“碳基生命”探测新技术
詹姆斯·韦伯太空望远镜在搜寻地外生命的过程中，具备研究“碳基生命”系外行星的大气层的能力
“我们有能力探测到另一个星球上是否存在液态水。这一目标有望在未来几年内实现。”
当涉及到探测太阳系外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）也许想要寻找的是缺失的东西，而不是已经存在的东西。这意味着什么呢？
(图片来源: Christine Daniloff, MIT; iStock)
一组包含来自麻省理工学院和伯明翰大学等高校的研究人员认为，如果太阳系外类似地球的岩石行星，其大气中所含有的二氧化碳低于同一星系中的其他行星，这表面这些岩石行星可能存在液态水。众所周知，液态水是地球生命形成及支持生命条件关键因素，也是一项评估行星潜在宜居性的重要指标。
尽管现有技术仅能揭示构成太阳系外行星可居住性的关键化学成分，濒临耗尽的二氧化碳则是詹姆斯.韦伯望远镜现阶段准备探索的另一项特征。
研究小组成员之一的麻省理工学院行星科学助理教授朱利安·德·威特，在一份声明中指出:“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，人们所讨论的宜居行星特征全部超出了新技术支持下的天文观测的范围。现在，我们寻找到新的办法发现另一个星球上是否有液态水，这也是我们在未来几年准备开展的研究。”
探索系外生命的路线图
目前，科学家们已十分擅长使用仪器来确定一颗行星与它所在星系的主恒星之间的距离，从而判断该行星是否处于星系的“宜居带”——宜居带，指温度既不太热也不太冷，适宜液态水存在的区域。
然而，在我们所处的太阳系中，地球、火星乃至金星都位于太阳周围的宜居带。然而，这些行星中目前只有一颗具备支持生命存在的能力。这意味着系外行星的宜居性和液态水的保存并不完全取决于其所处位置。因此，科学家们目前尚未找到可靠的方法来确认一颗行星是否适合生命居住。
考虑到地球、火星和金星以及三者之间的差异，研究小组意识到，与太阳系中位于宜居带的邻居相比，地球作为唯一具有宜居性的星球，它的大气中缺乏二氧化碳。
特里奥德指出:“我们假设这些行星是以类似的方式形成的，如果我们现在看到一颗碳含量少得多的行星，那么这些碳元素一定去了某个地方。”“唯一可以从大气中去除这么多碳元素的，应该是一个强大的水循环系统，包括以液态水方式存在的海洋。”
在过往数十亿年，地球上的海洋一直负责从大气中消耗大量的二氧化碳，这意味着地球上的碳元素比金星或火星还少。
伍兹霍尔海洋研究所的科学家，同时也是该研究的合著者弗里德·克莱因，在声明中这样说:“在地质时间尺度上，地球大气中的大部分二氧化碳都被封存在海水和固体岩石中，这有助于数十亿年来的气候调节，并使地球具备宜居性。”
研究小组因此认为，系外行星大气中类似的二氧化碳消耗也可能表明此类行星上存在液态海洋。
用这些参数进行搜索，可以搜寻像太阳系一摸一样的行星系统，即拥有多个大小相似的岩质行星，它们在近乎相同的距离上围绕恒星运行。
研究小组建议调查的第一步，是寻找二氧化碳，并将其作为系外行星是否有大气层的指标。一旦确定某个星系中的多颗行星拥有大气层，下一步则应测定其大气中的二氧化碳含量。
这将揭示其中一颗或多颗行星的二氧化碳含量是否明显低于其他行星，表明该行星可能拥有液态水的海洋，因此可能适宜生命生存。
当然，上述方法不仅仅是比较二氧化碳的丰度。“宜居性”并不等于“有人居住”。为了检查一颗二氧化碳匮乏的系外行星上是否真的存在生命，研究小组建议寻找另一种分子:臭氧。
臭氧是由三个氧原子组成的一种分子，当植物和微生物等生命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，臭氧就产生了。因其具有的易探测性，臭氧成为衡量外星世界这些过程的一个很好的指标。
研究小组表示，如果一颗行星的大气显示出二氧化碳耗尽的迹象，同时富含臭氧，那么它很可能既具有宜居性，也有生命存在。
特里奥德补充说:“如果我们检测到臭氧，那么它与生命所消耗的二氧化碳极有可能具有较大关联性。”“如果被检测的行星拥有生命，那么这些生命则是伟大的生命。它们应该不仅仅是某些细菌，而是一个具有行星规模的生物体群落，能够处理大量的碳，并与之相互作用。”
研究人员认为，目前詹姆斯.韦伯望远镜已经具备测量临近地球的多行星系统中二氧化碳和臭氧的丰度。
这包括40光年外的TRAPPIST-1行星系统，目前探测得知其拥有7颗类地行星，其中的几颗行星位于该星系的冷恒星宜居带上。
德威特总结说:“TRAPPIST-1是我们可以使用詹姆斯.韦伯望远镜进行陆地大气研究的少数几个星系之一。”“现在，我们设计了寻找宜居行星的路线图，经过大家共同努力，相信在未来几年内，就会有颠覆性的发现。”
By: Robert Lea
FY: 万琳
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