是生命，还是火山？

独孤一山隙

这幅艺术家的插图展示了一颗有活火山的系外行星。但是从很远的地方我们看不到火山，只能看到它们对大气的影响，当涉及到生物特征时，这就把水搅浑了。鸣谢:美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯

（）据今日宇宙（埃文·高夫）：天文学家正在努力理解生物特征，以及它们如何表明系外行星上存在生命。但是我们遇到的每个星球都是一个独特的谜。当谈到行星大气层时，碳是一大难题，因为它对气候和生物地球化学有着强大的影响。如果科学家能够弄清楚一颗行星的碳是如何从哪里来的，以及它在大气中的表现如何，他们就在解决这个难题上取得了进展。

但是，系外行星大气中的碳的一个问题是，它可以发出混合信号。

在这种情况下，碳意味着所有主要的碳物种，如二氧化碳、一氧化碳和甲烷(CO2、CO和CH4)。)一项新的研究调查了类似地球的系外行星大气中这些化学物质的多样性，这些系外行星围绕类似太阳的恒星运行。

这项研究是“类地无生命行星大气中二氧化碳、一氧化碳和甲烷的相对丰度”它已经被提交给《天体物理学杂志》,并且可以在预印服务器arXiv上获得。作者是渡边泰人和小崎一美。渡边隶属于东京大学地球和行星科学系，小崎隶属于东京工业大学地球和行星科学系。

这项研究特别关注CO。“我们专注于富含CO的大气的形成条件，这将有利于生命的起源，”作者写道。

在地球目前的大气中，一氧化碳不能积累，因为化学反应会破坏它。但是在遥远的过去，30亿年前，当海洋中充满简单的生命时，二氧化碳可能已经积累在地球的大气层中。这是因为大气中的氧气非常少，太阳也更暗。

所以当我们寻找生物特征时，含有一氧化碳的大气可能意味着简单的生命。这是因为它是生命碳和氧的重要来源。但事情还没那么简单。这项研究旨在解开系外行星大气的一些细节，以便我们可以识别哪些碳分子混合物，包括一氧化碳，可能是生物信号。



该研究的示意图说明了研究中考虑的海洋/大气系统的共同循环。鸣谢:渡边和小崎2023

“因此，详细了解那些控制行星大气中二氧化碳、一氧化碳和甲烷相对丰度的因素，对寻找太阳系以外的可居住行星具有深远的影响，”论文指出。

这项研究中的一个关键概念叫做一氧化碳逃逸。在类似早期地球的大气中，氧气含量非常少，一氧化碳是由紫外线辐射的光解作用产生的。在等式的另一边，它被源于水的光解离的化学反应所破坏。当条件合适时，产生的一氧化碳多于被破坏的一氧化碳，这会导致一氧化碳逃逸。

理解一氧化碳逃逸对生命的出现至关重要，因为生命所必需的前生物化学物质——尤其是肽——在富含一氧化碳的大气中比在富含二氧化碳的大气中更容易产生。来自火星的证据支持了这一观点。

这两位研究人员使用大气化学模型来研究CO逃逸背后的细节，以及它如何帮助我们辨别哪些系外行星可以庇护生命。

行星是海洋、陆地和大气之间复杂的反馈机制。恒星也扮演了重要的角色，部分是因为它们的紫外光驱动光解离。每个系统都略有不同，有时——或者至少曾经——它们会产生生命。如果研究人员是对的，一氧化碳逃逸是一种生物信号，那么他们就有所发现。

在他们模拟的大气中，CO逃逸起了重要作用。“……大气化学在一氧化碳逃逸发生之前和之后被清楚地分为两组，”他们解释说。

研究人员在大气化学中发现了一个对生命至关重要的明显空白。“我们的系统检查显示，大气化学可以在pCH4/pCO2相对于pCO/pCO2的相空间中清楚地分类，其中出现了明显的间隙结构。”



研究中的这个数字显示了研究人员模拟中出现的“一氧化碳差距”。“这种间隙结构源于大气中CO和CH4的不同行为，因此它可能是各种类地系外行星的普遍特征，”研究小组写道。鸣谢:渡边和小崎2023

那么，行星科学家能否将这个缺口视为生物信号呢？事情没那么简单，有一件事让结果变得模糊不清:火山。

岩浆通过释放出比甲烷更多的一氧化碳来改变大气。因此，它可能会导致CO逃逸，而不需要UV能量来驱动CO的产生和积累。“我们对前地球条件的研究结果表明，CO的光化学不稳定性(即CO逃逸)往往是由更高的大气pCO2水平和还原气体的除气通量增加引发的，”他们写道。

这两位研究人员还没有给我们一个万无一失的方法来检测生物特征。但他们所做的是为未来的研究铺平道路，当涉及到生物特征时，可以让我们更接近更大的确定性。“……CO逃逸间隙结构将是围绕类太阳恒星运行的类地行星的一个普遍特征，”他们写道。

研究人员写道:“因此，为了更好地限制一氧化碳逃逸所需的条件，大气和固体地球过程的耦合建模至关重要。”固体地球过程是发生在地壳、地幔和地核的过程。所以基本上，火山。

像这样的研究总是会引出更多需要调查的问题。但对于我们这些不是科学家的人来说，这项工作说明了行星、化学和生命背后的非凡复杂性，以及我们看到的关于可居住的系外行星的一些简单标题背后的复杂性。

“这些结果推进了我们对中心恒星光谱类型、大气成分、气候、构造活动和生命起源之间复杂关系的理解，有助于正在进行的对太阳系以外可居住世界的探索，”他们总结道。