科学家在系外行星大气层中寻找生物特征

科学家们在其母恒星周围的宜居带中发现了成千上万的系外行星，包括数十个地球或岩石世界。寻找这些世界上生命迹象的一种有前途的方法是探测系外行星大气中的“生物特征”-化学成分的怪异是生命的生命迹象。例如，由于光合作用，我们的大气中的氧气含量接近21%，大大高于给定地球组成，轨道和母星的预期水平。

寻找生物特征并不是一件容易的事。科学家使用有关系外行星大气如何与其母恒星的光相互作用的数据来了解其大气。但是，它们可以使用当今的地基和空基望远镜收集的信息或光谱太有限，无法直接测量大气层或检测生物特征。

华盛顿大学天文学教授维多利亚·梅多斯(Victoria Meadows)等系外行星研究人员专注于即将到来的观测站，如詹姆斯·韦伯太空望远镜或JWST，可以在系外行星大气层中进行测量。2月15日，在美国西雅图科学促进会年度会议上，西澳大学虚拟行星实验室的首席研究员Meadows将发表演讲，总结这些新天文台可以收集哪些数据以及可以揭示哪些数据。关于地球上类似地球的系外行星的大气。梅多斯(Meadows)与威斯康星大学(UW News)坐下来讨论这些新任务的承诺，以帮助我们以新的视角观察系外行星。

问：系外行星研究领域正在发生什么变化?

在未来的五到十年中，我们将有机会首次观察到地球系外行星的大气层。这是因为新的天文台即将上线，其中包括詹姆斯·韦伯太空望远镜和地面观测台，例如超大型天文望远镜。我们最近在虚拟行星实验室以及其他机构的同事所做的许多工作都集中在模拟JWST和地面望远镜对类地球系外行星的“外观”。这使我们能够了解这些望远镜将拾取的光谱，以及这些数据将告诉我们哪些有关系外行星大气的信息，而不会告诉我们。

问：JWST和其他任务能够表征哪些系外行星大气?

实际上，我们的目标是一组精选的系外行星，它们在40光年以内，并绕着非常小的凉爽的恒星运行。作为参考，开普勒任务确定了距离地球1000多光年的系外行星。较小的恒星也有助于我们更好地了解行星大气的组成，因为行星大气的薄层可以阻挡较小恒星的更多光。

因此，我们正在集中研究少数系外行星，以寻找可居住性和生活的迹象。所有这些都是通过地面调查确定的，例如TRAPPIST及其继任者SPECULOOS(两者均由列日大学运营)以及哈佛大学的MEarth项目。该组中最著名的系外行星可能是绕TRAPPIST-1轨道运行的七个地球行星。TRAPPIST-1是一颗M型矮星，它是您所拥有的最小的恒星之一，并且仍然是恒星。它的七个系外行星跨越了可居住区的内部和外部，其中三个位于可居住区。

我们已经确定TRAPPIST-1是最好的研究系统，因为这颗恒星很小，以至于我们可以从这些世界的大气层中获得相当大的信息信号。这些都是地球的表亲，但是母星却非常不同，因此了解它们的大气会是非常有趣的。

问：到目前为止，您对TRAPPIST-1系外行星的大气有何了解?

天文学界已经对TRAPPIST-1系统进行了观测，但是除了“未发现”之外，我们什么都没有看到。那仍然可以告诉我们很多。例如，观测和模型表明，这些系外行星大气不太可能被氢(最轻的元素)所控制。这意味着它们要么根本就没有大气层，要么拥有像地球这样相对较高密度的大气层。

问：根本没有气氛吗?是什么原因造成的?

M-矮星的历史与我们自己的太阳截然不同。婴儿期刚出生后，随着时间的推移，类似太阳的恒星会变亮。

M矮星开始时又大又亮，因为它们在重力作用下会塌陷到它们一生的大部分时间。因此，M型矮行星可能会经受很长时间(可能长达十亿年)的高强度光度。这可能剥夺了行星的大气层，但是火山活动也可以补充大气层。根据它们的密度，我们知道许多TRAPPIST-1世界都可能拥有化合物储集层，其储量实际上比地球高得多，可以补充大气。TRAPPIST-1的第一个重要JWST结果将是：哪个世界保留了大气?它们是什么类型的气氛?

我对他们确实有大气感到乐观，因为这些储层我们仍在探测中。但我愿意对数据感到惊讶。

JWST和其他天文台将在TRAPPIST-1系外行星的大气层中寻找什么类型的信号。可能最容易寻找的信号是二氧化碳的存在。

问：二氧化碳是生物签名吗?

不能单靠一个信号而已。我总是告诉我的学生-向右看，向左看。金星和火星的大气中都含有大量的二氧化碳，但没有生命。在地球大气层中，二氧化碳水平随季节而变化。在春季，随着植物的生长，二氧化碳的水平下降，并将二氧化碳排入大气。在秋天，植物分解而二氧化碳升高。因此，如果您看到季节性骑行，那可能是生物签名。但是，使用JWST进行季节性观测的可能性很小。

相反，JWST可以寻找另一种潜在的生物特征，即存在CO2时的甲烷气体。甲烷通常在二氧化碳中的寿命很短。因此，如果我们同时检测到两者，则可能是某物正在积极产生甲烷。在地球上，我们大气中的大部分甲烷是由生命产生的。

问：如何检测氧气?

单独的氧气不是生物特征。这取决于它的水平以及大气中还有什么。例如，由于海洋的损失，您可能会遇到富氧的大气：光将水分子分裂成氢和氧。氢逃逸到太空，氧气积累到大气中。

JWST可能不会直接从氧气光合作用中吸收氧气，而氧气光合作用是我们现在已经习惯的生物圈。极大型望远镜和相关的天文台也许能够这样做，因为它们所看到的波长与JWST的波长不同，从而可以更好地看到氧气。JWST将更适合探测类似于数十亿年前地球上的生物圈，并能区分不同类型的大气。

问：TRAPPIST-1系外行星可能拥有哪些不同类型的大气?

M矮星的高发光度阶段可能会将行星推向温室效应失控的大气层，如金星。正如我之前所说，您可能会失去海洋，并拥有富氧的气氛。第三种可能性是让地球变得更像地球。

问：让我们谈谈第二种可能性。如果JWST无法直接检测氧气，该如何显示富氧气氛?

JWST的优点在于它可以拾取系外行星大气中发生的过程。它将吸收氧气分子之间碰撞的信号，这种情况在富氧气氛中更经常发生。因此，我们很可能看不到与光合生物圈相关的氧气量。但是，如果由于海洋损失而遗留下大量的氧气，我们可能会看到光谱中的氧气碰撞，这可能表明系外行星已经失去了海洋。

因此，JWST不太可能为我们提供生物签名的确凿证据，但可能会提供一些诱人的提示，这需要进一步的跟进和向前推进，以思考JWST以外的新任务。NASA已经在考虑新的任务。我们希望他们的能力是什么?

这也带给我一个非常重要的观点：系外行星科学在很大程度上是跨学科的。了解这些世界的环境需要考虑轨道，组成，历史和宿主恒星，还需要天文学家，地质学家，大气科学家和恒星科学家的投入。真正要了解一个星球需要一个村庄。