低碳大气可能是其他类地行星上存在水和生命的迹象

麻省理工学院、伯明翰大学和其他地方的科学家表示，天文学家在其他行星上寻找液态水甚至生命的最佳机会是寻找其大气中是否存在化学特征，而不是寻找其存在。

研究人员提出，如果一颗类地行星的大气中的二氧化碳与同一系统中的其他行星相比要少得多，那么这可能是该行星表面存在液态水——甚至可能存在生命的迹象。

更重要的是，这个新签名位于美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的视野范围内。虽然科学家们提出了其他宜居性的迹象，但用现有技术测量这些特征即使不是不可能，也是具有挑战性的。研究小组表示，这一二氧化碳相对贫乏的新特征是目前可检测到的唯一可居住性的迹象。

“系外行星科学的圣杯是寻找宜居世界以及生命的存在，但迄今为止所讨论的所有特征都超出了最新天文台的能力范围，”麻省理工学院的行星科学。“现在我们有办法查明另一个星球上是否有液态水。这是我们在未来几年内可以实现的目标。”

该团队的研究结果发表在今天的《自然天文学》杂志上。DeWit与英国伯明翰大学的AmauryTriaud共同领导了这项研究。他们在麻省理工学院的合著者包括BenjaminRackham、PrajwalNiraula、AnaGliddenOliverJagoutz、MatejPeč、JanuszPetkowski和SaraSeager，以及伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的FriederKlein、法国理工学院的MartinTurbet和波尔多天体物理学实验室的弗兰克·塞尔西斯。

超越一丝微光

迄今为止，天文学家已探测到太阳系以外的5,200多个世界。利用当前的望远镜，天文学家可以直接测量行星与其恒星的距离以及其完成轨道运行所需的时间。这些测量可以帮助科学家推断行星是否位于宜居带内。但目前还没有办法直接确认一颗行星是否确实适合居住，这意味着其表面是否存在液态水。

在我们的太阳系中，科学家可以通过观察“闪烁”(从液体表面反射的阳光闪光)来探测液态海洋的存在。例如，在土星最大的卫星土卫六上就观察到了这些闪烁或镜面反射，这有助于确认该卫星的大型湖泊。

然而，目前的技术还无法在遥远的行星上检测到类似的微光。但德威特和他的同事们意识到，在我们家附近还有另一个可居住的特征，可以在遥远的世界中检测到。

“通过观察我们自己系统中类地行星的情况，我们产生了一个想法，”特里亚德说。

金星、地球和火星有相似之处，因为这三个星球都是岩石，并且居住在相对于太阳而言相对温和的区域。地球是这三颗行星中目前唯一拥有液态水的行星。研究小组还注意到了另一个明显的区别：地球大气中的二氧化碳明显减少。

“我们假设这些行星是以类似的方式创造的，如果我们现在看到一颗行星的碳含量少得多，那么它一定已经去了某个地方，”特里亚德说。“能够从大气中去除这么多碳的唯一过程是涉及液态水海洋的强大水循环。”

事实上，地球的海洋在吸收二氧化碳方面发挥了重要且持续的作用。数亿年来，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。与邻近的行星相比，这种全球范围的效应使地球大气中的二氧化碳显着减少。

“在地球上，大气中的大部分二氧化碳在地质时间尺度上被封存在海水和固体岩石中，这有助于调节数十亿年来的气候和宜居性，”研究合著者弗里德克莱因说。

研究小组推断，如果在一个遥远的行星上检测到相对于其邻居的类似二氧化碳消耗，这将是其表面存在液态海洋和生命的可靠信号。

“在广泛回顾了从生物学到化学，甚至气候变化背景下的碳封存等许多领域的文献之后，我们相信，如果我们检测到碳枯竭，它很有可能成为液态水和碳的强烈标志。/或生活，”德威特说。

人生路线图

在他们的研究中，该团队制定了一种通过寻找二氧化碳耗尽的特征来探测宜居行星的策略。这种搜索最适合“豆荚里的豌豆”系统，在该系统中，多个大小相同的类地行星的轨道彼此相对较近，类似于我们自己的太阳系。研究小组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是否有大气层，预计二氧化碳将主导大多数行星大气层。

“二氧化碳是一种非常强的红外线吸收剂，可以在系外行星的大气中轻松检测到，”德威特解释道。“二氧化碳信号可以揭示系外行星大气的存在。”

一旦天文学家确定系统中的多个行星拥有大气层，他们就可以继续测量其二氧化碳含量，看看其中一颗行星的二氧化碳含量是否明显低于其他行星。如果是这样，这颗行星可能适合居住，这意味着它的表面拥有大量液态水。

但适宜居住的条件并不一定意味着行星上有人居住。为了了解生命是否真的存在，研究小组建议天文学家寻找行星大气层中的另一个特征：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，作为这个过程的一部分，生命体会释放出氧气，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同时显示出臭氧和二氧化碳耗尽的迹象，那么它很可能是一个宜居且有人居住的世界。

“如果我们看到臭氧，它很可能与生命消耗的二氧化碳有关，”特里亚德说。“如果这就是生活，那也是光荣的生活。它不仅仅是一些细菌。它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。”

研究小组估计，NASA的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够测量附近多行星系统中的二氧化碳，可能还测量臭氧，例如TRAPPIST-1——一个围绕一颗明亮恒星运行的七行星系统，距地球仅40光年。

“TRAPPIST-1是我们可以利用JWST进行陆地大气研究的少数系统之一，”deWit说。“现在我们有了寻找宜居行星的路线图。如果我们共同努力，范式转变的发现可以在未来几年内完成。”