系外行星的大氣季節性變化可能預示著存在外星生命

系外行星

目前，天文學家已經在太陽系外已經發現了幾十顆潛在的宜居行星，還有更多的行星正在等待探測。那在那裡有沒有任何生命呢？

在這些地方尋找生命，因為不可能親自登陸觀察，將從在它們的大氣層中尋找生物產物開始。這些生命的大氣印記，稱為生物特徵，將使用新一代望遠鏡探測到，這些望遠鏡會測量離我們數光年遠的行星周圍的氣體成分。

這是一項棘手的任務，因為基於大氣氣體單一測量結果的生物特徵可能具有誤導性。為了補充這些標記，美國宇航局（NASA）天體生物學研究所進行了資助，加州大學河濱分校的替代地球天體生物學中心的科學家們正在為基於地球大氣季節性變化的動態生物特徵開發第一個定量框架。

當地球繞太陽運行時，它的傾斜軸意味著不同的區域在一年不同時間接收更多的射線。這種現象最明顯的跡象是天氣變化和白天的長度，但是大氣成分也受到了影響。例如，包含世界絕大多數植被的北半球，夏季的植物生長明顯降低了大氣中的二氧化碳含量，氧氣情況正好相反。

系外行星表面

該研究主要作者Stephanie Olson表示，大氣的季節性是一種很有指望的生物特徵，因為在地球上，它是由生物調節的，很可能其他宜居世界也會發生。根據季節性推斷生命並不需要對外星生物化學有詳細的了解。因為它是對環境季節性變化的生物反應而不是作為地球特有的特定生物活動的結果。此外，極其橢圓的軌道可能會在系外行星上產生季節性，從而擴大可能的目標範圍。

在這篇論文中，研究人員辨別出機遇和陷阱，與描述氧氣、二氧化碳、甲烷的季節性形成和破壞以及利用一種叫做光譜學的成像技術進行探測有關。他們還模擬了一個含氧量低的有生命行星上大氣氧的波動，就像幾十億年前的地球一樣。他們發現，由生命產生的氧氣（O2）參與反應產生大氣中的臭氧（O3），在含氧少的行星上，對於氧的季節性變化，臭氧比氧氣本身還更容易作為測量的標誌物。

NASA的博士後項目研究員Edward Schwieterman表示，重要的一點是他們現在要精確地模擬這些場景，所以未來太空和地面望遠鏡可以被設計來識別最有指望的生物特徵。對於臭氧，他們需要具有紫外線的望遠鏡來很容易地探測到它。尋找生命的挑戰在於從遙遠地方收集到的數據的不明確。假陽性—非生物過程偽裝成生命和假陰性—行星上的生命具有很少或沒有生物特徵都是主要關注的問題。

Olson表示，觀察氧氣或甲烷的季節性變化會得到更多信息。評估系外行星是否宜居的一種潛在有效方法是在它們的軌道上觀察它們的大氣層以了解我們是否能在一年內探測到這些生物特徵氣體的變化。在某些情況下，這樣的變化很難解釋沒有生命，甚至可能讓我們取得進展能描述生命，而不只是簡單地認識到系外行星上存在生命。

加州大學河濱分校地球科學部的生物地球化學教授Timothy Lyons表示，這項研究推進了在極其遙遠的行星上尋找生命的基本方法。他們對在低氧水平下描述氧氣波動的前景感到特別興奮，希望能在一個地球早期版本的行星上發現。臭氧所揭示的季節性變化在類似數十億年前地球情況的行星上最容易被發現，那時大多數的生命仍然是微觀的以及在海里生活。

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