在与早期地球相匹配的行星上可能最容易找到生命

降法讲顾

艺术家对“浅橙色点”的印象——早期地球的样子。鸣谢:美国国家航空航天局/戈达德太空飞行中心/弗朗西斯·雷迪

（）据今日宇宙（埃文·高夫）：我们离可靠地探测遥远星球上的生物特征越来越近了。大部分的重点是确定哪些化学物质表明生命的存在。

但是生命也可以在一个系统中创造自由能量，多余的能量可以创造化学不平衡。这就是地球上生命开始时发生的事情。化学失衡可能是生物信号吗？

当一个系统有多余的能量时，它表现为化学平衡。每个星球都是一个系统，生命可以产生多余的能量。那么，如果我们检测到化学平衡，我们是在检测生物信号吗？我们在探测生命吗？也许吧。尤其是如果我们正在寻找一颗与早期地球非常相似的系外行星。

新的研究解决了这个问题。这项研究的标题是“推断元古代类地系外行星的化学不平衡生物特征”主要作者是北亚利桑那大学天文和行星科学系的Amber Young。该文件可在预打印服务器arXiv上找到。

“当试图推断一个遥远的世界是否有人居住时，化学不平衡是生命的一个潜在指标，这在太阳系行星环境中有很长的研究历史，”作者在他们的论文中写道。



这是一个核形石，一个由元古代蓝细菌形成的层状结构。元古代持续了20亿年，像这样简单的生活持续了整个世代并改变了大气。鸣谢:https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/deed.en伯努瓦·波廷

当甲烷(CH4)和氧气(O2)都存在于大气中时，这表明生命正在活动。这是因为，在氧气环境中，甲烷只能维持大约10年。它的存在表明不平衡。为了让它存在，它必须不断地被补充，补充的数量只有生命才能产生。

吉布斯自由能的概念试图抓住这个想法。当一个系统达到化学平衡时，热力学势最小。系统离化学平衡越远，吉布斯自由能越大。

“量化化学不平衡的主要指标包括计算与观察到的系统和该系统的理论平衡状态相关的化学能的差异，”作者解释说。研究人员正在探索如何利用吉布斯自由能来了解我们太阳系中的世界。更重要的是，研究人员正在努力理解它如何应用于地球历史。

这项研究集中在元古代，地球四个世代中的第三个。它从25亿年前到5.41亿年前不等，跨越了地球历史上的两次重大事件。在元古代开始时，自由氧出现在地球的大气中，元古代正好在复杂生命出现之前结束。

使用吉布斯度量作为生物标志的绊脚石是，当试图在类地系外行星上理解它时，我们不知道观测的不确定性是什么。在这项研究中，类地意味着“一个有海洋、地球大小的世界，表面压力和温度与地球相似，大气主要由N2、H2O和二氧化碳组成，含有微量的甲烷和不同水平的氧气，”作者解释道。



该研究图显示了从高吉布斯能丰度到低吉布斯能丰度的三种元古代地球模拟情况的三种大气光谱。x轴表示以m为单位的波长，y轴表示行星到恒星的通量。这个想法是，如果我们正在观察遥远的系外行星的光谱，任何类似于元古代地球的都可能有类似的光谱。在右上方的图例中，列出的化学物质和“x2”表示观察每种化学物质所需的精度。我们还没有达到所需的精度，但是未来的望远镜会达到。鸣谢:杨等人2023。

科学家对元古代时期的地球有了相当多的了解，当然，还有许多未解之谜。在努力理解一些观测不确定性的过程中，研究人员为地球模拟了两种不同的场景，为火星模拟了一种。

每种情况都包含不同数量的自由大气能量。然后，他们探索了这些模拟行星的大气层在不同场景下如何反射光线:大气层中的高、中和低生物特征气体。

结果是我们可能在系外行星大气中观察到的光谱，模拟了元古代地球的三种不同情况。

“限制可用的吉布斯自由能是一种有前途的表征策略，它与现有的生物信号气体检测技术有很好的协同作用，”作者总结道。但是为了实现这一潜力，我们需要信噪比性能更好的更好的望远镜。希望这些正在路上。

“对于一个6米级的空间望远镜，其噪声特性以LUVOIR-B概念为模型，这里探索的高信噪比情况可以通过投资两到四周的观察时间，在距离太阳主机5-7 PC(16到23光年)的距离上对类地目标实现，”作者解释说。

虽然这听起来像是很长的观察时间，但它符合HabEx望远镜概念的预期目标观察时间。一颗潜在的元古代类地系外行星是一个高价值的目标，值得投入大量的观测时间。太空望远镜还应该优先考虑别的事情吗？不太可能。

“从观测的角度来看，表征CH4和O2的丰度对于推断地球类似物在其大部分进化历史中的大气化学不平衡信号是至关重要的，”作者写道。

虽然我们倾向于将我们周围看到的一切正常化，但地球目前的状态很难称得上“正常”地球在历史上的大部分时间里都非常不同。寻找与地球在元古代相似的行星是有意义的。

元古代持续了20亿年，在整个时期，生命积极地塑造了它的大气。如果我们足够幸运地发现了另一颗支持生命的系外行星，那么纯粹出于偶然，它可能看起来更像元古代的地球，而不是现代的地球。