碳质大气可能是其他类地行星上水和生命的迹象

麻省理工学院、伯明翰大学和其他地方的科学家表示，天文学家找到液态水甚至其他行星上生命的最佳机会是寻找其大气中化学特征的缺失而不是存在。

研究人员提出，如果一颗类地行星的大气中二氧化碳含量比同一系统中的其他行星少得多，那么这可能是该行星表面存在液态水的迹象——可能还有生命。

更重要的是，这个新特征在美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)的视野之内。虽然科学家提出了其他宜居性迹象，但这些特征很有挑战性，如果不是不可能用当前的技术测量的话。该团队表示，这一二氧化碳相对枯竭的新特征是目前唯一可探测到的宜居迹象。

“系外行星科学的圣杯是寻找宜居世界和生命的存在，但迄今为止谈论的所有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Julien de Wit说。“现在我们有办法发现另一个星球上是否存在液态水。这是我们在未来几年可以实现的目标。”

该小组的发现将发表在自然天文学。De Wit与英国伯明翰大学的Amaury Triaud共同领导了这项研究。他们在麻省理工学院的合著者包括Benjamin Rackham、Prajwal Niraula、Ana Glidden Oliver Jagoutz、Matej Pe、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和波尔多天体物理实验室的Franck Selsis。

一线之外

迄今为止，天文学家已经探测到太阳系以外的5200多个星球。利用目前的望远镜，天文学家可以直接测量一颗行星到其恒星的距离以及它完成一个轨道所需的时间。这些测量可以帮助科学家推断一颗行星是否在可居住区域内。但是还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它的表面。

在我们的太阳系中，科学家可以通过观察“闪光”——从液体表面反射的阳光闪光——来检测液态海洋的存在。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，这有助于确认该卫星的大湖。

然而，在遥远的行星上探测类似的微光是目前的技术无法达到的。但是德威特和他的同事们意识到，在地球附近还有另一个可居住的特征，可以在遥远的世界探测到。

“通过观察我们自己系统中的类地行星发生了什么，我们产生了一个想法，”特里奥说。

 

金星、地球和火星有相似之处，因为三者都是多岩石的，并且居住在相对于太阳而言相对温和的地区。地球是目前三大行星中唯一拥有液态水的行星。该团队还注意到另一个明显的区别:地球大气中的二氧化碳含量明显减少。

“我们假设这些行星是以类似的方式产生的，如果我们现在看到一个碳含量少得多的行星，它一定去了某个地方，”特里奥说。“唯一能够从大气中去除这么多碳的过程是一个涉及液态水海洋的强大水循环。”

事实上，地球的海洋在吸收二氧化碳方面发挥了重要而持久的作用。在数亿年的时间里，海洋吸收了大量的二氧化碳，几乎相当于今天金星大气中的二氧化碳量。这种行星规模的效应使得地球大气中的二氧化碳含量比它的邻居要少得多。

“在地球上，大部分大气二氧化碳在地质时间尺度上被隔离在海水和固体岩石中，这有助于调节气候和可居住性数十亿年，”研究报告的合著者弗里德·克莱恩说。

该团队推断，如果在一个相对于其邻居而言遥远的星球上检测到类似的二氧化碳枯竭，这将是其表面存在液态海洋和生命的可靠信号。

“在广泛审查了许多领域的文献后，从生物学到化学，甚至是气候变化背景下的碳封存，我们相信，如果我们检测到碳枯竭，它很有可能是液态水和/或生命的强烈迹象，”德威特说。

生活路线图

在他们的研究中，研究小组提出了一种通过寻找耗尽二氧化碳的信号来探测宜居行星的策略。这种搜索最适合“豆荚里的豌豆”系统，在这种系统中，多个大小相同的类地行星彼此相对靠近，类似于我们的太阳系。研究小组提出的第一步是通过简单地寻找二氧化碳的存在来确认行星有大气层，二氧化碳预计将在大多数行星大气层中占主导地位。

“二氧化碳是一种非常强的红外线吸收剂，可以很容易地在系外行星的大气中探测到，”德威特解释道。"二氧化碳的信号可以揭示系外行星大气的存在."

来源: Materials provided by Massachusetts Institute of Technology. Original written by Jennifer Chu.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Amaury H. M. J. Triaud, Julien de Wit, Frieder Klein, Martin Turbet, Benjamin V. Rackham, Prajwal Niraula, Ana Glidden, Oliver E. Jagoutz, Matej Peč, Janusz J. Petkowski, Sara Seager, Franck Selsis. Atmospheric carbon depletion as a tracer of water oceans and biomass on temperate terrestrial exoplanets. Nature Astronomy, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02157-9