麻省理工学院的研究发现，碳质大气可能是其他类地行星上水和生命的标志

麻省理工学院（MIT）、伯明翰大学（University of Birmingham）和其他地方的科学家表示，天文学家发现液态水，甚至在其他行星上发现生命的最佳机会是寻找大气中不存在的化学特征，而不是存在化学特征。

研究人员提出，如果一颗类地行星大气中的二氧化碳含量比同一系统中的其他行星少得多，那么它可能是该行星表面液态水（也可能是生命）的迹象。

更重要的是，这个新的签名在美国宇航局的詹姆斯韦伯太空望远镜（JWST）的视线范围内。虽然科学家们提出了其他可居住性的迹象，但这些特征即使不是不可能，也很难用目前的技术来衡量。研究小组表示，这种相对贫乏的二氧化碳的新特征是现在唯一可检测到的宜居性迹象。

“系外行星科学的圣杯是寻找宜居世界和生命的存在，但到目前为止，所有被谈论的特征都超出了最新天文台的范围，”麻省理工学院行星科学助理教授朱利安·德·威特说。“现在我们有办法找出另一个星球上是否有液态水。这是我们在未来几年内可以实现的目标。

该团队的研究结果今天发表在 《自然天文学》上。De Wit与英国伯明翰大学的Amaury Triaud共同领导了这项研究。他们的麻省理工学院合著者包括 Benjamin Rackham、Prajwal Niraula、Ana Glidden Oliver Jagoutz、Matej Peč、Janusz Petkowski 和 Sara Seager，以及伍兹霍尔海洋研究所 （WHOI） 的 Frieder Klein、法国巴黎综合理工学院的 Martin Turbet 和波尔多天体物理学实验室的 Franck Selsis。

超越微光

到目前为止，天文学家已经探测到太阳系以外的5,200多个世界。使用目前的望远镜，天文学家可以直接测量行星与其恒星的距离以及完成轨道所需的时间。这些测量可以帮助科学家推断行星是否在宜居带内。但是没有办法直接确认一颗行星是否确实适合居住，这意味着液态水存在于其表面。

在我们自己的太阳系中，科学家可以通过观察“闪光”来检测液态海洋的存在——从液体表面反射的阳光闪光。例如，在土星最大的卫星土卫六上观察到了这些闪光或镜面反射，这有助于确认月球的大湖泊。

然而，在遥远的行星上探测到类似的微光是目前的技术无法实现的。但德威特和他的同事们意识到，在遥远的世界中，还有另一个靠近家的宜居特征可以被探测到。

“通过观察我们自己系统中类地行星的情况，我们想到了一个想法，”Triaud说。

金星、地球和火星有相似之处，因为这三者都是岩石，并且居住在相对于太阳相对温带的地区。地球是目前三颗行星中唯一拥有液态水的行星。研究小组注意到另一个明显的区别：地球大气中的二氧化碳要少得多。

“我们假设这些行星是以类似的方式创造的，如果我们现在看到一个碳少得多的行星，它一定是去了某个地方，”Triaud说。“唯一能从大气中去除这么多碳的过程是涉及液态水海洋的强水循环。

事实上，地球的海洋在吸收二氧化碳方面发挥了重要而持续的作用。数亿年来，海洋吸收了大量的二氧化碳，几乎相当于今天金星大气中持续存在的二氧化碳量。与行星邻居相比，这种行星尺度效应使地球大气中的二氧化碳显着耗尽。

“在地球上，大部分大气中的二氧化碳在地质时间尺度上被封存在海水和固体岩石中，这有助于调节数十亿年的气候和宜居性，”该研究的合著者Frieder Klein说。

研究小组推断，如果在遥远的行星上检测到类似的二氧化碳消耗，相对于其邻居，这将是液态海洋和其表面生命的可靠信号。

“在广泛审查了从生物学到化学，甚至在气候变化背景下的碳封存等许多领域的文献后，我们相信，如果我们检测到碳消耗，它确实很有可能成为液态水和/或生命的强烈迹象，”德威特说。

生活路线图

在他们的研究中，该团队制定了一种通过寻找耗尽二氧化碳的特征来探测宜居行星的策略。这样的搜索最适合“豆荚中的豌豆”系统，其中多个类地行星，大小大致相同，轨道相对靠近，类似于我们自己的太阳系。该团队提出的第一步是确认行星有大气层，只需寻找二氧化碳的存在，预计二氧化碳将主导大多数行星大气层。

“二氧化碳在红外线中是一种非常强的吸收剂，在系外行星的大气中可以很容易地检测到，”德威特解释说。“然后，二氧化碳的信号可以揭示系外行星大气的存在。

一旦天文学家确定一个系统中的多颗行星拥有大气层，他们就可以继续测量它们的二氧化碳含量，看看一颗行星的二氧化碳含量是否明显低于其他行星。如果是这样，这颗行星很可能是宜居的，这意味着它的表面有大量的液态水体。

但宜居条件并不一定意味着行星有人居住。为了了解生命是否真的存在，研究小组建议天文学家在行星大气层中寻找另一个特征：臭氧。

在地球上，研究人员指出，植物和一些微生物有助于吸收二氧化碳，尽管没有海洋那么多。然而，作为这一过程的一部分，生命形式会释放氧气，氧气与太阳的光子发生反应，转化为臭氧——一种比氧气本身更容易检测到的分子。

研究人员说，如果一颗行星的大气层显示出臭氧和二氧化碳消耗的迹象，那么它可能是一个宜居和有人居住的世界。

“如果我们看到臭氧，那么它很有可能与生命消耗的二氧化碳有关，”Triaud说。“如果这是生活，那就是光荣的生活。这不仅仅是一些细菌。这将是一个行星规模的生物质，能够处理大量的碳，并与之相互作用。

该团队估计，美国宇航局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够测量附近的多行星系统中的二氧化碳，甚至可能还有臭氧，例如TRAPPIST-1 – 一个七行星系统，围绕一颗明亮的恒星运行，距离地球仅40光年。

“TRAPPIST-1是少数几个可以使用JWST进行陆地大气研究的系统之一，”de Wit说。“现在我们有了寻找宜居行星的路线图。如果我们共同努力，可以在未来几年内完成范式转变的发现。