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update: 2025/12/14
更新日期: 2025/12/14
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科學家開發獨特的數學方法 可識別外星樹木
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新浪科技訊 北京時間5月29日消息，據美國太空網報道，在對外星生命的搜尋中，科學家們正在開始嘗試跳出單細胞生命結構的限制，去尋找那些多細胞的生物。在最新一期出版的《宇宙生物學》雜誌上，研究人員們發表了一篇論文，提出了一種獨特的數學方法，用以搜尋存在於係外行星表面的樹木類多細胞生物。
這項研究的首席作者克裏斯多夫·道忒(Christopher Doughty)說：“這項技術將允許我們識別出那些可能擁有複雜高級生命的星系，並將這些生命與簡單生命體區分開來。”克裏斯多夫是英國牛津大學環境變化研究院的高級研究員，其研究的方向是熱帶森林。
換句話說，科學家們認為他們能夠觀察一顆遠在太陽系之外，甚至在望遠鏡中也只有一個模糊光點的行星，然後判斷其表面是否存在森林。他們認為這些行星反射的光能夠讓科學家們識別出這些資訊。
去除陰影效應
到目前為止，科學家們已經設計出多種方法來探測係外行星表面可能存在的生命。
一些科學家主張對係外行星的大氣成分進行探測，重點尋找氧氣的線索，因為在地球上，氧氣主要是植物光合作用的副產品，被視作一種生物“簽名”。另外一些專家則主張對光譜中的“紅邊”信號進行檢測。反射光譜中的“紅邊”特徵可以讓研究人員識別出植物進行的光合作用。
對地球氣候進行研究時，了解地表的亮度非常關鍵。而為了確定地表亮度值，首先必須去除由於地表各種結構造成的陰影效應。
在數學上，用於估算陰影效應程度的方法是“雙向反射分佈函數”，簡寫為BRDF。它主要描述從不同的角度觀察物體，看到的不同陰影效果。這種方法已經在現有的地球衛星圖像分析中採用。
克裏斯多夫解釋說：“想像在一個陽光明媚的日子外出，當太陽高高在上時，你看不到自己的影子。此時如果有人在你的正上方給你拍張照，他就會發現沒有陰影干擾，圖像亮度高。然後過了幾個小時之後，你就會發現由於太陽偏西，開始出現影子了。現在再從你頭頂上給你拍張照片的話，亮度相對就會低一些，因為有了影子的影響。”
地球上的樹木在進化中發展出了傘狀的外形，這是因為長期以來樹木對陽光的競爭，以及對水和營養物質的需求所導致的。據此，研究人員們預計，如果外星球同樣存在樹木類的生物，並且同樣依賴光和作用，那麼出於同樣的理由，它們也必定會進化出傘狀的形態，並投下陰影。
克裏斯多夫和研究合作者，來自美國普林斯頓大學的亞當·沃爾夫(Adam Wolf)運用BRDF模型來模擬不同光照角度下行星反光的特徵，以及在有無植被覆蓋的情況下行星亮度上將出現的細微差異。研究人員們認為，在一顆擁有森林的行星上，當你的觀察視線和當地“太陽”的光照角度一致時，你看到的行星亮度將最大。這一位置內稱為“熱點”，因為在這一位置沒有陰影存在。
克裏斯多夫解釋說：“即便由於解析度限制，整個係外行星看上去僅僅是一個不足一像素的光點，在某些條件下，在它圍繞恒星公轉過程中，如果它表面存在植被，你總能察覺出它出現有特徵的亮度變化。”
當然還有其他會影響行星亮度的因素，比如是否存在水。一顆被水面或冰面覆蓋的行星，其反射亮度將遠遠大於一顆沒有水或冰面的行星。
搜尋生命線索
隨著越來越多的係外行星被發現，學界對於發展用以探測類地行星表面生命的技術越發感興趣。為了做到這一點，天文學家們需要依靠找到“生物學簽名”，即證明這些行星在過去或現在存在生命現象的證據。
除了對氧氣信號的探測，科學家們還考慮了對行星表面反射光譜進行分析，並從中了解不同波段放射特徵的技術
“科學界現在已經有成熟的技術能在岩石行星的表面尋找生命的化學線索，但是這需要發射探測器實際登陸這顆行星表面進行直接取樣檢測才行，就像火星車做的那樣。”南希·蔣(Nancy Kiang)說。她是美國宇航局戈達德空間技術研究院的科學家，主要專業領域是地球生物氣象學以及生物地球化學。“而天文學上的探測技術則需要依靠望遠鏡。目前我們對於生物簽名的探索主要依賴對於大氣成分以及地表反射特徵的光譜學信號分析。”
但是此次論文中提出的方法與南希所說的，是兩種不同的技術。
克裏斯多夫表示：“這種技術(BRDF)可以區分出這顆行星上存在的是單細胞生物還是樹木類型的多細胞生物。”
而南希則認為這項研究是“一個良好的開端，對於生物簽名的概念是一種原創性的貢獻”。但她也同時指出，運用BRDF函數方法需要事先知道另一種生物學簽名，即植物葉片的反射光譜信號，從而允許選擇正確的波段進行函數計算。
南希說：“這種方法將有助於研究人員將複雜的高級生物體和那些低等生物，如黏菌，區別開來。”