系外星球上的閃電

自然界最震撼的閃電奇觀之一。閃電可出現(xiàn)于潮濕的云層，噴發(fā)的火山灰或太陽系外的世界。圖為智利pccvc火山群的閃電照亮了天空。

閃電是一種稍縱即逝的現(xiàn)象，它能塑造行星的大氣層，甚至激發(fā)出生命。閃電對(duì)研究大氣成分具有重要的價(jià)值。研究學(xué)者迫切想知道更多關(guān)于其他星球是否也有閃電的可能性，這不僅僅是因?yàn)樗绊懥颂枕?xiàng)目所使用的技術(shù)裝備，更是因?yàn)樗菍ふ彝庑巧锎嬖谧C據(jù)的一個(gè)重要線索。

1979年3月5日，“旅行者”號(hào)航天器疾馳經(jīng)過木星，并發(fā)送回來一幅帶有顆粒的快照，所拍內(nèi)容先前只在地球上看到過：閃電爆發(fā)。這證明這種大氣中的奇觀并非地球所獨(dú)有。

閃電一是股由極速的電子形成的大氣層規(guī)模的電火花，有大氣層就會(huì)有閃電。在此次發(fā)現(xiàn)后，航天器在我們太陽系的其他星球也觀察到閃電：從金星云層的頂部到土星的衛(wèi)星泰坦，尤其是土星本身，那兒的電風(fēng)暴如此巨大和光亮，甚至白天都光芒四射。

同樣，在浩瀚的銀河系中千千萬萬系外行星的天空中肯定有強(qiáng)大的電流爆裂。不過，迄今尚未得到證實(shí)。蘇格蘭圣安德魯斯大學(xué)的德國物理學(xué)家克里斯蒂安·海林想確認(rèn)數(shù)十萬光年遠(yuǎn)的外星閃電，但由于我們還沒有比光速更快的交通工具，所以她只能用功能日益強(qiáng)大的天文望遠(yuǎn)鏡來觀察。

這樣的搜索觀察很重要，因?yàn)楸M管閃電來去匆匆，瞬間即逝，但是電爆裂會(huì)改變其周圍空氣的構(gòu)造。實(shí)際上，閃電的作用很巨大，它正是生命自身最為重要的組成部分。

一切形式的閃電都起始于云層，所以海林的研究也是如此。她總是很喜歡研究她所謂的“微物理學(xué)”，這是一種用肉眼看不見的微小尺度上的微細(xì)顆粒的相互作用。2001年，博士后海林研發(fā)出名叫“漂移”的計(jì)算機(jī)模型。描述在重力作用下，微細(xì)顆粒在云層中漲落起伏的運(yùn)動(dòng)狀況。她逐漸了解到建立模型對(duì)于剛開始研究閃電的新手非常重要。

海林使用計(jì)算機(jī)模型模擬灰塵在褐矮星的大氣層中的旋轉(zhuǎn)和卷渦運(yùn)動(dòng)。褐矮星是氣態(tài)構(gòu)造，它尺寸太大，溫度太高，不能歸于行星，可是它的尺寸和溫度又算不上恒星。通過研究這些“不合格的恒星”所發(fā)出的光，天文學(xué)家可以得知它們的構(gòu)造成分。到目前為止，天文學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了許多熟悉的分子，如氧和二氧化碳，以及硅和鐵礦物質(zhì)。

使用模型“漂移”，海林發(fā)現(xiàn)這些分子能形成她所謂的“寶石云彩”，這是因?yàn)樽鳛樵撇蕵?gòu)造成分的硅酸鹽和金屬會(huì)使云彩光亮四射，五彩繽紛。在她的模型中，云彩中的大氣氣體有時(shí)會(huì)凝結(jié)在閃閃發(fā)光的塵埃顆粒上，并使顆粒尺寸增大至數(shù)毫米的尺度。這里正是人們感興趣的地方，因?yàn)檫@些顆粒經(jīng)常發(fā)生碰撞，產(chǎn)生出閃電爆發(fā)的要素——電荷。

在我們地球上，風(fēng)暴云是由帶電的水滴和冰雹組成的。但是水并不是產(chǎn)生閃電的唯一因素，它只不過是攜帶電子的媒介。在猛烈的火山爆發(fā)之后，翻轉(zhuǎn)卷渦的火山灰也會(huì)帶電。

這就為閃電搭建了舞臺(tái)。不論是來自“寶石云彩”，或水滴，還是火山灰，這些云層內(nèi)的不同電荷都創(chuàng)造出電場(chǎng)。任何自由電子會(huì)極速前進(jìn)奔向正電荷一側(cè)，正如在地球的引力場(chǎng)中的球體會(huì)下落一樣。在獲得相互碰撞、“下落”和倍增的足夠電子后，閃電就形成了。

海林的研究顯示，褐矮星的閃光云彩，也會(huì)創(chuàng)造出這樣的電荷。2009年，她感到疑惑：是否這些充滿灰塵的云彩正是外星閃電風(fēng)暴產(chǎn)生的基礎(chǔ)。

也在這一年，天文學(xué)家們開始發(fā)現(xiàn)太陽系外的眾多行星。系外行星和褐矮星在許多方面存在差異，但是就海林的研究目的來說——云層和云層內(nèi)發(fā)生的情況，行星和褐矮星是很相似的。當(dāng)在地球上都不能直接見到這兩種星體時(shí)，研究人員便可使用當(dāng)今的天文望遠(yuǎn)鏡來確定它們大氣層的化學(xué)組成。利用這些數(shù)據(jù)，模型“漂移”可揭示出氣態(tài)的系外行星大氣層也能產(chǎn)生閃光的寶石云彩。

在圣·安德魯斯大學(xué)，海林組建了一個(gè)被稱為L(zhǎng)EAP（生命、電、大氣、行星）的研究團(tuán)隊(duì)。其目標(biāo)是探索在這些新的世界中是否存在閃電，并為其他人研究系外星球閃電打基礎(chǔ)。

1996年的照片顯示，木星表面可能的雷擊點(diǎn)北緯43°～46°之間。

斯坦利·米勒和哈羅德·尤里在1950年代的實(shí)驗(yàn)表明，閃電是產(chǎn)生生命的關(guān)鍵因素。

首先搞清楚一陣閃電是如何從翻旋的塵埃中產(chǎn)生的，這是海林計(jì)算機(jī)模型的關(guān)鍵任務(wù)。幸運(yùn)的是在地球上存在著太陽系外云彩的模擬物。海林說：“令人興奮的是它們的組成與我們知道的火山云的組成是類似的。”

2013年，慕尼黑大學(xué)的火山學(xué)家科拉多·西馬里利在實(shí)驗(yàn)室中通過極高壓力把塵埃推進(jìn)小型玻璃管的方法再現(xiàn)出閃電。他用慢鏡頭闡明實(shí)驗(yàn)室制造閃電的過程。在屏幕上閃爍的是從加壓玻璃管內(nèi)釋放出帶電的黑色顆粒狀水霧（如同消防水管中噴出的水），表現(xiàn)出一段一厘米長(zhǎng)的白色紋理。

將這些實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)輸入模型“漂移”，海林發(fā)現(xiàn)閃電能在氣態(tài)的系外行星和褐矮星上發(fā)生，呈現(xiàn)如同美國帝國大廈尺度的帶狀。

使用與“寶石云彩”類同的材料由西馬里利制造的實(shí)驗(yàn)室閃電說明，當(dāng)塵埃快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，最經(jīng)常出現(xiàn)的閃電像流光。這意味著閃電最有可能出現(xiàn)在行星上，并伴有來自主恒星的大量光和輻射以產(chǎn)生風(fēng)。

寶石云彩及其伴隨的閃電存在的普遍性超出了海林的想象，她確定外星閃電會(huì)在貫穿宇宙的環(huán)境中閃爍。但是她該如何區(qū)分出外星閃電？因?yàn)橄低庑乔螂x我們太遠(yuǎn)，無法直接觀察，所以這不單純是發(fā)射一個(gè)太空探測(cè)器去測(cè)量或指揮哈勃望遠(yuǎn)鏡去接近目標(biāo)的簡(jiǎn)單問題。

為了搞清楚如何尋找太陽系外閃電的真正證據(jù)，海林把“漂移”的編碼與另一個(gè)大氣模型“鳳凰”相結(jié)合，此模型是由漢堡大學(xué)的天體物理學(xué)家研發(fā)的。“鳳凰”能將“漂移”模型模擬的單個(gè)云彩放置于整個(gè)行星的背景上。采用漂移-鳳凰的結(jié)果，海林弄清閃電會(huì)在各自的大氣層中留下怎樣的痕跡。結(jié)果是，不論在地球上還是在其他地方，凡是發(fā)生閃電的地方，甲烷和一氧化碳的含量都略高。

當(dāng)今的天文臺(tái)著重獲取大氣層的重大特性，而對(duì)收集閃電留在系外世界上的化學(xué)物遺跡則不夠敏感。到2018年，發(fā)射詹姆斯·韋伯太空望遠(yuǎn)鏡時(shí)，就會(huì)幸運(yùn)地看到關(guān)于系外行星更有說服力的情景。這種獨(dú)特的景色將會(huì)使天文學(xué)家們見到一個(gè)電爆的世界。但這并不是發(fā)現(xiàn)閃電的特征標(biāo)記的全部意義所在。

更引人注目的是，閃電可能是孕育生命的關(guān)鍵因素。60年前，由生物化學(xué)家斯坦利·米勒和哈羅德·尤里所做的實(shí)驗(yàn)證明，如果你把從地球上找到的潮濕的混雜在一起的成分——水、氨、甲烷、氫氣加上電火花，你便能得到氨基酸——已知所有生命的基礎(chǔ)構(gòu)件。

但這并不意味著閃電等于生命，兩者相差甚遠(yuǎn)，但閃電卻是尋找生命現(xiàn)象的關(guān)鍵線索。