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【二氧化氮|大气污染能帮我们找到外星生命吗？】为了在宇宙中找到外星生命 ， 科学家们已经考虑过搜寻光学激光器或是类似于戴森球的大型能量收集设施 。 如今 ， 科学家又提出了一种更为普通的搜寻建议 ， 寻找系外行星大气中的空气污染 。
上图为某一系外行星上高等外星文明的概念示意图 。 有新研究表明 ， 就像生活在地球上的人类一样 ， 其他外星生命也会对其所居星球造成相应的空气污染 。 如果是这样 ， 我们就能通过检测外星污染来确定外星生命的存在 。 图源自 NASA /Jay Freidlander 。
早期的SETI(搜寻地外文明)只专注于寻找人为无线电信号 ， 可现在许多SETI的搜寻范围已经扩展到寻找来自遥远外星文明的先进技术迹象 。 科学家们现在正在探讨甚至开始寻找来自光学激光器或像戴森球一样的大型设施的信号 。 2021年2月10日 ， NASA戈达德太空飞行中心的研究员们宣布了另外一种搜寻方案 ， 这种方案让人们联想到了我们自己——如今的地球文明 。 他们建议观测系外行星的大气 ， 寻找空气污染的证据 。
戈达德太空飞行中心的研究员主要想在系外行星的大气中寻找二氧化氮气体 。 地球上的二氧化氮气体产生于早期的化石燃料燃烧 。 当然 ， 自然界中的生物活动、闪电或火山喷发也能产生二氧化氮 。 有一篇关于此项研究的新论文 ， 虽未经过同行评审 ， 但已于2月9日提交给了arXiv网站（一个收集各领域论文预印本的网站） ， 并将发表在《天体物理学》杂志上 。 论文的第一作者Ravi Kopparapu在一份声明中解释道：
在地球上 ， 大部分二氧化氮来自人类活动 ， 例如汽车尾气排放和化石燃料发电厂的运转 。 在低层大气中（距地面约10~15公里范围内） ， 人类活动产生的二氧化氮量远远超过了自然界产生的二氧化氮量 。 因此 ， 观测到宜居行星上有二氧化氮则预示着工业文明的存在 。
该项研究和其他类似的研究都基于这样一个事实：科学家们推测 ， 地球之外的化学反应方式与地球上的化学反应方式相同 。
地球上的二氧化氮主要来自于汽车尾气和化石燃料发电厂产生的废气 。 二氧化氮真的可以成为我们在茫茫宇宙中寻找外星文明的依据吗？图源自网络 。
科学家们也对寻找系外行星大气中的某些混合气体充满兴趣 ， 例如甲烷和氧气的混合气体 ， 这种混合气体是某种活跃生物存在的证据 。 科学家认为二氧化氮是一种可能的技术特征 ， 而某些混合气体可能是生物本身存在的标志 。 新论文的合著者Jacob Haqq-Misra说道：
还有一些研究认为氯氟烃是一种可能的技术特征 。 氯氟烃是工业产物 ， 被广泛用作制冷剂 ， 但它损耗臭氧 ， 后来又被淘汰 。 氯氟烃也是一种强大的温室气体 ， 它可以通过从大气中提供额外的暖化作用来改造像火星这样的行星 。 据我们所知 ， 氯氟烃不由生物产生 ， 因此它的技术特征比二氧化氮更加明显 。 然而 ， 氯氟烃又是一种非常特殊的人造化学品 ， 它可能不会普遍存在于地球之外的环境中；相比之下 ， 二氧化氮却是一切燃烧的普通副产品 。
这种可能性看起来很合理 。 如果我们对地球大气的污染是常态化的 ， 其他行星上的文明也会如出一辙吗？要解答这个疑问 ， 还需要考虑很多问题 。 例如 ， 一个存在了多久、先进程度有多高的文明才会产生这样的迹象？先进程度远高于我们的外星文明是否已经通过技术革新消除了污染迹象？
上图为戈达德太空飞行中心的Ravi Kopparapu ， 新研究的领头人 。 图源自戈达德太空飞行中心 。
研究员们是如何确定搜寻作为外星生命活动副产品二氧化氮的可行方式的？系外行星离我们十分遥远 ， 人类目前的望远镜能观测到它们吗？通过计算机建模 ， 研究员发现 ， 如果在离我们30光年远的地方存在一个外星文明 ， 该文明产生的二氧化氮量与我们相当 ， 那么即将投入使用的NASA大型望远镜运作400小时就能发现它 。 400小时是相当长的观测时间 ， 但也大致相当于哈勃太空望远镜对深空的观测时长 。
研究还表明 ， 如果系外行星公转恒星的温度比太阳的温度低（如一颗红矮星） ， 我们将更容易观测到它的二氧化氮 。 因为温度更低的恒星散发更少的紫外线 ， 而紫外线可以消杀二氧化氮 。 红矮星比类日恒星多得多 ， 在银河系中比比皆是 。
如果我们在系外行星上探测到了二氧化氮 ， 如何辨别其来源呢？是自然产生 ， 还是人为排放？这要经过仔细分析才可知晓 。 正如新论文的另一位合著者Giada Arney的阐述：
地球上约76%的二氧化氮来自工业活动 。 如果我们在另一颗行星上探测到二氧化氮 ， 我们首先会通过建模来估计自然界中二氧化氮含量的最大阀值 。 如果探测到的二氧化氮量比模型中显示的多 ， 则多出的部分就可能来自工业活动 。 然而 ， 在找寻地外生命的过程中 ， 总是会出现假阳性的错误 ， 在未来的工作中我们要有自信 ， 确保能辨别真阳性和假阳性 。
然而 ， 即使进行广泛的观测 ， 也不容易看见二氧化氮 。 云层或气溶胶可能会阻碍观测 ， 因为它们吸收光谱上相似的波长 。
上图为戴森球或戴森环 ， 高度发达的外星社会假想设施 ， 用于收集恒星能量为己所用 。 它们是科学家正在寻找的另一种技术特征 。 图源自维基百科 。
NASA在2018年召开了一场技术签名研讨会 ， 该研讨会聚焦搜寻外星智慧生命的新方法 。 这些方法包括：寻找光学激光脉冲 ， 寻找比我们更加先进的文明建造的大型设施 ， 或寻找其他可能改变行星环境方式的标志 。 研讨会激发了科学家寻找外星智慧生命的新兴趣 ， 但更多的科学家想拓宽寻找智慧生命的途径 ， 这是一项伟大的事业 。
我们不知道第一份外星生命的证据是什么 ， 也不知道它何时会出现 ， 但如果二氧化氮污染理论成立 ， 它将完美反映我们自己的地球文明 。
结语：NASA的科学家提出了一种搜寻外星文明的新方法：寻找系外行星的大气污染 ， 这种污染与地球大气污染相似 。
作者：Paul Scott Anderson
FY：Astronomical volunteer team
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