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如何寻找外星生命?探测生命对行星大气的影响

时间:2018-09-04  来源:博科园  作者:浏览:  评论:  条  加入收藏

不同时间的生物特征和大气气体可能是探测系外行星生命的两种可能方式。寻找其他行星上可能存在的任何生命都是极具挑战性的。即使在太阳系里,我们可以把探测器和轨道探测器送到火星等感兴趣的星球上,也很难评估是否有微生物存在或曾经存在过。在研究系外行星的时候,我们只能看到穿过行星大气层的星光,希望它能显示出生命产生的气体的吸收或发射线。

对可居住的外行星印象概念图,季节性的变化和这种行星大气中不平衡气体的存在可能表明那里存在生命。图片:NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

博科园-科学科普:对系外行星大气的详细分析仍然主要是在未来的望远镜领域。如詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST),但理解寻找什么是在其他行星上寻找生命的重要一步。氧是由光合作用产生,通常被认为是其他星球上潜在的生物特征,尽管氧也可能由非生物来源产生。同样甲烷是由生命产生,是一种潜在的生物标志物,但也可以通过其他方式产生。现在两篇最近的论文讨论了通过研究生命如何影响行星大气来寻找生物特征的新方法。

加州大学河滨分校(University of California, Riverside)的斯蒂芬妮•奥尔森(Stephanie Olson)及其同事发表了一篇论文,探讨了由生命引起的大气季节性变化是如何被用作生物特征的。第二篇论文由华盛顿大学的Joshua Krissansen-Totton、Olson和David Catling共同撰写,研究了大气气体产生的潜在生物特征,这些气体只能在生命存在的情况下共存。

季节变化

一颗系外行星发出的随时间而变化的信号,比如随季节的变化,可能有助于排除单一快照观测中出现的假阳性或阴性结果。通过了解大气气体在地球上一年中是如何变化的,将帮助科学家了解在其他行星上寻找什么信号。与其简单地认识到一颗行星承载着生命,我们或许还能说一说它的生物圈在空间和时间上是如何变化的。地球大气中的季节性是由于生物圈和不同太阳辐射在其轨道的不同点到达地球之间相互作用而产生。

在寻找可能适合居住行星大气中存在氧气的过程中,臭氧是氧气的替代物。图片:Lynette Cook

季节变化改变了两种不同反应之间的平衡:光合作用和有氧呼吸。光合作用发生时,二氧化碳和水发生反应,变成有机物和氧气,而有氧呼吸引起相反的反应,产生二氧化碳和水。最大量氧气产生于夏季温暖的月份。研究人员检测了地球上二氧化碳的季节性变化,这一信号可以在其他行星上检测到,假设其他地方的生命也是以碳为基础的。由于二氧化碳通过风化作用在气候调节中所起的作用,它是宜居世界上一个重要的大气成分。

季节性的二氧化碳(CO2)信号将由陆地生态系统主导,而陆地生态系统与大气直接接触,这表明在海洋世界可能无法检测到二氧化碳的变化。这是在地球上看到的,在地球上,以海洋为主导的南半球的二氧化碳变化信号比北半球弱。二氧化碳的季节性在其他行星上很难探测到,但它是生命存在的有力标志,因为除非有生命存在,否则在有海洋的行星上不太可能发生。还观察了一颗系外行星的情况,这是一种类似于早期地球的情况。早期地球存在生命,但大气中仍然只有很少的氧气。

微弱的氧信号很难探测,但不同的臭氧特征(臭氧是由三个氧原子组成的分子)可能在系外行星的光谱中更明显。这样的信号更有可能被一个比现在地球的含氧量更少的行星探测到,因为臭氧比氧产生的信号更强。对于一颗类似于今天地球的行星来说,季节性是很难探测到的,至少在氧气的情况下是这样,原因是今天的氧气基线水平非常高,所以在我们的行星表面测量微小的季节性波动是非常困难的,在遥远的行星上更是如此。

大气不均衡

Krissansen-Totton、Olson和Catling也模拟了早期的地球大气,但这次是在寻找不平衡的特征,这意味着如果没有一些活跃的过程,比如生命,这些气体就不可能存在于大气中。地球今天有一个大的大气不平衡,但他们计算出自从地球上有生命形成以来就存在一个不平衡,不平衡的演化是随着大气中生物氧的增加而发生。在太古宙(40 ~ 25亿年前),二氧化碳、氮、甲烷和液态水共存存在不平衡,这些水通常会反应生成铵和碳酸氢盐,迅速将甲烷从大气中移除,而没有生命的存在来补充甲烷。JWST应该能够在系外行星光谱中探测到二氧化碳和甲烷,尤其是在围绕红矮星运转的行星上。

如果检测到这些物质,但没有发现一氧化碳,这可能是一种很强的生物特征。这是因为许多补充甲烷的非生物方案也会产生一氧化碳(CO),而且地表生命消耗CO。这是一个非常容易新陈代谢的过程,如果周围有CO和水,那么微生物就可以通过将这些物种结合起来产生二氧化碳和氢分子(H2)来生存。元古宙(2.5 ~ 5.4亿年前)最大的非均衡来源是氮、水和氧的共存。氧气和氮气都是由生命产生的,如果没有生命来补充氧气,它们就会在海洋中转化为硝酸。如果大气中的气体处于一种不寻常的不平衡状态,那么识别使用不同代谢途径的生命迹象也是可能的,但要发现这一点将是一项挑战。

检测海洋中氧化铁的微生物可能是一项挑战,因为这种特殊的新陈代谢不会产生任何气态废物,在可能产生废气的代谢过程中,有一些很有希望的可能性。例如笑气(N2O)是一种生物气,我们不希望在无生命行星的大气中看到平衡。类似地,各种硫代谢可以被检测到,因为它们改变了行星大气中有机分子的丰度,使其失去平衡。发现早期地球与季节性或不平衡的迹象类似,可能表明生命不仅存在,而且以与我们自己星球上的生命相似的方式进化。奥尔森的论文得到了美国宇航局天体生物学研究所的支持,而克里斯桑森-托顿研究也得到了美国宇航局天体生物学的支持,通过外太空生物学和进化生物学计划和虚拟行星实验室。

关键词:外星生命
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