还在通过氧气和水寻找宜居星球？英美天文学家另辟蹊径！
Julien de Wit
美国麻省理工学院的行星科学专业副教授
Amaury Triaud
英国伯明翰大学地外行星学专业教授
长期以来，科学家们通过寻找氧气、臭氧等气体来判断地外行星的宜居性。然而，麻省理工学院和伯明翰大学的学者们提出了一种新方法：通过检测大气中二氧化碳含量较低的行星，推测其表面可能存在液态水。随着詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）的应用，这一方法有望揭示更多宜居星球，并为寻找地外生命提供新路径。JWST能否显著推进我们寻找地外生命的进程？在未来的探索中，地球类似的宜居行星是否可能被发现？
一般来说，科学家们以大气层中含有氧气、臭氧、水蒸气等气体，作为地外行星能孕育生命的判断依据。
然而，麻省理工学院和英国伯明翰大学的学者们反其道而行之：着眼于二氧化碳含量特别低的地外行星。
经过千万年的地质变迁，地球大气层中大部分的二氧化碳最终都溶解到了海洋里、埋藏到了地壳里。因此，大气层中二氧化碳含量相对较低，能作为星球有液态水的化学征迹。
利用美国国家航空航天局（NASA）两年前发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST），可以测算地外行星大气层中二氧化碳含量。
这一切努力，都是为了寻找表面环境与地球类似的星球，便于我们探索外星生命。
一直以来，科学家们通过地外行星是否含氧气、臭氧、水蒸气等气体，来判断能否孕育生命。然而，麻省理工学院和英国伯明翰大学的学者们反其道而行之：着眼于某种气体含量特别低的行星，作为突破口，寻找外太空的液态水，乃至外太空生命。
学者们发现，如果在一个外太阳系里，某个类地行星比其他行星的大气二氧化碳含量低，那么表面就可能有液态水。过去，天文台或天文望远镜无法观测出这种化学征迹，但是美国国家航空航天局（NASA）两年前发射的詹姆斯·韦伯空间望远镜（JWST）可以实现这一功能。
迄今为止，天文学家已在我们的太阳系之外发现了五千余个地外行星。早在二十年前，便研究出了计算宜居带（围绕恒星的一区域，其中的条件可能支持存在液态水，因此有可能存在生命）的方式。但是一个星球究竟能不能支持生命诞生，还暂无确凿的判断方法。
对于我们太阳系中的其他天体，科学家采取的方法是观测有无液态海洋，具体而言，就是观测有没有阳光在液面上反射的光点。土星最大的卫星土卫六上的湖泊就是这样被发现的。但是由于地外行星距离较远，即使对于先进的JWST，观测起来恐怕也有困难。
01
浩瀚星海，还有与我们类似的恒星系吗？
由美国麻省理工学院的行星科学专业副教授Julien de Wit和英国伯明翰大学地外行星学专业教授Amaury Triaud带领的联合课题组，以我们的太阳系中类地行星大气层二氧化碳含量为参考，研究地外行星。经过千万年的地质变迁，地球大气层中大部分的二氧化碳最终都会溶解到海洋里、埋藏到地壳里。虽然地球和金星的二氧化碳总量差不多，但是金星的大气层95%都是二氧化碳。由此可见，地球地壳的贮能力十分强大。
Triaud 说：“我们认为，同样的原理在地外行星也适用：宜居星球与非宜居星球相比，大气二氧化碳浓度更低，由此可推断出液态水的存在。”学者们认为，这一方法最适合于研究与我们太阳系类似的天体系统：有多个类地行星，大小差不多，各自的公转轨道也相距不远。一个例子是TRAPPIST‑1恒星星系，拥有7颗行星，距离地球40光年——在宇宙尺度上，这算是很近了。
图片来源：PI France
首先，需要通过JWST观察这些地外行星有没有气态二氧化碳，从而判断其有无大气层。现在，只有JWST能测算出类地行星的大气化学组成。二氧化碳对红外线吸收能力较强，故JWST可通过光学手段轻松测出。随后，则要将同一星系的行星进行比较，经过多次测量，判断哪一颗的二氧化碳含量显著低于其他，并分析成因是生物质吸收，还是水溶解。
02
宇宙深处，还有与地球类似的行星吗？
随着人类发现的地外行星数量增加，不仅要明确它们的大小、质量是否与地球类似，还要研究表面环境与地球的异同。Triaud 说：“在外太阳系中找到大气二氧化碳较低的行星，更能说明该行星表面环境与地球类似。以这一基础开展进一步的生物活动探索，更有的放矢。”
de Wit表示：“地外行星研究中，找到地球之外的宜居星球和地外生物，是所有学者之梦寐以求。学者一直希望在地外行星上找到某种额外的信号，比如液态水的反光、氧气的吸收征迹等。但是即使是最新的观测设备，也难以实现这些功能。我们的思路是，不去关注生命或液态水会给一个星球‘增加’什么特质，而是‘减少’什么特质。只有这样，才可能以现有的技术寻找宜居星球和地外生命（具体而言，指几年内完成对TRAPPIST‑1或类似恒星星系的判定）。换一个视角，能开辟出新天地。”
课题组还将继续寻找其他恒星系的宜居类地行星，供JWST观测。“我们在智利、加那利群岛、墨西哥的天文台组成的SPECULOOS天文台网络，是探索地外行星的中坚力量，最近又发现了若干个地外行星存在的迹象。”
作者
Isabelle Dumé
Meister Xia
Atmospheric carbon depletion as a tracer of water oceans and biomass on temperate terrestrial exoplanets, Nature Astonomy 8 17–29 (2024)
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