電離層中的帶電氧可能為系外行星提供生物標誌物

【博科園-科學科普（關注「博科園」看更多）】1992年1月9日天文學家宣布了一項重大發現：兩顆行星圍繞著一顆距太陽2300光年的脈衝星運行。這兩顆行星後來被命名為Poltergeist和Draugr，是第一個被證實的「系外行星」——太陽系外的行星，圍繞著一顆遙遠的恆星運行。科學家們現在知道2794個恆星系統有3728個系外行星，每一個都有一個問題：有其他生命嗎？波士頓大學的天文學教授Michael Mendillo問道：我們還能問什麼更重要的問題呢？我不知道科學上還有什麼更吸引人的問題。幾十年來，天文學家一直在尋找這些遙遠的系外行星尋找生命的跡象，主要是尋找最基本的分子——水。但是Mendillo和他的同事們有不同的想法。

對外星生命的搜尋主要集中在開普勒-186f等系外行星上，這裡顯示的是在「宜居帶」中存在水的m級恆星。但是「並非所有的可居住區域都是平等的，他指出一些系外行星危險地靠近它們的恆星，使它們暴露在危險的輻射中，這可能會阻止我們所知的生命，地球的宜居地帶有一點好客。圖片版權：NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

在2018年2月12日發表在《自然天文學》雜誌上的一篇論文中，來自天文學的保羅·威瑟斯(Paul Withers)和博士候選人保羅·達爾巴(GRS』18)在《自然天文學》雜誌上發表了一篇論文，他建議研究一顆系外行星的電離層，這是一層最薄的大氣層，它正在用帶電荷的粒子快速旋轉。找到一個像地球一樣充滿了單氧原子的，或許就找到了生命，或者至少我們所知道的生命就是這樣。波士頓大學天文學教授、空間物理中心主任約翰·克拉克說：在人類文明的歷史上從來沒有到達過這個點——直到最近的15年，在那裡我們可以看到其他恆星周圍的行星。現在正處在探索地球以外生命的階段，這是我們的一次偉大的智力冒險。

他們的工作開始於Mendillo和Withers獲得國家科學基金會(NSF)的資助，以比較太陽系中所有行星的ionospheres。(除了水星，所有的行星都有它們，因為水星離太陽很近，所以它的大氣層完全被剝離了。)同時，該團隊還在與美國宇航局的MAVEN任務進行合作，試圖了解構成火星電離層的分子是如何逃出這個星球的。從太空時代的早期開始，科學家們就已經知道行星的電離層有很大的差別，BU小組開始關注為什麼會這樣，為什麼地球會如此不同。當其他行星把它們的離子球填滿由二氧化碳或氫氣引起的複雜帶電分子時，地球保持簡單，大部分氧氣充滿了空間。它是一種特定類型的氧單原子帶正電荷。

我們太陽系的大多數行星在其較低的大氣層中都有一些氧氣，但地球有更多，大約21%。這是因為在過去的38億年里，許多生物都在忙著將光、水和二氧化碳轉化為糖和氧(即光合作用的過程)。摧毀地球上所有的植物，大氣中的氧氣將在幾千年的時間裡消失殆盡。所有這些由植物釋放出來的氧氣並不僅僅停留在地球表面。對大多數人來說，呼吸的氧氣，並不是活躍的分子。然而對化學家來說，氧氣是一種野性的、令人興奮的、危險的野獸。它不會靜止不動，它與幾乎所有能找到的分子發生化學反應，而且反應非常迅速。在今天的地球上，過量的氧氣分子，以O2的形式，向上漂浮。當O2在地球表面超過150千米的時候，紫外線會把它一分為二。單個氧原子漂浮得更高，進入電離層，在那裡，更多的紫外線和x射線從它們的外殼中剝離電子，讓帶電的氧氣在空氣中流動。地球表面的O2的丰度與其他行星不同，在天空中產生了大量的O+。

在阿波羅16號任務期間，從月球發射的10分鐘的紅外線。明亮的黃色是來自原子氧(O)的「晝光」，在陰暗面上，從電離層的原子氧離子(O+)中產生的「夜光」帶可以在赤道附近看到。圖片版權：NASA

Mendillo說，這一發現表明，尋找外星生命的科學家可能會縮小他們的搜索範圍。保羅·達爾巴(Paul Dalba)正在研究太陽系外行星的大氣層，他與BU助理教授Philip Muirhead合作，加入了研究小組。「達爾巴對恆星系外行星系統的認識真的很有幫助。目前大多數科學家都在關注m級恆星——銀河系中最豐富的恆星——以及在「宜居帶」中環繞它們的行星，那裡可能存在水。這是有道理的因為我們知道生命需要水。但是科學家們不知道一個星球到底需要多少水來維持生命。如果我們只有地中海那就夠了嗎？我們是否需要太平洋，而不是大西洋？如果你看電離層，不需要知道這個數字。只需要知道，如果最大的電子密度與氧離子有關，那麼你就把它釘住了——你有一個行星，那裡有光合作用和生命。

當然，這假設「生命」至少有點類似地球上的生命，它不僅需要水和氧氣，而且還需要一定的溫度範圍，可能是磁場，以及其他因素，這是一個很好的起點，但在我們的內心深處都意識到，也許沒有考慮過的生活可能會讓我們感到驚訝。還有一個問題，至少目前是這樣的：科學家們還沒有探測到任何外行星上的電離層的工具。如果你看看接下來可能出現的太空望遠鏡，就會有很多可能。我認為在未來十年里，我們將有技術來做這個實驗。Mendillo希望他的團隊的工作能夠為這一領域的進一步研究、開發和探索提供支持。僅僅把電離層用作簽名是一個吸引人的想法。還沒有觀測能力但我很樂觀，我們將此作為一個挑戰。

知識：科學無國界，博科園-科學科普

參考：Nature Astronomy

內容：經「博科園」判定符合今主流科學

來自：波士頓大學

編譯：中子星

審校：博科園

解答：本文知識疑問可於評論區留言

傳播：博科園

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！