很少有比宇宙中其他地方存在生命的可能性更引人入胜的问题了。但是，由于外星人没有访问我们的星球，而且我们近期也不会去他们遥远的家园，因此，关于遥远世界存在生物的间接证据是我们获得答案的最佳途径。
问题在于，行星和卫星不仅比它们的主恒星小得多，而且也暗淡得多，这使得直接观测极具挑战性。幸运的是，富有创造力的天文学家已经设计了观测方法，可以探测到围绕遥远恒星运行的行星，并值得注意的是，可以获得它们大气的大致化学成分。这就是生命的关键所在：如果生命在全球范围内存在于一颗行星上，它可能会在大气中留下信号。就像指纹一样，不同类型的生物活动会留下特定的 атмосферные 印记。例如，我们看到光合作用在我们大气中产生的氧气含量丰富。我们面临的挑战是破译生命在外星大气中留下的信息。
这将需要强大的望远镜，以及关于如何解码从外星世界捕获的光线中隐藏的信息的新思维方式。我们建议，我们现在依赖的信息论可以从现代通信中的噪声中筛选信号，它为天文学家提供了可用于探测其他世界生物活动迹象的工具。该方法分两个步骤进行：在捕获系外行星的光之后，我们使用信息论来搜索与生命存在相关的化学物质。在通信中，字母表中的字母构成句子，而在天体生物学中，将是存在于遥远世界大气中的特定化学物质。
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今天，我们可以通过凌日光谱学最好地推断系外行星的化学成分：当行星从地球的角度看，从其恒星前方经过时，行星的大气层会吸收一些星光。由此产生的吸收光谱看起来有点像锯齿状山脉的轮廓，山谷对应于吸收来自恒星的光的不同化学元素。由此，原则上我们可以推断那里是否存在任何类型的生物活动。
如果我们知道如何寻找它，那就可以了。事情听起来很有希望，直到我们开始提出更难的问题。首先，我们假设这些生物特征是针对我们地球上已知的生命。也许这是一个好的起点，但是我们如何确定这将是我们所发现的呢？即便如此，我们应该寻找哪些类型的大气生物特征？此外，如果我们正在寻找某种类似地球的行星，那么我们是在其进化历史的哪个阶段捕捉到它的？自从生命在35亿年前首次出现以来，地球大气层已经发生了巨大的变化。一位外星天文学家在不同的地质时期观察我们，会注意到巨大的变化。在那段时间里，生命大大增加了地球大气中的氧气和臭氧，并引发了甲烷的波动。最后，主恒星有各种大小和温度，并且会在其存在期间发生转变。不同的主恒星——从炎热的黄色恒星到较冷的红色恒星——在不同的生命周期阶段会以不同的方式影响它们的行星。
由于所有这些原因，我们需要调用多种方法来搜索其他世界大气中生命的迹象。在最近的一篇论文中，我们提出了信息论——一种从任何类型的数据传输中的噪声中解码信号的方法——作为这些关键工具之一。该分析将来自模拟系外行星的光谱数据与我们自己的地球在广泛的天体物理和行星背景下进行了比较：在它们进化的不同阶段以及围绕不同的主恒星运行。结果表明，我们的工具可以可靠地分析来自当前和未来观测的真实数据，以搜索外星生物特征。我们从信息论中改编而来的度量标准，称为Jensen-Shannon 散度，直接比较任意两个吸收光谱，并量化它们的相似程度（或不相似程度）。这种“构型熵”度量标准是行星光谱模式细微变化的极佳鉴别器。较小的值意味着两个比较世界具有非常相似的整体大气成分；较大的值意味着它们非常不同。然后，我们使用更精细的诊断工具来计算特定光波长的构型熵，即电磁频谱中“光谱特征”——某些物质山脉轮廓上的山谷——最容易看到的区域。通过这种方法，我们可以集中关注特定化合物，如 CO2 或甲烷，或两种化合物同时出现，如甲烷和臭氧，并直接比较它们在两个世界上的丰度。
对我们来说，系外行星是“地球类似物”，不仅当它的半径和质量接近地球时，而且当它的吸收光谱在信息空间中非常接近地球在我们星球数十亿年历史中的光谱时。这扩展了天体生物学中广泛使用的“类地”概念，超越了我们生物圈的当前状态，进入其遥远的过去（和可能的未来），那时生命的全球指纹可能会非常不同。我们考虑了地球在其进化过程中的三个阶段，从大约 20 亿年前的大氧化事件之后，大气中几乎没有氧气，海洋和海底岩石中只有少量氧气，到 8 亿年前，氧气含量约为 10%，最后到现代的 21%。
我们提出的信息度量标准可以根据世界的光谱特征来区分世界。我们仍然必须小心，因为行星的年龄和恒星类型仍然会混淆我们对密切匹配的生物特征的搜索。为了自信地识别地球类似物，我们需要找到围绕像我们太阳一样的恒星运行的系外行星。但是我们期望生命比我们目前基于在地球上看到的假设更具创造力。
当我们比较现代地球特定化合物的光谱特征与围绕不同主恒星运行的类地行星的光谱特征时，我们发现我们的方法非常适合识别可能归因于生物活动的内容以及它如何在漫长的岁月中发生变化。当然，准确性取决于光谱有多干净（或“低噪声”），但即使在JWST 的能力范围内，结果也非常有希望。此外，我们的信息度量标准可以作为比较基础应用于任何类型的世界，而不仅仅是地球类似物。这意味着我们可能可以识别出真正外星类型的生物活动，这些活动不符合我们在地球上看到的情况，例如，通过挑出与其相关的异常大气化学成分。这种开放性和灵活性对于我们寻找我们所知的生命以及我们不知道的生命至关重要。
我们可能还不知道我们在宇宙中是否是孤独的，但如果生命隐藏在其他地方，我们应该很快就能找到它。
这是一篇观点和分析文章，作者或作者表达的观点不一定代表《大众科学》的观点。