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如何寻找外星生命?探测生命对行星大气的影响


文章作者:www.mhgoebel.com 发布时间:2019-08-30 点击:1694



不同时间的生物识别和大气气体可能是探测系外行星寿命的两种可能方式。寻找其他星球上可能存在的生命是极具挑战性的。即使在太阳系中,我们也可以向火星等感兴趣的行星发送探测器和轨道探测器,很难评估微生物是否存在或存在。在研究系外行星时,我们只能看到星光穿过行星的大气层,希望它能显示生命产生的气体的吸收或排放线。

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可居住外行星的印象,季节变化以及行星大气中不平衡气体的存在的概念图可能表明那里的生活。图片:NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

博科 - 科学科普:对系外行星大气的详细分析仍主要在未来的望远镜领域。比如詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST),但要明白在其他星球上寻找生命的重要一步是什么。氧气是通过光合作用产生的,并且通常被认为是其他行星上的潜在生物学特征,尽管氧气也可能由非生物来源产生。类似地,甲烷是由生命产生的并且是潜在的生物标志物,但它也可以通过其他方式产生。最近的两篇论文现在讨论通过研究生命如何影响地球大气来寻找生物识别技术的新方法。

加州大学河滨分校的Stephanie Olson及其同事发表了一篇关于如何将生活引起的大气季节变化用作生物识别技术的论文。第二篇论文由华盛顿大学的Joshua Krissansen-Totton,Olson和David Catling共同撰写,研究了大气中潜在的生物特征,它们只能在生命存在的情况下共存。

季节性变化

从系外行星随时间变化的信号,例如季节性变化,可能有助于排除单个快照观察中的假阳性或阴性结果。了解大气气体在一年中的变化将有助于科学家了解在其他星球上寻找的信号。我们还可以谈论其生物圈在空间和时间上的变化,而不是简单地认识到行星带来了生命。地球大气层的季节性是由于生物圈与不同太阳辐射在其轨道中不同点到达地球的相互作用。

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在寻找可能适合生活的行星大气中的氧气时,臭氧是氧气的替代品。图片:Lynette Cook

季节性变化改变了两种不同反应之间的平衡:光合作用和有氧呼吸。当光合作用发生时,二氧化碳与水反应成为有机物质和氧气,而有氧呼吸导致相反的反应产生二氧化碳和水。夏季温暖的月份会产生最大量的氧气。研究人员检查了地球上二氧化碳的季节变化,这是一种可以在其他星球上探测到的信号,假设其他地方的生命也是以碳为基础的。由于二氧化碳通过风化在气候调节中发挥作用,因此它是世界上重要的大气成分。

季节性二氧化碳(CO2)信号将由陆地生态系统主导,而陆地生态系统与大气直接接触,这表明海洋世界可能无法检测到二氧化碳的变化。这是在地球上看到的。在地球上,以海洋为主的南半球的二氧化碳信号比北半球弱。二氧化碳的季节性很难在其他星球上发现,但它是生命存在的有力指标,因为除非有生命,否则它不太可能出现在有海洋的行星上。还观察到了一颗系外行星的情况,这种情况类似于早期地球的情况。地球早期有生命,但大气中的氧气仍然很少。

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弱氧信号难以检测,但不同的臭氧特征(臭氧是由三个氧原子组成的分子)在系外行星的光谱中可能更为明显。由于臭氧强于氧气产生的信号,因此这种信号更可能被氧气比地球更少的行星探测到。对于像今天的地球这样的行星,季节性很难被发现,至少在氧气的情况下,因为今天的氧气基线水平非常高,所以我们测量了地球表面的微小季节。性波动非常困难,特别是在遥远的星球上。

大气不平衡

Krissansen-Totton,Olson和Catling也模拟了早期地球的大气层,但这一次寻找不平衡的特征,这意味着如果没有一些活跃的过程,例如生命,这些气体就不会存在于大气中。今天的地球有很大的大气不平衡,但他们计算出自地球生命形成以来一直存在不平衡,并且随着大气中生物氧的增加,不平衡的演变也随之发生。在太古代(400-2.5亿年前),二氧化碳,氮,甲烷和液态水共存存在不平衡。这些水通常会反应形成铵和碳酸氢盐,从而迅速从大气中除去甲烷而不会有生命。目前补充甲烷。 JWST应该能够检测系外行星光谱中的二氧化碳和甲烷,特别是在绕红色矮星运行的行星上。

如果检测到这些物质但没有发现一氧化碳,这可能是一个强大的生物学特征。这是因为许多补充甲烷的非生物解决方案也会产生一氧化碳(CO),表面寿命会消耗CO。这是一个非常容易的新陈代谢过程。如果周围有CO和水,微生物可以通过组合这些物种来生存二氧化碳和氢分子(H2)。元古代最大的不平衡源(2.5至5.4亿年前)是氮,水和氧的共存。氧气和氮气都是由生命产生的。如果没有生命来补充氧气,它们将在海洋中转化为硝酸。如果大气中的气体处于不寻常的不平衡状态,也可以使用不同的代谢途径识别生命迹象,但发现这将是一个挑战。

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检测海洋中的氧化铁微生物可能是一个挑战,因为这种特定的新陈代谢不会产生任何气体废物,并且在代谢过程中存在可能产生废气的一些有希望的可能性。例如,N2O是一种沼气,我们不希望在无生命行星的大气层中看到平衡。同样,可以检测到各种硫代谢,因为它们会改变行星大气中有机分子的丰度,导致它们失去平衡。

寻找早期的地球与季节性或不平衡的迹象相似,这表明生命不仅存在,而且与我们自己星球上的生命类似。 Olson的论文得到了美国宇航局天体生物学研究所的支持,而Chris Sanson-Torton研究也得到了NASA天体生物学和外层空间生物学和进化生物学项目的支持。虚拟行星实验室。

博科 - 科普科普|文字:Amanda Doyle/Space

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不同时间的生物识别和大气气体可能是探测系外行星寿命的两种可能方式。寻找其他星球上可能存在的生命是极具挑战性的。即使在太阳系中,我们也可以向火星等感兴趣的行星发送探测器和轨道探测器,很难评估微生物是否存在或存在。在研究系外行星时,我们只能看到星光穿过行星的大气层,希望它能显示生命产生的气体的吸收或排放线。

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可居住外行星的印象,季节变化以及行星大气中不平衡气体的存在的概念图可能表明那里的生活。图片:NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

博科 - 科学科普:对系外行星大气的详细分析仍主要在未来的望远镜领域。比如詹姆斯韦伯太空望远镜(JWST),但要明白在其他星球上寻找生命的重要一步是什么。氧气是通过光合作用产生的,并且通常被认为是其他行星上的潜在生物学特征,尽管氧气也可能由非生物来源产生。类似地,甲烷是由生命产生的并且是潜在的生物标志物,但它也可以通过其他方式产生。最近的两篇论文现在讨论通过研究生命如何影响地球大气来寻找生物识别技术的新方法。

加州大学河滨分校的Stephanie Olson及其同事发表了一篇关于如何将生活引起的大气季节变化用作生物识别技术的论文。第二篇论文由华盛顿大学的Joshua Krissansen-Totton,Olson和David Catling共同撰写,研究了大气中潜在的生物特征,它们只能在生命存在的情况下共存。

季节性变化

从系外行星随时间变化的信号,例如季节性变化,可能有助于排除单个快照观察中的假阳性或阴性结果。了解大气气体在一年中的变化将有助于科学家了解在其他星球上寻找的信号。我们还可以谈论其生物圈在空间和时间上的变化,而不是简单地认识到行星带来了生命。地球大气层的季节性是由于生物圈与不同太阳辐射在其轨道中不同点到达地球的相互作用。

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臭氧是寻找可居住行星大气中可能的氧气的替代氧气。图片:Lynette Cook

季节性变化改变了两种不同反应之间的平衡:光合作用和有氧呼吸。当光合作用发生时,二氧化碳和水反应形成有机物质和氧气,而有氧呼吸引起相反的反应,产生二氧化碳和水。夏季温暖的月份会产生最大量的氧气。研究人员已经检测到地球上二氧化碳的季节性变化,这个信号可以在其他星球上被发现,假设其他地方的生命是以碳为基础的。由于二氧化碳通过风化在气候调节中发挥着重要作用,因此它是宜居世界中重要的大气成分。

季节性二氧化碳(CO2)信号将由与大气直接接触的陆地生态系统主导,这表明在海洋世界中可能无法检测到二氧化碳的变化。这就是我们在地球上看到的情况,南半球海洋主导的二氧化碳信号弱于北半球。二氧化碳的季节性很难在其他星球上发现,但它是生命存在的有力指标,因为除非有生命,否则不太可能发生在有海洋的行星上。还观察到了系外行星的情况,这与早期的地球相似。早期的生命存在于地球上,但大气中的氧气仍然很少。

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弱氧信号难以检测,但不同的臭氧特征(臭氧是由三个氧原子组成的分子)在太阳系外行星的光谱中可能更明显。这种信号更可能被氧气含量低于地球的行星检测到,因为臭氧产生的信号强于氧气。对于像今天的地球这样的行星,季节性很难被发现,至少在氧气的情况下,因为今天的氧气基线水平非常高,因此很难测量地球表面的小季节性波动,特别是在遥远的行星上。

大气不平衡

Krissansen-Totton,Olson和Catling也模拟了早期地球的大气层,但这一次寻找不平衡的特征,这意味着如果没有一些活跃的过程,例如生命,这些气体就不会存在于大气中。今天的地球有很大的大气不平衡,但他们计算出自地球生命形成以来一直存在不平衡,并且随着大气中生物氧的增加,不平衡的演变也随之发生。在太古代(400-2.5亿年前),二氧化碳,氮,甲烷和液态水共存存在不平衡。这些水通常会反应形成铵和碳酸氢盐,从而迅速从大气中除去甲烷而不会有生命。目前补充甲烷。 JWST应该能够检测系外行星光谱中的二氧化碳和甲烷,特别是在绕红色矮星运行的行星上。

如果检测到这些物质但没有发现一氧化碳,这可能是一个强大的生物学特征。这是因为许多补充甲烷的非生物解决方案也会产生一氧化碳(CO),表面寿命会消耗CO。这是一个非常容易的新陈代谢过程。如果周围有CO和水,微生物可以通过组合这些物种来生存二氧化碳和氢分子(H2)。元古代最大的不平衡源(2.5至5.4亿年前)是氮,水和氧的共存。氧气和氮气都是由生命产生的。如果没有生命来补充氧气,它们将在海洋中转化为硝酸。如果大气中的气体处于不寻常的不平衡状态,也可以使用不同的代谢途径识别生命迹象,但发现这将是一个挑战。

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检测海洋中的氧化铁微生物可能是一个挑战,因为这种特定的新陈代谢不会产生任何气体废物,并且在代谢过程中存在可能产生废气的一些有希望的可能性。例如,N2O是一种沼气,我们不希望在无生命行星的大气层中看到平衡。同样,可以检测到各种硫代谢,因为它们会改变行星大气中有机分子的丰度,导致它们失去平衡。

寻找早期的地球与季节性或不平衡的迹象相似,这表明生命不仅存在,而且与我们自己星球上的生命类似。 Olson的论文得到了美国宇航局天体生物学研究所的支持,而Chris Sanson-Torton研究也得到了NASA天体生物学和外层空间生物学和进化生物学项目的支持。虚拟行星实验室。

博科 - 科普科普|文字:Amanda Doyle/Space

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