近日，天文学家宣布发现一颗名为TRAPPIST-1的恒星，其周围有七颗与地球大小相近的行星。其中三颗行星位于“宜居带”内，也就是恒星周围岩质行星表面最可能存在液态水的区域。近年来，人们还发现了其他可能适宜居住的世界，这让许多人不禁想问：我们如何才能确定这些行星上是否真的有生命？
在加州理工学院天文学副教授迪米特里·马韦特（Dimitri Mawet）的系外行星技术实验室（简称ET实验室），研究人员一直在开发一种新策略，用于扫描系外行星，寻找生物特征——即氧分子和甲烷等生命迹象。这些化学物质会与其他化学物质结合，因此在自然环境中不会长期存在；地球上它们之所以丰富，很大程度上要归功于会排出这些物质的生物。如果在另一颗行星周围同时发现这两种化学物质，就将是存在生命的有力证据。
在两篇即将发表于《天体物理学杂志》和《天文学杂志》的新论文中，马韦特的团队展示了如何运用这项名为高色散日冕仪技术的新方法，借助计划中的三十米望远镜（TMT）寻找地外生物特征。该望远镜预计将在2020年代末建成，届时将成为世界上最大的光学望远镜。
研究人员通过理论和实验室模型表明，这项技术有望探测到M型矮星周围类地行星上的生物特征。M型矮星比我们的太阳更小、更冷，也是银河系中最常见的恒星类型。这项策略也可用于观测类似太阳的恒星，借助未来的空间望远镜开展研究，例如美国国家航空航天局（NASA）拟议中的宜居系外行星成像任务（HabEx）和大型紫外/光学/红外巡天望远镜（LUVOIR）。
“我们已经证明，这项技术在理论上和实验室中都可行，所以下一步就是证明它在天空中也能奏效，”两篇新论文的主要作者之一、马韦特实验室博士后学者王骥（Ji Wang）说。团队计划今年或明年在夏威夷的W. M. 凯克天文台测试这套仪器。
这项新技术包含三个主要部分：日冕仪、一组光纤和一台高分辨率光谱仪。日冕仪是望远镜中用于遮挡或去除星光、从而拍摄行星图像的装置。恒星的亮度可达其行星的数千倍至数十亿倍，因此行星很难被观测到。目前正在开发多种不同类型的日冕仪；例如，马韦特的团队最近在凯克天文台安装了新型涡旋日冕仪，并拍摄了初步图像。
获得行星图像后，下一步是使用光谱仪研究行星大气。光谱仪会将行星的光分解，揭示氧和甲烷等化学物质的“指纹”。大多数日冕仪与低分辨率光谱仪配合使用。马韦特的新技术采用了高分辨率光谱仪，具有多项优势。
一项主要优势是能进一步滤除不需要的星光。高分辨率光谱仪呈现的行星光谱特征更加细致，因此更容易辨别并分离行星光与背景星光。
这意味着，在马韦特的方法中，日冕仪无需像过去认为的那样具备强大的滤除星光能力，就能对类地世界进行特征分析。
“这项新技术不需要日冕仪那么费力地工作，这很重要，因为我们可以使用现有且已投入使用的技术，”马韦特说。他同时也是喷气推进实验室（JPL）的研究科学家；该实验室由加州理工学院为NASA管理。“借助高分辨率光谱仪，我们可以将系统灵敏度提升到当前地面方法的100至1,000倍。”
使用高分辨率光谱仪的另一项优势在于数据内容更加丰富。除了更详细地呈现行星大气中的分子成分，这些仪器还应能揭示行星的自转速率，并提供地表特征和天气模式的粗略地图。马韦特说：“这虽不太可能，但我们甚至可能有能力寻找候选类地行星上的大陆。”
在团队的设计中，日冕仪通过一组光纤与高分辨率光谱仪相连。令人意外的是，实验室实验发现，光纤也能滤除星光。
“这完全是意外之喜，”两篇新论文的合著者、马韦特团队的美国国家科学基金会博士后研究员加雷思·鲁安（Garreth Ruane）说。“这真是锦上添花。”
接下来，研究人员将在凯克天文台展示这项技术。虽然这套仪器目前还无法研究潜在的类地行星——这需要更大型的三十米望远镜——但该系统应能揭示大型气态系外行星大气的新细节，包括与我们太阳系中的行星截然不同的奇特类型。
“这项将日冕仪与高分辨率光谱仪相结合的新创新，为我们最终寻找地球以外的生命提供了清晰的路径。”
