過去十年間，人類對太陽系外行星的研究已經(jīng)相對成熟，截止目前，我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超過4000顆系外行星。

這就衍生出了一個問題：如果有另一個先進(jìn)物種正在研究地球，他們會看到什么？利用地球的多波長數(shù)據(jù)，來自加州理工大學(xué)的科學(xué)家們?yōu)檫b遠(yuǎn)的外星觀測者繪制了一幅地球圖像。

除了滿足好奇心，這項(xiàng)研究還能幫助天文學(xué)家尋找和重建“類地球”系外行星的表面特征。

該研究以地球?yàn)橥庑行堑慕嵌?，繪制了一張二維的地球“外星地圖”，并于近日發(fā)表于《科學(xué)》雜志上。

研究人員包括了來自加州理工地質(zhì)學(xué)院、行星科學(xué)部（GPS）和NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的Siteng Fan等人。

當(dāng)我們在太陽系之外的茫茫星海中尋找潛在的可居住行星時，科學(xué)家們被迫采取間接的方法。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)系外行星都無法直接觀測到它們的大氣成分或者表面特征，即無法直接成像，因此科學(xué)家們認(rèn)為該系外行星至少要“看著像地球”。

正如Fan所言，這反映了系外行星研究目前不得不面對的局限性：“首先，目前我們還沒有制定對系外行星滿足可居住性的最低要求。雖然已經(jīng)有一些標(biāo)準(zhǔn)，但并不確定它們是否充分且必要。其次，目前的觀測技術(shù)也不足以證實(shí)某顆行星是否真的具有可居住性?！?/p>

鑒于地球是我們所知的唯一一個能夠維持生命供給的行星，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，對地球的遠(yuǎn)程觀測結(jié)果可以作為我們尋找可居住外星的參考標(biāo)準(zhǔn)。

Fan說道：“外星人眼中地球的樣子，將為我們找到一個和地球相像的行星指明方向?！?/p>

在地球的生命系統(tǒng)中，最重要的就是水循環(huán)。它有三個不同的階段，即水蒸氣、凝結(jié)成云和冰粒，以及地表存在水體。

這些存在被認(rèn)為是宜居的潛在跡象，而且可以遠(yuǎn)程觀測到。因此，識別系外行星的表面特征和云層對于識別它們的可居住性便至關(guān)重要。

為了確定遠(yuǎn)程觀測地球是什么樣子，研究團(tuán)隊(duì)收集了9740張由NASA的深空氣候觀測衛(wèi)星拍攝的地球圖片。在2016至2017年的兩年時間里，每68至110分鐘就會拍攝一次，捕捉來自地球大氣層的多波長反射光。

然后，F(xiàn)an和他的同事將所有圖像結(jié)合起來并整合到地球圓盤上，有效地重現(xiàn)了那兩年間地球在外星服務(wù)器上呈現(xiàn)的模樣：

圖：S.Fan et al.

研究小組對所得的曲線進(jìn)行分析，并將其和原始圖像進(jìn)行比較，以便將曲線中的參數(shù)與地球的陸地和云層一一對應(yīng)。

在挑選出了關(guān)聯(lián)最密切的參數(shù)之后，研究人員將其維度調(diào)整為24小時的地球自轉(zhuǎn)，便得到了一張輪廓圖（如上圖），它就代表了從光年之外所見到的地球的光曲線圖像。

黑線表示地表特征，大致上與各大洲的海岸線相對應(yīng)。綠色則進(jìn)一步表示非洲（中）、亞洲（右上）、北美和南美（左）以及南極洲（下）。中央則是海洋，淺的是紅色，深海則是藍(lán)色。

當(dāng)天文學(xué)家將這個表示的方法應(yīng)用于系外行星的光曲線觀測時，就可以評估該行星是否有海洋、云層和冰蓋，而這些都是“類地球”所需的必要元素。

正如Fan所說：“這項(xiàng)工作對于確定外行星的地址特征和氣候系統(tǒng)具有重大的意義。我們發(fā)現(xiàn)，地球光曲線的變化主要是由云和陸地/海洋組成的，因此，擁有同類型特征的系外行星就更有可能承載著生命?！?/p>

在不久的將來，下一代儀器將實(shí)現(xiàn)更詳細(xì)的外行星調(diào)查，如James Webb太空望遠(yuǎn)鏡；而即將上線的超大望遠(yuǎn)鏡（ELT）、三十米望遠(yuǎn)鏡（TMT）和巨型麥哲倫望遠(yuǎn)鏡（GMT）預(yù)計(jì)將實(shí)現(xiàn)對較小的巖石行星的直接成像研究。

加上對地表特征和大氣條件的研究，天文學(xué)家最終將能辨認(rèn)出哪些系外行星具有可居住的條件，哪一些沒有。