行星们笼罩在雾霾之中，藏起了有关它们构成的线索。实验室的实验可以帮我们获得更清晰的视野。
2013年，在芝加哥大学一间没有窗户的办公室里，劳拉 · 克莱德伯格（Laura Kreidberg）正凝视着一颗遥远星球的天空。那年，克莱德伯格还是一名天文学研究生，她解析了哈勃空间望远镜的数据，当时该望远镜正在观测系外行星GJ1214b，它大约是地球的三倍大。在天文学家们寻找有关外星世界本质的线索时，GJ1214b是研究的热门目标，不仅因为它相对较近，距离地球只有48光年远，还因为它每1.5天就环绕它的恒星运行一圈。每运行一圈时，我们就可以细细检查它的大气层。
每当这颗行星凌越它的母恒星时，它都会短暂地遮住母恒星的一部分表面。于是，恒星的一小部分光线穿过这颗行星的大气层，而大气层中的不同分子以各自的特定波长吸收光线。克莱德伯格对15次凌日的哈勃观测数据做了分层，希望能够看到GJ1214b的大气层如何吞噬部分光谱，从而造成了明显的光度减少。如果能找到水蒸气分子的特征标记，也许暗示着这颗星球上存在海洋，而硫分子的特征标记则可能意味着有火山存在。
克莱德伯格如今在马克斯 · 普朗克天文研究所工作，她说，但令她失望的是，“光谱变得越来越平，越来越平，越来越平。”光线根本没有穿透大气层。她的结论是，这颗行星密不透风的大气层只能表明一件事：在大气层高处有一层气溶胶阻挡了光线。她想捕捉的化学丰富性被藏在了神秘的云霾之下。
她沮丧地写下了她的研究结果。这篇于2014年发表在《自然》期刊上的论文引发了一众系外行星天文学家的思考。此前，他们已经花了几十年时间准备用詹姆斯 · 韦布空间望远镜（JWST）去解剖系外行星的大气层。这台巨大的新型空间望远镜于去年开始运行，其聚光能力是哈勃望远镜的六倍。由于它的分辨率极高，且可观测波段延伸至红外线，天文学家们希望探测到潜在的系外行星生物特征，也就是指示生命迹象存在的分子，比如氧气或二氧化碳和甲烷的组合。
但他们基本忽略了JWST的视野被悬浮气溶胶阻挡的可能性。悬浮气溶胶要么是由气体凝结形成的云滴，要么是由光化学反应形成的雾霾颗粒。如今，通过对GJ1214b和少数几颗同样晦暗难辨的系外行星的观测，天文学家承认，正如雾霾和云层遮盖了太阳系中每一颗拥有大气层的行星和卫星那样，它们也很可能会遮住JWST观测的大部分系外行星目标。
“我们不想花费所有精力建造巨大的、价值数十亿美元的望远镜，只为了获取我们无法理解的数据。”卡内基科学研究所的行星学家彼得 · 高（Peter Gao）说。对于数种常见的行星气体，研究人员已经相当了解它们是如何相互作用并凝结成云的，但是雾霾可能由任意数量、成千上万个复杂分子组成，它们要更加神秘。目前没有实验室实验可以证明它们如何产生、它们是什么，以及它们如何与光相互作用。高说：“这就像拼拼图的时候缺了一块。”
值得庆幸的是，有几位研究人员已经准备好要补上那块缺失的拼图了。其中一位是约翰霍普金斯大学的行星学家萨拉 · 霍斯特（Sarah Horst），她花了数年时间在实验室中重现土卫六上的甲烷雾霾，试图以此来搞懂它（土卫六是土星的卫星之一，表面温度极低）。受到GJ1214b光谱（她称之为“科学史上最昂贵的平线”）的启发，霍斯特改进了她的实验设置，在更温暖的系外行星条件下创造出了雾霾粒子。在焦虑的JWST观测者们的要求下，霍斯特和她的同事们公布了众人期待已久的测量结果，该结果揭示了粒子如何对光进行吸收和散射，为过时的模型提供了一次重要更新，也为观测者理解被外星雾霾压平和扭曲的光谱提供了一份指南。“我们必须要去实验室复现这些条件，”克莱德伯格说，“这确实是解决这个问题的关键。”
约翰霍普金斯大学的研究人员通过在钢制实验箱中辐照气体来制造雾霾。雾霾粒子的颜色可以帮助研究人员搞清楚它们的组成
在实验室中模拟光化学的尝试可以追溯到1952年著名的米勒-尤里实验，它试图重现地球早期、生命起源之前的化学环境。20世纪70年代，康奈尔大学的行星学家卡尔 · 萨根（Carl Sagan）和比斯恩 · 卡哈（Bishun Khare）将这项实验的范围推广到了太阳系的其他天体。他们通过将氮气和甲烷气体置于光和辐射之下，制造出了由长链碳基分子构成的黏性颗粒，并称之为“托林”（tholins），这个词在希腊语里的意思是“泥泞的”。（当时排第二名的候选名字是“星沥青”）。这些粒子可以帮科学家们解释美国宇航局2015年“新视野”号在任务中捕捉到的弥漫在冥王星周围的蓝色光芒，而它们的有机复杂性则有助于推动人们在土卫六上寻找生命。
科学家们还使用了一系列仪器来研究这些粒子如何阻挡各种波长的光线——从X射线一直到微波。这项工作“可能做得有点太细致了”。吉恩 · 麦克唐纳（Gene McDonald）当时是萨根实验室的博士后，现在是得克萨斯大学奥斯汀分校的生物化学家。但正因为这项工作做得极为彻底，它的数据在半个世纪之后仍然很有价值。
萨根和卡哈展示了雾霾粒子如何将光散射到不同的方向，这会削弱星光穿过行星大气层时的许多独特的吸收特征。但是他们发现这种效应取决于粒子的大小和组成。例如，地球的天空之所以是蓝色的，是因为大气中小小的氮和氧分子优先散射较短的蓝色波长的光，而云看起来呈白色，是因为它们由更大的水滴构成，而这些水滴会均匀地散射阳光。
研究人员发现，除了散射光之外，托林还可以吸收特定波长的光，它的每个分子键都会吸收光谱中的一小片。尽管系外行星的雾霾可能会盖住表明大气层气体构成的迹象，但托林自身的吸收特征也提供了线索。如果相应的托林粒子曾在实验室中得到过研究，人们就可以根据实验中使用的气体推断出大气成分。
“大多数时候，人们把这些粒子看作麻烦。”安娜堡市密歇根大学的天文学家莉亚 · 科拉莱斯（Lia Corrales）说。科拉莱斯和同事们在预印本服务器“arXiv”上发表了一篇论文，文中表明，即使对实验条件做微小的改动，也能产生具有不同光学性质的托林。“气溶胶本身就携带了一些（成分）信息，因为它们具有光谱形状。”她说。
为了从他们观察的光谱中收集信息，天文学家需要找到一个比较点：一种给定的气体、云和雾霾混合物的预测光谱。科学家们利用“行星光谱生成器”等计算机程序对假想的大气层进行预测，据该程序的开发者、美国宇航局戈达德太空飞行中心（GSFC）的杰罗尼莫 · 维兰纽瓦（Geronimo Villanueva）介绍，该程序每月的点击量有时会超过100万次。除了改变大气成分，该程序的用户还可以通过输入雾霾或云层的光学特性来生成它们。
难点在于如何搞清楚这些特性。程序有云类的数据库，但没有不同雾霾的数据。事实上，大多数建模人员仍然依赖于40年前萨根-卡哈实验中的托林的特性数据，但该实验是为土卫六设计的，而土卫六所处的环境与大多数系外行星的大气完全不同。一些人则选择使用普通煤烟霾的数据，煤烟霾的特性的确经过了充分的研究，但也不太可能在系外行星上发现。马里兰大学帕克分校的天文学家伊莉莎 · 肯普顿（Eliza Kempton）表示：“我们的‘菜单’上基本就只有两个选择，除此之外就只能编了——我们只能猜测。”错误的猜测就意味着可能会搞错大气的构成。维兰纽瓦说，多年来，有关系外行星雾霾的知识空缺一直是“房间里的大象”。
在艺术家的构想中，一颗距离地球700光年的恒星发出的光正在WASP-39b的潮湿云顶上闪耀，这是一颗富含水的气态巨星。天文学家最近报告称，在它的天空中探测到了二氧化硫——烟雾的成因之一
康奈尔大学的天文学家妮科尔 · 刘易斯（Nikole Lewis）说，系外行星学和行星学之间的脱节延缓了填补这一空缺的努力。美国宇航局提供的资助项目是彼此独立、互不联系的。“我们用来探索太阳系行星的基础设施是不能立即转移给探索系外行星用的，”她说，“基本而言，我们只能靠制造声势，才能够进行这些类型的实验。”
于是，路易斯开始自己营造声势。当平坦得令人失望的系外行星光谱慢慢显现出来时，刘易斯求助了读研究生时的密友霍斯特，后者为了研究土卫六，正刚开始建造自己的托林实验室。在一年的时间里，刘易斯致力于说服霍斯特改进她的设置，使用不同的气体混合物和更高的温度，为亟待研究的系外行星目标做准备。最终，在2016年，该团队收到了来自美国宇航局一个新的系外行星研究项目的资金。她们准备好要制造一点外星沥青了。“我们知道这些实验将会非常非常困难，而且心里多少有点花了大钱之后的后悔情绪，”霍斯特笑着说，“我们为外星人可付出太多了。”
第一个挑战是找出尚未被观测到的大气成分。首先，霍斯特和刘易斯将她们的研究范围缩小到了超级地球，即质量是地球2到10倍的系外行星。（超级地球是银河系中最常见的行星类型，也是JWST的主要观测目标。）随后，他们运行模型来预测可能存在于一系列温度和体积成分中的大气气体。她们得到了12种原型，这些原型都是氢气、水蒸气和二氧化碳等气体的假设性组合，理论上能够代表真实的系外行星环境。
然后，实验过程中也出现了障碍。首先，她们必须设法同时混合八到九种气体，而其中许多气体要么有毒、要么易燃，要么难以处理。接下来，不像模拟土卫六环境那样需要将气体冷却，她们必须将混合物加热到520℃以上。最难搞的是富含水分的行星：它们可能是生命的避难所，但是对于研究科学家何超来说，这让他痛苦不已，因为他需要整夜不停地跋涉到实验室去更换干冰。在适当的压力下，低温有助于水蒸发进入实验箱。“我不得不给这个实验当保姆，”他说，“这可不是什么开心事。”
当他打开某个阀门时，气体混合物会沿着管道流下，绕着一个加热线圈旋转后，再流过一个水瓶大小的不锈钢实验箱。在实验箱内，气体被维持在轻压力下，以模拟大气层顶部的稀薄空气。他会用紫外线照射实验箱以模仿星光，或是用等离子体放电源对其进行辐照以模仿太阳风暴和宇宙射线。3到5天后，他抽出气体，打开手套式密闭室内的实验箱。他需要用勺子刮下箱壁上的托林，放进一个小瓶或碟子里。
研究小组本来担心，这些设置上的修改可能无法制造出足够她们研究的雾霾，也有可能会彻底毁掉设置。 “对萨拉来说，这是一次巨大的信念飞跃，”刘易斯说，“而它获得了回报。”
研究人员使用显微镜、光谱仪和其他仪器测量了这些粒子的大小、光学性质和密度。很明显，这些金色和橄榄绿色的样品，与萨根和卡哈模拟土卫六时得到的褐色托林完全不同。部分实验在没有添加甲烷的情况下也产生了雾霾——尽管长期以来，甲烷一直被认为是这些大型有机分子的必要成分。另一个惊喜来自萨拉 · 莫兰（Sarah Moran），莫兰当时是霍斯特的研究生，现在是亚利桑那大学的天文学家，她把样本带到了位于法国格勒诺布尔的行星学和天体物理学研究所。（去的路上，她祈祷自己不会因为行李箱里的“颜色诡异的古怪粉末”而被海关拦下。）在那里，莫兰发现这些托林似乎含有氨基酸和碱基——构成生命的基本成分。
这可能并非巧合——一些研究人员认为，雾霾可能是启动生命的关键因素。2017年，戈达德太空飞行中心的天体生物学家贾达 · 阿尼（Giada Arney）模拟了早期地球上雾霾的行为，她认为早期地球在“我们拥有地化数据的行星里，是我们最陌生的”。
人们认为，在数十亿年前的那个时候，地球的大气主要由氮气构成，还有一些二氧化碳、甲烷和水蒸气。这个配方会产出类似于土卫六的有机雾霾和今天地球上的水云。阿尼运行了气候模型来模拟这些气溶胶对类地行星的影响。她发现，雾霾不仅有复杂的有机化学物质，有些雾霾还能反射光线，帮忙防止行星过热，而另一些雾霾则能够减少行星表面高达97%的紫外线。这两种效应都可能让系外行星变得更适宜居住。
她还发现，某些雾霾只有在大气中含有大量甲烷时才会形成，而这个数量级的甲烷一定是由活的生物体产生的。阿尼说，这种雾霾本身可能就是一种生物特征，而这种特征也许是JWST能够探测到的。但是她说，要想探测到它，没有“一个内容丰富翔实的雾霾光学特性资料库”是不行的。
最终，她的心愿实现了。2023年1月10日，霍斯特和他的同事在arXiv上发布了一项研究，揭示了她们制造的两种系外行星托林在整个JWST观测波长范围内的光学特性。这两种托林是在温暖、富含水分的大气层中产生的，这种大气层产生的雾霾最多。
研究小组计划制造更多的雾霾类似物，将它们的实验条件与即将收到的JWST的观测结果进行对比，并对产量最多的托林进行编目。高说，系外行星天文学家们正迫切地想要得到他们手中的数据。“我们已经等了这数据几十年了，真的，”他说，“萨拉的成果会立刻被世界各地的团体用上。”
不过，霍斯特的实验只能探索无数可能的行星环境里的很小一部分。还好，她不是这场“托林游戏”里唯一的玩家。在美国宇航局的喷气推进实验室（JPL），本杰明 · 弗勒里（Benjamin Fleury）正在探索更热的系外行星上可能形成哪种雾霾，这类巨大的、近在咫尺的“热木星”的温度要超过1200℃。在巴黎附近的大气、周围环境及宇宙观测实验室（LATMOS），科学家们对土卫六雾霾实验做了改进——比如加入氧气——以让实验环境接近类地系外行星上可能存在的环境。
一些研究人员则在关注系外行星云，比如普渡大学的大气科学家亚历山德里娅 · 约翰逊（Alexandria Johnson），她在一间密封舱中制造和研究云。她想知道云和雾霾在系外行星上是如何相互作用的，例如，雾霾粒子是否可能通过提供气体凝结所需的“成核位点”来促进云的形成。大气、周围环境及宇宙观测实验室团队的行星学家托马斯 · 戈蒂埃（Thomas Gautier）说，实验的多样性是至关重要的。“没有谁会试图宣称我们做得比其他团队更好——每个团队的做法都不一样，这是一件好事。”
不过，只有在大家有了共识、进度一致的情况下，这样划分工作才会有所回报。得克萨斯大学圣安东尼奥分校的余馨婷最近发起了第一项跨实验室的托林比较研究，这项研究将使托林的生产和测量技术标准化，增强业内研究人员对实验结果的信心。与此同时，美国宇航局艾姆斯研究中心的埃拉 · 夏马-奥布莱恩（Ella Sciamma-O'Brien）正在建立一个集中数据库，以便不同团队存放他们的光学测量结果。
随着JWST的新观测数据大量涌入，这类合作成果将会变得非常有用。JWST的观测数据中也会包括对GJ1214b的观测资料，这颗行星是这一切的始作俑者。2022年7月，肯普顿、克莱德伯格和她们的同事们花了40个小时在望远镜上观察它。她们仍在分析观测结果，但是，多亏了JWST的红外成像技术和这些实验性雾霾的帮助，克莱德伯格期待着能够破译她那么久以来始终未能得见的大气层。
“这颗行星有点像白鲸——我们已经追寻它的秘密十多年了，”克莱德伯格说，“我想这次我们终于抓住它了。”
资料来源 Science
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本文作者扎克·萨维茨基（Zack Savitsky）是专注于自然科学领域的科学记者。