中的化学物质通过滤除某些颜色的星光而留下其鲜明的标志。使用哈勃望远镜的天文学家率先采用了这项技术来探测系外行星。这尤其引人注目，因为1990年哈勃望远镜发射升空时尚未发现太阳系外行星，而且太空望远镜最初并不是为此类实验而设计的。

到目前为止，天文学家已经使用哈勃望远镜观察了气体巨行星和超地球（行星的质量是地球质量的几倍）的大气层，这些恒星和恒星通过了恒星。但是大约地球大小的地球行星是更小的物体，它们的大气层也更稀薄，就像苹果的皮肤一样。因此，要从地球大小的系外行星中找出这些特征将变得更加困难。

这就是为什么研究人员将需要比哈勃望远镜大得多的太空望远镜来收集在途中穿过这些小行星大气层的微弱星光的原因。这些望远镜将需要更长的时间来观察行星，数十小时，以建立强大的信号。

为了为这些更大的望远镜做准备，天文学家决定在一个距离更近，只有一个有人居住的地球上进行实验：地球。在月全食期间，我们的行星与太阳和月亮的完美对准，模仿了一颗经过恒星的地球的几何形状。

但是，由于月球非常明亮，而且其表面不是完美的反射器，因为月球上有斑驳的明亮区域和黑暗区域，因此观测也具有挑战性。月亮也离地球太近，以至于哈勃不得不努力保持对选定区域的关注，尽管月亮相对于太空观测台是相对运动的。因此，Youngblood的团队在分析中不得不考虑月球的漂移。

哪里有臭氧，哪里就有生命？

在地球太阳系外行星的天空中发现臭氧并不能保证生命存在于地表。Youngblood说：“除了臭氧以外，您还需要其他光谱特征来推断地球上存在生命，而且这些特征不一定在紫外线下可以看到。”

在地球上，当地球大气中的氧气暴露于高浓度的紫外线下时，就会自然形成臭氧。臭氧在地球周围形成毯子，保护它免受强烈的紫外线照射。

“光合作用可能是任何星球上最有生产力的新陈代谢，因为它是由星光能量驱动的，并使用宇宙中丰富的元素，例如水和二氧化碳，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的贾达·阿尼（Giada Arney）说。该科学论文的合著者。“这些必需成分在宜居行星上应该是共同的。”

臭氧特征的季节性变化也可能表明氧气的季节性生物产生，就像地球上植物的生长季节一样。

但是，当氮气和氧气暴露在阳光下时，也可以在没有生命的情况下产生臭氧。为了增加对给定生物特征确实是生命产生的信心，天文学家必须寻找生物特征的组合。需要进行多波长运动，因为在这些特征特有的波长下，更容易检测出许多生物特征中的每一个。

“用年轻的行星观察年轻的恒星时，天文学家还必须考虑到地球的发育阶段。如果您想从类似地球早期的星球上检测氧气或臭氧，那么当我们的大气中氧气较少时，光学和红外光的光谱特征就不够强大。”阿尼解释道。“我们认为，在元古代中期（大约在20亿至7亿年前）之间，光合作用有助于大气中氧气和臭氧的积累达到今天的水平，地球上的臭氧浓度很低。但是，由于臭氧特征的紫外线特征非常强，因此您希望能够检测到少量臭氧。因此，紫外线可能是检测低氧系外行星光合作用寿命的最佳波长。”

美国宇航局有一个即将到来的观测站，叫做詹姆斯·韦伯太空望远镜，可以在红外光下进行类似的测量，并有可能探测系外行星大气中的甲烷和氧气。Webb目前计划于2021年推出。

参考：艾里森·扬布洛德（Allison Youngblood），贾达·N·阿尼（Giada N. Arney），安东尼奥·加西亚·穆尼奥斯（AntonioGarcíaMuñoz），约翰·托克·斯托克（John T.Stocke），凯文·法兰西（Kevin France）和阿基·罗伯奇（Aki Roberge），“哈勃太空望远镜作为系外行星的近紫外光谱和地球光学透射光谱”，2020年8月6日，《天文学报》。 DOI：
10.3847 / 1538-3881 / aba0b4