詹姆斯·韦伯太空望远镜可以在寻找外星生命的过程中寻找“低碳”系外行星大气

熊明青

不同系外行星的插图。(图片鸣谢:麻省理工学院克里斯汀·丹尼洛夫；iStock)

（）据美国太空网（罗伯特·李）：当涉及到探测太阳系以外的行星上液态水的存在，以及生命所需的条件时，詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)可能想寻找缺失的东西，而不是那里有什么。这是它的意思。

包括麻省理工学院(MIT)和伯明翰大学科学家在内的一组研究人员提出，如果太阳系以外像地球这样的岩石世界的大气中二氧化碳含量低于同一系统中的其他行星，这可能是它们拥有液态水的迹象。正如我们从我们自己的星球上生命的形成以及支持生命所需的条件中所知，液态水的存在是潜在可居住性的关键指标。

尽管寻找表明太阳系外行星或系外行星可居住性的关键化学成分仅是当前技术力所能及的，但枯竭的二氧化碳是JWST号现在准备好发现的一个标志。

“系外行星科学的圣杯是寻找可居住的世界和生命的存在，但迄今为止谈论的所有特征都超出了最新天文台的范围，”探索小组成员、麻省理工学院行星科学助理教授朱利安·德威特在一份声明中说。“现在我们有办法发现另一个星球上是否有液态水。这是我们在未来几年可以实现的目标。”

探索系外行星生命的路线图

目前，科学家非常擅长使用仪器来确定一颗行星距离其主恒星有多远，从而确定它是否在该恒星的“可居住区”——定义为既不太热也不太冷的区域，不允许液态水的存在。

然而，在我们自己的太阳系中，地球、火星甚至金星都在太阳周围的可居住区。然而，据我们所知，这些行星中只有一个目前有能力支持生命。这意味着可居住性和为系外行星保存液态水并不全是位置、位置、位置。因此，目前，科学家们没有一个强有力的方法来确认一颗行星是否适合居住。

考虑到地球、火星和金星以及这三者之间的差异，该团队意识到，与可居住区的邻居相比，唯一具有可居住性的地球也有一个二氧化碳耗尽的大气层。

“我们假设这些行星是以类似的方式产生的，如果我们现在看到一颗碳含量少得多的行星，它一定去了某个地方，”特里奥指出。“唯一能从大气中去除这么多碳的过程是一个包含液态水海洋的强水循环。”

在数十亿年的过程中，我们星球的海洋消耗了大气中大量的二氧化碳，这意味着现在它比金星或火星还要少。

“在地球上，大部分大气二氧化碳在地质时间尺度上被隔离在海水和固体岩石中，这有助于调节气候和可居住性数十亿年，”研究合著者、伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的科学家弗里德·克莱恩在声明中说。

这使得研究小组认为，系外行星大气中二氧化碳的类似损耗也可能表明液态海洋的存在。

用这些参数进行搜索最适合“豆荚里的豌豆”行星系统，它们像太阳系一样，拥有多个大小相似的岩石或陆地世界，以相似的距离围绕其恒星运行。

研究小组建议调查的第一步是寻找二氧化碳，并以此作为系外行星目标有大气层的指标。一旦确定一个系统中的多个行星有大气层，下一步将是确定大气层中有多少二氧化碳。

这将揭示一个或多个行星的二氧化碳含量是否明显低于其他行星，这表明它可能有液态水的海洋，因此可以居住。

当然，这种方法不仅仅是比较二氧化碳的丰度。“适宜居住”不等于“有人居住”为了检验生命是否真的存在于缺乏二氧化碳的系外行星上，研究小组建议寻找另一种分子:臭氧。

臭氧由三个氧原子组成，是植物和微生物等生命形式从地球大气中吸收二氧化碳，然后释放出受阳光照射的氧分子时产生的分子。臭氧是衡量外星世界这些过程的一个很好的标准，因为在遥远的系外行星的大气中比氧气本身更容易检测到。

该团队表示，如果一颗行星的大气显示出二氧化碳耗尽、臭氧丰富的迹象，那么它很可能既适合居住，也有人居住。

“如果我们看到臭氧，它很有可能与生命消耗的二氧化碳有关，”特里奥补充道。“如果这是生活，这是光荣的生活。这不仅仅是一些细菌。这将是一种行星规模的生物质，能够处理大量的碳并与之相互作用。”

研究人员认为，JWST已经能够测量接近地球的多行星系统中二氧化碳和臭氧的丰度。

这包括位于40光年之外的TRAPPIST-1系统，该系统已知拥有7颗类地行星，其中几颗位于其冷恒星的可居住区。

“TRAPPIST-1是少数几个我们可以用JWST进行地面大气研究的系统之一，”de Wit总结道。“现在我们有了寻找可居住行星的路线图。如果我们齐心协力，未来几年内就能完成颠覆性的发现。”

该团队的研究发表在12月28日的《自然天文学》杂志上。