新数学方法或可助搜寻外星树木

上一篇 / 下一篇  2011-08-29 21:27:14

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如果系外行星表面被发现存在植物,它们可能会和地球上的植物非常不同。一些宇宙生物学家认为那些星球上的植物颜色或许非常不同,而不一定是绿色。

北京时间5月29日消息,据美国太空网报道,在对外星生命的搜寻中,科学们正在开始尝试跳出单细胞生命结构的限制,去寻找那些多细胞的生物。在最新一期出版的《天体生物学》杂志上,研究人员们发表了一篇论文,提出了一种独特的数学方法,用以搜寻存在于系外行星表面的树木类多细胞生物。

这项研究的首席作者克里斯多夫·道忒(Christopher Doughty)说:“这项技术将允许我们识别出那些可能拥有复杂高级生命的星系,并将这些生命与简单生命体区分开来。”克里斯多夫是英国牛津大学环境变化研究院的高级研究员,其研究的方向是热带森林。

换句话说,科学家们认为他们能够观察一颗远在太阳系之外,甚至在望远镜中也只有一个模糊光点的行星,然后判断其表面是否存在森林。他们认为这些行星反射的光能够让科学家们识别出这些信息。

去除阴影效应

到目前为止,科学家们已经设计出多种方法来探测系外行星表面可能存在的生命。

一些科学家主张对系外行星的大气成分进行探测,重点寻找氧气的线索,因为在地球上,氧气主要是植物光合作用的副产品,被视作一种生物“签名”。另外一些专家则主张对光谱中的“红边”信号进行检测。反射光谱中的“红边”特征可以让研究人员识别出植物进行的光合作用。

对地球气候进行研究时,了解地表的亮度非常关键。而为了确定地表亮度值,首先必须去除由于地表各种结构造成的阴影效应。

在数学上,用于估算阴影效应程度的方法是“双向反射分布函数”,简写为BRDF。它主要描述从不同的角度观察物体,看到的不同阴影效果。这种方法已经在现有的地球卫星图像分析中采用。

克里斯多夫解释说:“想象在一个阳光明媚的日子外出,当太阳高高在上时,你看不到自己的影子。此时如果有人在你的正上方给你拍张照,他就会发现没有阴影干扰,图像亮度高。然后过了几个小时之后,你就会发现由于太阳偏西,开始出现影子了。现在再从你头顶上给你拍张照片的话,亮度相对就会低一些,因为有了影子的影响。”

地球上的树木在进化中发展出了伞状的外形,这是因为长期以来树木对阳光的竞争,以及对水和营养物质的需求所导致的。据此,研究人员们预计,如果外星球同样存在树木类的生物,并且同样依赖光和作用,那么出于同样的理由,它们也必定会进化出伞状的形态,并投下阴影。

克里斯多夫和研究合作者,来自美国普林斯顿大学的亚当·沃尔夫(Adam Wolf)运用BRDF模型来模拟不同光照角度下行星反光的特征,以及在有无植被覆盖的情况下行星亮度上将出现的细微差异。研究人员们认为,在一颗拥有森林的行星上,当你的观察视线和当地“太阳”的光照角度一致时,你看到的行星亮度将最大。这一位置内称为“热点”,因为在这一位置没有阴影存在。

克里斯多夫解释说:“即便由于分辨率限制,整个系外行星看上去仅仅是一个不足一像素的光点,在某些条件下,在它围绕恒星公转过程中,如果它表面存在植被,你总能察觉出它出现有特征的亮度变化。”

当然还有其他会影响行星亮度的因素,比如是否存在水。一颗被水面或冰面覆盖的行星,其反射亮度将远远大于一颗没有水或冰面的行星。

搜寻生命线索

随着越来越多的系外行星被发现,学界对于发展用以探测类地行星表面生命的技术越发感兴趣。为了做到这一点,天文学家们需要依靠找到“生物学签名”,即证明这些行星在过去或现在存在生命现象的证据。

除了对氧气信号的探测,科学家们还考虑了对行星表面反射光谱进行分析,并从中了解不同波段放射特征的技术

“科学界现在已经有成熟的技术能在岩石行星的表面寻找生命的化学线索,但是这需要发射探测器实际登陆这颗行星表面进行直接取样检测才行,就像火星车做的那样。”南希·蒋(Nancy Kiang)说。她是美国宇航局戈达德空间技术研究院的科学家,主要专业领域是地球生物气象学以及生物地球化学。“而天文学上的探测技术则需要依靠望远镜。目前我们对于生物签名的探索主要依赖对于大气成分以及地表反射特征的光谱学信号分析。”

但是此次论文中提出的方法与南希所说的,是两种不同的技术。

克里斯多夫表示:“这种技术(BRDF)可以区分出这颗行星上存在的是单细胞生物还是树木类型的多细胞生物。”

而南希则认为这项研究是“一个良好的开端,对于生物签名的概念是一种原创性的贡献”。但她也同时指出,运用BRDF函数方法需要事先知道另一种生物学签名,即植物叶片的反射光谱信号,从而允许选择正确的波段进行函数计算。

南希说:“这种方法将有助于研究人员将复杂的高级生物体和那些低等生物,如黏菌,区别开来。”


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