人类即将进行的任务,寻找系外行星大气中的“生物特征”

找到与地球相似的星球,是人类文明一直以来的梦想,按照目前人类消耗能源的速度和其他各方面原因来看,人类需要尽快找到一颗能够让人类移居的星球,所以一直以来,全球各地都有许多的科学家们在致力于寻找地球的“表亲”。

科学家们已经发现了数千颗系外行星,其中包括数十颗位于母恒星周围宜居地带的类地行星或岩石行星。在这些星球上寻找生命迹象的一个很有前景的方法是探测系外行星的大气以寻找“生物特征”,这种特征是一种化学成分上的特点,也产生是生命的迹象。比如,由于光合作用,人类居住地——地球的大气含氧量接近21%,考虑到地球的组成、轨道和母星,这一水平远远高于预期。

二氧化碳能当做是生物特征吗?

不是单独的,也不是单一的信号。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有高浓度的二氧化碳,但没有生命。在地球的大气中,二氧化碳的含量随着季节的变化而变化。在春天,随着植物的生长,二氧化碳的含量逐渐减少。在秋天,植物分解,二氧化碳上升。所以如果你看到季节性循环,那可能是一个生物特征。但是JWST的季节观测是不太可能的。

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相反,JWST可以寻找另一个潜在的生物特征,即存在二氧化碳和甲烷气体。通常情况下,甲烷与二氧化碳的寿命较短。因此,如果我们同时探测到这两种物质,可能就会有某种物质在积极地产生甲烷。在地球上,我们大气中的大部分甲烷是由生命产生的。

如何检测系外行星大气层中的氧气呢?

氧本身并不是一个生物特征。这取决于它的水平和大气中的其他物质。例如,海洋消失可能会产生富含氧气的大气:光把水分子分解成氢和氧。氢逸入太空,氧则进入大气。

JWST可能不会直接从氧气光合作用——我们现在习惯的生物圈中获取氧气。超大望远镜和相关的天文台也许能够做到,因为他们将会看到不同于JWST的波长,在那里他们将有更好的机会看到氧气。JWST将更适合于探测类似于数十亿年前地球上的生物圈,以及区分不同类型的大气。

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TRAPPIST-1系外行星可能拥有哪些不同类型的大气?

m -矮星的高光度阶段可能会将一颗行星推向温室效应失控的大气层,比如金星。就像我之前说的,你可能会失去一片海洋而拥有一个富氧的大气层。第三种可能性是有更像地球的东西。

如果JWST不能直接探测到氧气,它怎么能发现富含氧气的大气呢?

JWST的美妙之处在于它能捕捉到系外行星大气中发生的过程。它将捕捉到氧分子之间碰撞的信号,这种碰撞在富含氧气的大气中更常见。所以我们很可能看不到光合生物圈中氧气的含量。但如果海洋消失后留下了更多的氧气,我们可能会在光谱中看到氧气的碰撞,这可能是系外行星失去海洋的迹象。

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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线索,这需要进一步的跟踪和继续思考除JWST之外的新任务。与此同时,NASA已经在考虑新的任务了,但同时也面临一个问题,我们希望这些任务它们的能力是什么?

这也让我想到了一个非常重要的观点,系外行星科学是大规模的跨学科研究。了解这些世界的环境需要考虑轨道、组成、历史和主恒星,所以在研究的时候需要天文学家、地质学家、大气科学家和恒星科学家的参与,只有在所有学科的尖端学者和科研设备全都到齐的时候,人类去寻找研究地球的“表亲”才会更加容易!

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