氧气和甲烷的结合可以揭示另一个世界上生命的存在

在宇宙中寻找生命(一个被称为天体生物学的领域)的过程中，科学家们依靠地球作为生物和进化过程的模板。这包括寻找与地球类似的岩石行星，这些行星在其母恒星的宜居带(HZ)内运行，大气层由氮气、氧气和二氧化碳组成。然而，随着时间的推移，地球的大气层已经从有毒的氮气、二氧化碳和微量火山气体羽流中发生了很大的变化。随着时间的推移，光合生物的出现引起了转变，形成了我们今天看到的大气。

过去5亿年，即显生宙，对于地球大气层和陆地物种的演化尤为重要。这一时期氧气含量显着上升，动物、恐龙和有胚植物(陆地植物)出现。不幸的是，在我们寻找系外行星大气中生命迹象的过程中，所得到的透射光谱缺失了。为了解决这一差距，康奈尔大学的一组研究人员创建了显生宙期间的大气模拟，这可能对寻找太阳系外行星上的生命产生重大影响。

这项研究由丽贝卡·佩恩(RebeccaPayne)和丽莎·卡尔特内格(LisaKaltenegger)领导，他们分别是康奈尔大学卡尔·萨根研究所的副研究员和助理教授。描述他们发现的论文“类地系外行星的氧气赏金：显生宙的地球光谱”最近发表在《皇家天文学会月刊：快报》上。他们在线提供了完整的模型和高分辨率光谱，这为规划、优化和解释地面和太空望远镜的观测提供了工具。

系外行星的研究目前正在经历一个转变。迄今为止，已有5,528颗系外行星得到确认，另有9,899颗候选行星正在等待确认，这一过程已从发现转向表征。这一转变得益于能够直接从系外行星大气获取光谱的下一代地面和天基望远镜。在这个过程中，使用光谱仪分析光，识别与不同化合物相对应的吸收特征，从而揭示有关系外行星大气成分的重要数据。

这可以使用直接成像方法来完成，天文学家检查从行星大气层(或表面)反射的光。另一种方法涉及获得透射光谱，天文学家分析当系外行星相对于观察者(凌日)从其恒星前方经过时穿过系外行星大气层的光。借助像詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)这样的天文台，天文学家终于能够获得距离太阳较近的较小岩石行星的透射光谱，这些行星被认为存在潜在的宜居、类地行星。正如卡尔滕格教授通过电子邮件告诉《今日宇宙》：

“迄今为止，我们知道大约35颗岩石系外行星在其恒星的宜居带中旋转。虽然美国宇航局詹姆斯·韦伯太空望远镜的技术能力处于边缘，但现在分析其中一些系外行星的大气层是可能的。但科学家们需要知道要寻找什么。我们的模型认为像显生宙地球这样的行星是在宇宙中寻找生命的真正有希望的目标，当然，生命绝不一定是恐龙。”

尽管已经发现并描述了过多的系外行星，但大气层处于不同演化阶段的类似地球行星却很缺乏。对于显生宙来说尤其如此，显生宙是元古代、太古宙和哈代宙之前的四个地质纪元中当前和最新的一个。这一时期对于陆地生命形式的进化尤其重要，因为整个时期发生了许多关键的发展。这包括寒武纪大爆发，其特征是化石记录中出现了大多数现代动物物种。

图片来源：今日宇宙

它还包括泥盆纪，无数的水生物种适应了旱地;三叠纪和侏罗纪，以重大灭绝事件开始和结束(分别为二叠纪-三叠纪灭绝事件和三叠纪-侏罗纪灭绝事件);白垩纪-古近纪灭绝事件，恐龙灭绝;在新近纪，哺乳动物和鸟类继续进化成现代形态，第一个现代人类出现在地质记录中。卡尔滕内格说，为了预测这个亿万年的大气层会是什么样子，他们创建了一个模型，将现有模型与新的大气模拟相结合：

“我们的模型模拟了一颗行星产生的透射光谱，该行星的大气层穿过我们的视线到达它的恒星，即凌日。行星的大气层吸收了星光的一些颜色，但让其他颜色透过，形成了一个‘光指纹’，科学家们用它来确定大气的成分以及该大气中是否存在生命的迹象。丽贝卡·佩恩利用两个已建立的气候模型(称为GEOCARB和COPSE)的估计值，模拟了地球的大气成分以及由此产生的透射光谱，超过5个1亿年的增量在显生宙，这个时代生物圈多样化，森林变得广泛，改变了空气中氧气和其他气体的混合。”

他们模拟的关键是大气中的氧气含量，从显生宙(寒武纪)初期的约10%上升到末期(新近纪)的35%。他们表示，由此产生的更高的氧气水平可以说是复杂生命进化的先决条件，包括恐龙、哺乳动物和原始人类(最终导致现代人类)。无论如何，他们的模拟产生的“光指纹”将比现代地球更加突出，因为氧含量更高。

卡尔特内格说：“通过分析最近5.4亿年的地球演化，即显生宙，我们发现类地系外行星大气层中的生命化学特征比现代地球更为明显。”“在显生宙，包括恐龙时代(245-66Mio年前)，两个关键的生物特征对——氧气和甲烷，以及臭氧和甲烷——在大约3亿年前显得更强，当时氧气水平明显更高。”

这项研究得到了达特茅斯学院团队最近领导的另一项研究的支持(卡尔滕内格是该研究的合著者)。他们的论文(“识别凌日行星生命迹象的信息论方法”)已被《皇家天文学会月刊》接受发表，可在arXiv预印本服务器上获取，该团队在论文中描述了他们如何模拟范围的透射光谱，以创建一种算法来识别地球类似物上潜在的生物特征。他们在围绕一系列主恒星运行的类地行星的三个大气演化时期测试了该算法。

他们说，由此产​​生的诊断工具可以应用于未来的观测，以限制行星的宜居性。这项研究以及佩恩和卡尔滕格创建的模型可能对天体生物学产生重大影响，为寻找处于不同宜居阶段的行星提供了模板。

正如卡尔滕格总结的那样，“因此，为了识别潜在的宜居世界，曾经有一段时间，生命的指纹比现在更加明显——而且是在恐龙统治时期。因此，尽管在宇宙中寻找生命非常困难，它可能比我们想象的要容易一点。侏罗纪世界——拥有庞大而复杂的生命——可能会让我们有机会更容易地找到它。谁知道呢，也许我们很幸运，而且有其他恐龙等待被发现。”

　　免责声明：本文由用户上传，与本网站立场无关。财经信息仅供读者参考，并不构成投资建议。投资者据此操作，风险自担。 如有侵权请联系删除！