「碳基生命」探測新技術
詹姆士·韋伯太空望遠鏡在搜尋地外生命的過程中，具備研究「碳基生命」系外行星的大氣層的能力
「我們有能力探測到另一個星球上是否存在液態水。這一目標有望在未來幾年內實作。」
當涉及到探測太陽系外行星上液態水的存在，以及生命所需的條件時，詹姆士·韋伯太空望遠鏡（JWST）也許想要尋找的是缺失的東西，而不是已經存在的東西。這意味著什麽呢？
(圖片來源: Christine Daniloff, MIT; iStock)
一組包含來自麻省理工學院和伯明罕大學等高校的研究人員認為，如果太陽系外類似地球的巖石行星，其大氣中所含有的二氧化碳低於同一星系中的其他行星，這表面這些巖石行星可能存在液態水。眾所周知，液態水是地球生命形成及支持生命條件關鍵因素，也是一項評估行星潛在宜居性的重要指標。
盡管現有技術僅能揭示構成太陽系外行星可居住性的關鍵化學成分，瀕臨耗盡的二氧化碳則是詹姆士.韋伯望遠鏡現階段準備探索的另一項特征。
研究小組成員之一的麻省理工學院行星科學助理教授朱利安·德·威特，在一份聲明中指出:「系外行星科學的聖杯是尋找可居住的世界和生命的存在，但迄今為止，人們所討論的宜居行星特征全部超出了新技術支持下的天文觀測的範圍。現在，我們尋找到新的辦法發現另一個星球上是否有液態水，這也是我們在未來幾年準備開展的研究。」
探索系外生命的路線圖
目前，科學家們已十分擅長使用儀器來確定一顆行星與它所在星系的主恒星之間的距離，從而判斷該行星是否處於星系的「宜居帶」——宜居帶，指溫度既不太熱也不太冷，適宜液態水存在的區域。
然而，在我們所處的太陽系中，地球、火星乃至金星都位於太陽周圍的宜居帶。然而，這些行星中目前只有一顆具備支持生命存在的能力。這意味著系外行星的宜居性和液態水的保存並不完全取決於其所處位置。因此，科學家們目前尚未找到可靠的方法來確認一顆行星是否適合生命居住。
考慮到地球、火星和金星以及三者之間的差異，研究小組意識到，與太陽系中位於宜居帶的鄰居相比，地球作為唯一具有宜居性的星球，它的大氣中缺乏二氧化碳。
泰瑞奧德指出:「我們假設這些行星是以類似的方式形成的，如果我們現在看到一顆碳含量少得多的行星，那麽這些碳元素一定去了某個地方。」「唯一可以從大氣中去除這麽多碳元素的，應該是一個強大的水迴圈系統，包括以液態水方式存在的海洋。」
在過往數十億年，地球上的海洋一直負責從大氣中消耗大量的二氧化碳，這意味著地球上的碳元素比金星或火星還少。
伍茲霍爾海洋研究所的科學家，同時也是該研究的合著者弗瑞德·克雷因，在聲明中這樣說:「在地質時間尺度上，地球大氣中的大部份二氧化碳都被封存在海水和固體巖石中，這有助於數十億年來的氣候調節，並使地球具備宜居性。」
研究小組因此認為，系外行星大氣中類似的二氧化碳消耗也可能表明此類行星上存在液態海洋。
用這些參數進行搜尋，可以搜尋像太陽系一摸一樣的行星系統，即擁有多個大小相似的巖質行星，它們在近乎相同的距離上圍繞恒星執行。
研究小組建議調查的第一步，是尋找二氧化碳，並將其作為系外行星是否有大氣層的指標。一旦確定某個星系中的多顆行星擁有大氣層，下一步則應測定其大氣中的二氧化碳含量。
這將揭示其中一顆或多顆行星的二氧化碳含量是否明顯低於其他行星，表明該行星可能擁有液態水的海洋，因此可能適宜生命生存。
當然，上述方法不僅僅是比較二氧化碳的豐度。「宜居性」並不等於「有人居住」。為了檢查一顆二氧化碳匱乏的系外行星上是否真的存在生命，研究小組建議尋找另一種分子:臭氧。
臭氧是由三個氧原子組成的一種分子，當植物和微生物等生命從地球大氣中吸收二氧化碳，然後釋放出受陽光照射的氧分子時，臭氧就產生了。因其具有的易探測性，臭氧成為衡量外星世界這些過程的一個很好的指標。
研究小組表示，如果一顆行星的大氣顯示出二氧化碳耗盡的跡象，同時富含臭氧，那麽它很可能既具有宜居性，也有生命存在。
泰瑞奧德補充說:「如果我們檢測到臭氧，那麽它與生命所消耗的二氧化碳極有可能具有較大關聯性。」「如果被檢測的行星擁有生命，那麽這些生命則是偉大的生命。它們應該不僅僅是某些細菌，而是一個具有行星規模的生物體群落，能夠處理大量的碳，並與之交互作用。」
研究人員認為，目前詹姆士.韋伯望遠鏡已經具備測量臨近地球的多行星系統中二氧化碳和臭氧的豐度。
這包括40光年外的TRAPPIST-1行星系統，目前探測得知其擁有7顆類地行星，其中的幾顆行星位於該星系的冷恒星宜居帶上。
德威特總結說:「TRAPPIST-1是我們可以使用詹姆士.韋伯望遠鏡進行陸地大氣研究的少數幾個星系之一。」「現在，我們設計了尋找宜居行星的路線圖，經過大家共同努力，相信在未來幾年內，就會有顛覆性的發現。」
By: Robert Lea
FY: 萬琳
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