研究发现，碳质大气可能是其他类地行星上水和生命的迹象 _类地行星

研究发现，碳质大气可能是其他类地行星上水和生命的迹象。信用:Pixabay/CC0公共领域
据麻省理工学院（詹妮弗·朱）：麻省理工学院(MIT)、伯明翰大学(University of Birmingham)和其他地方的科学家表示，天文学家在其他行星上找到液态水甚至生命的最佳机会是寻找它们大气中化学特征的缺失，而不是存在。
研究人员提出，如果一颗类地行星的大气中二氧化碳含量比同一系统中的其他行星低得多，这可能是该行星表面存在液态水——可能还有生命——的迹象。
更重要的是，这个新的特征在美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的视野之内。虽然科学家提出了其他可居住的迹象，但这些特征很有挑战性，如果不是不可能用当前的技术来测量的话。该团队表示，这一相对枯竭的二氧化碳的新特征是目前唯一可探测到的可居住性迹象。
麻省理工学院行星科学助理教授Julien de Wit说:“系外行星科学的圣杯是寻找可居住的世界，以及生命的存在，但迄今为止谈论的所有特征都超出了最新天文台的范围。”“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。”
该小组的发现将发表在《自然天文学》上。De Wit和英国伯明翰大学的Amaury Triaud共同领导了这项研究。麻省理工学院的合著者包括Benjamin Rackham、Prajwal Niraula、Ana Glidden Oliver Jagoutz、Matej Pe、Janusz Petkowski和Sara Seager，以及伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的Frieder Klein、法国巴黎理工学院的Martin Turbet和波尔多天体物理实验室的Franck Selsis 。
一线之外
迄今为止，天文学家已经探测到太阳系以外的5200多个星球。利用目前的望远镜，天文学家可以直接测量一颗行星到其恒星的距离以及它完成一个轨道所需的时间。这些测量可以帮助科学家推断一颗行星是否在可居住区域内。但是还没有办法直接确认一颗行星是否确实适合居?。?这意味着液态水存在于它的表面。
在我们的太阳系中，科学家可以通过观察“闪光”——反射到液体表面的阳光——来检测液态海洋的存在。例如，在土星最大的卫星土卫六上已经观察到这些闪光或镜面反射，这有助于确认该卫星的大湖。
然而，在遥远的行星上探测类似的微光，目前的技术还无法实现。但是de Wit和他的同事们意识到，在离家很近的地方还有另一个可居住的特征，可以在遥远的世界探测到。
“通过观察我们自己系统中的类地行星，我们产生了一个想法， ”特里奥说。
金星、地球和火星有相似之处，因为它们都是多岩石的，并且居住在相对于太阳而言相对温和的地区。地球是目前三颗行星中唯一拥有液态水的行星。该小组还注意到另一个明显的区别:地球大气中的二氧化碳含量要少得多。
“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，”特里奥说。“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。”
事实上，地球的海洋在吸收二氧化碳方面发挥了重要而持久的作用。在数亿年的时间里，海洋吸收了大量的二氧化碳，几乎相当于今天金星大气中的二氧化碳量。这种行星规模的效应使得地球大气中的二氧化碳含量比它的邻居要少得多。
“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，”研究报告的合著者弗里德·克莱恩说。
该团队推断，如果在一个相对于其邻居而言遥远的星球上检测到类似的二氧化碳枯竭，这将是其表面存在液态海洋和生命的可靠信号。
“在广泛审查了许多领域的文献后，从生物学到化学，甚至是气候变化背景下的碳封存，我们相信，如果我们检测到碳枯竭，它很有可能是液态水和/或生命的强烈迹象，”德威特说。
人生路线图
在他们的研究中，该团队提出了一种通过寻找耗尽二氧化碳的信号来探测可居住行星的策略。这种搜索最适合“豆荚里的豌豆”系统，在这种系统中，多个大小相同的类地行星彼此相对靠近，类似于我们的太阳系。该团队提出的第一步是通过简单地寻找二氧化碳的存在来确认行星有大气层，二氧化碳预计将主导大多数行星的大气层。
“二氧化碳是一种非常强的红外线吸收剂，可以很容易地在系外行星的大气中探测到，”德威特解释道。"二氧化碳的信号可以揭示系外行星大气的存在."
一旦天文学家确定一个系统中的多个行星拥有大气层，他们就可以继续测量它们的二氧化碳含量，看看一个行星是否比其他行星明显更少。如果是这样的话，这颗行星很可能适合居住，这意味着它的表面拥有大量的液态水。
但是适宜居住的条件并不一定意味着一个星球有人居住。为了验证生命是否真的存在，研究小组建议天文学家寻找行星大气中的另一个特征:臭氧。
研究人员指出，在地球上，植物和一些微生物有助于吸收二氧化碳，尽管不如海洋那么多。然而，作为这一过程的一部分，生命形式释放出氧气，氧气与太阳的光子发生反应，转化为臭氧——一种比氧气本身更容易检测的分子。
研究人员表示，如果一颗行星的大气层显示出臭氧和二氧化碳耗尽的迹象，那么它可能是一个适合居住和有人居住的世界。
“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，”特里奥说。“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。”
该团队估计，美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够测量附近的多行星系统中的二氧化碳，可能还有臭氧，如Trapp ist-1——一个围绕一颗明亮恒星运行的七行星系统，距离地球仅40光年。
“TRAPPIST-1是少数几个我们可以用JWST进行陆地大气研究的系统之一，”de Wit说。“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。”