如果在系外行星大气层中侦测到异戊二烯可能有生物存在

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近几十年来对太阳系外行星的研究有突飞猛进的发展。 到目前为止,已经在3,247颗恒星系统中确认了4,375颗系外行星,另有5,856个候选者正在等待确认。 现时系外行星研究已开始从发现过程过渡到表面特征的探索。 下一代望远镜投入使用后,有望加快这一过程。

近几十年来对太阳系外行星的研究有突飞猛进的发展。 到目前为止,已经在3,247颗恒星系统中确认了4,375颗系外行星,另有5,856个候选者正在等待确认。 现时系外行星研究已开始从发现过程过渡到表面特征的探索。 下一代望远镜投入使用后,有望加快这一过程。

天体生物学家正在努力建立潜在生物特征的综合清单,该清单指的是与生命相关的化合物和过程(氧气,二氧化碳,水等)。 美国麻省理工学院研究团队致力寻找另一个潜在的生物特征,是异戊二烯(isoprene;化学符号 C5H8)的碳氢化合物。 研究发现,异戊二烯作为评估有氧大气系外行星中,可能存在生物的标志性气体。

到目前为止,绝大多数的系外行星通过间接方法发现和确认。 在大多数情况下,天文学家单独或结合使用凌日法(侦测光度变化)和径向速度法(多普勒光谱变化)。 使用直接拍照只能检测到少数,这样很难看到系外行星的大气和表面。
只有极少数情况下,天文学家才能获得光谱,使他们能够确定该行星大气的化学成分。 是光穿过系外行星大气层时在它的主恒星前面经过而得到,也可能在发生直接拍照并可以研究系外行星大气层反射的光的少数情况下产生。

在很大程度上与目前的望远镜局限性有关,望远镜没有足够的分辨率来观测细小的岩石行星,这些行星运行时更靠近恒
星。 天文学家和天体生物学家认为,这些行星最有可能适合居住,但是从它的表面和大气层反射的光线都被主恒星的光掩盖。

随着2021年10月韦伯太空望远镜发射升空,我们将具有搜索生物特征气体的能力,但是仍然非常困难,因为小岩石行星的大气讯号非常微弱。 在这个领域研究的人数激增。 研究提出新的潜在生物特征气体,而其它研究一样,对于例如氧气之类的气体会存在假阳性。

一旦投入使用,因为韦伯太空望远镜的灵敏度大大提高,所以能够在更长的波长(近红外和中红外范围)内观察
宇宙。 望远镜还依靠一系列光谱仪获得化学成分数据,并利用日冕仪来遮挡母星的光芒。 这项技术使到天文学家能够找到较小的岩石行星的大气层。

这些数据使科学家对系外行星的可居住性施加更严格的限制,对已知或潜在生物特征的检测。 这些生物标志包括与生命和生物过程相关的化学指标和对它有利的条件类型。

其中包括氧气(O2),它是地球上大多数生命所必需,并且由光合作用的生物,例如:植物、树木、细菌等产生。 这些相同的生物体会代谢二氧化碳(CO2),而这种物质会通过氧气代谢生物而将它作为废品散发出去。 还有水(H2 O)和甲烷(CH4),水对生命至关重要,甲烷是由有机物质降解而产生。

由于人们认为火山活动在行星的宜居性中起着重要作用,因此与火山活动有关的化学副产品,例如:硫化氢(H2 S),二氧化硫(SO2),一氧化碳(CO),氢气(H2)等,也是可能有生物存在标志。 此外研究团队还希望在列表中添加异戊二烯成为其中一种生物标志。

像它的表亲甲烷一样,异戊二烯是一种有机烃分子,是地球上各种物种作为次生代谢产物产生。 除了落叶树外,异戊二烯还由多种进化分支的生物(例如:细菌,植物和动物)产生。 使它有望成为潜在的生物标志,因为它是地球上生命所产生的优质物质,与甲烷的产生量一样,而且从进化到互相分支成各种各样的生命形式(例如:从细菌到植物和动物)都可以生产异戊二烯。 可能是在它星球的生物也会构成的某种关键生物构建块。

目前,我们还建造了数种地面望远镜,它们依赖复杂的光谱仪,日冕仪和自适应光学。 这些望远镜包括超大型望远镜,巨型麦哲伦望远镜,三十米望远镜。 这些望远镜也能够对系外行星进行直接研究。

有了改良的仪器,快速的数据分析和技术以及我们研究方法的改进,系外行星的研究有望进一步加速。 除了成千上万的可供研究的资源(其中许多将是岩石和类似地球的行星)之外,我们对它们的观测技巧会使我们看到究竟有多少颗可以居住的行星。

这是否会导致我们一生中发现地外生命还有待观察。 但是有一件事很清楚。 在未来的几年中,当天文学家开始梳理他们在系外行星大气层中得到的新数据时,他们会获得一份完整的生物标志清单来指导他们。

【图:积·马登(Jack Madden);文:节译自今日宇宙网页】 研究全文刊登在2021年4月1日出版的《天体生物学》期刊

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