寻找外星生命新思路：探测行星大气中的二氧化碳

本文来自微信公众号：SF 中文 （ID：kexuejiaodian），作者：SF

基于太空望远镜发展的成果，现在的天文学家可以对许多系外行星的大气成分进行细致的观察。这个星球的大气成分是其是否宜居的一个重要判定指标。近 20 年，天文学家识别了超过 5200 个宜居星球和近 10,000 个候选星球。

然而，目前对宜居行星的探测似乎进入了瓶颈。这是因为，识别宜居或有生命存在迹象的系外行星，通常有两种方法：1）能探测到被海洋反射的光芒；2）探测到大气中氧含量较高。而这两个特征对现有的天文望远镜甚至是未来更先进的望远镜来说，都是很困难的。

于是，科学家提出了一个新思路，与其关注地球比其他行星多的东西，如氧气，不如关注地球比其他行星少的东西，如二氧化碳。

另外，科学家表示，大气二氧化碳含量低这一特征作为系外行星宜居的标志，这个思路也适用于开发下一代直接成像的太空望远镜。

关注地球上少的东西

相对于同一星系的其他行星，如果一颗气候温和的岩质行星的大气中二氧化碳含量较低，往往表示这颗行星上存在大量液态水、板块构造运动，甚至可能存在生命。

另外，相较于氧气，二氧化碳在水中的溶解度更大。大气中二氧化碳含量低，更能说明行星上有水圈和大气圈的互动。同样，海洋容纳了大量二氧化碳，相较于测定海洋反射的光线，海洋造成的大气二氧化碳含量变化更容易被测定。

在新研究中，科学家发现詹姆斯・韦布太空望远镜可以对行星的大气二氧化碳含量进行特异性搜查，例如，詹姆斯・韦布太空望远镜在观察恒星 TRAPPIST-1 系统等特定星系时，对分子对称振动频率在 4.3μm 左右的二氧化碳进行探测的频谱最清晰，效果最佳。

凌日测光法

为了更好地理解科学家在新研究中采用的探测行星大气二氧化碳的方法，我们需要先了解一下凌日测光法。

从地球的角度看，当行星从其寄主星（恒星）前面经过时，它们可能会暴露自己的存在并遮挡部分恒星发出的光。这种现象叫做“凌日”。

恒星在凌日过程中的变暗程度直接反映了恒星和行星的相对大小。恒星相对行星越大，变暗的程度越小。天文学家制定了特定的光谱来计算行星相对恒星的大小，并推测行星的直径。同时，科学家可以根据行星的径向速度法来估计行星的最小质量，有了这两个数据，科学家就可以计算出行星的密度，并判断一颗行星是岩质的，还是气态的，或者介于两者之间。

另外，通过观察凌日过程中，行星大气层对恒星亮度的影响，天文学家可以判断行星的大气成分。

通常，由于氧气分子对称振动频率的波段较窄，即使是在理想的情况下，要测定氧气的含量也需要 1000 次的凌日过程。这需要几十年的时间，甚至相当于詹姆斯・韦布太空望远镜的整个使用周期。

相对来说，二氧化碳含量就比较好检测了。同时，臭氧的紫外线和可见光波段也比较容易被检测到。

因此，在这项新研究中，科学家基于二氧化碳，提出了探测系外行星的凌日测光“三步走”策略：1）在视野最佳的凌日过程（大约 10 次）中，观测气候温和的岩质行星周围的大气层；2）根据大约 40 次凌日过程，评估该行星大气中二氧化碳含量低于其他行星的程度；3）根据大约 40 次凌日过程，评估该行星大气臭氧的含量，以确定造成该行星大气中二氧化碳含量低于其他行星的因素中，液态水和生物作用分别造成多大的影响。

二氧化碳可以判定系外行星是否可能宜居

科学家也注意到星球宜居性与板块构造运动的关系 —— 板块构造运动参与大气循环，或许是导致生命存在的一个驱动因素。

二氧化碳溶解于水，最后沉积形成碳酸盐岩等可以储存碳的岩石，在板块构造运动中，这些岩石被深埋在不易被风化的地方。这些岩石中的碳不返回大气，久而久之，大气中的二氧化碳含量就会下降。

一些地球科学家认为，在地球形成最初的十亿年里就有板块构造了，早于生命起源，板块构造是生命起源的一个关键前提条件。因此，在这项研究中，科学家认为，行星中二氧化碳含量较低也可以反映这颗星球可能宜居。

参考文献：

• https://www.nature.com/articles/s41550-023-02157-9

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