科學(xué)家們在其母恒星周圍的宜居帶中發(fā)現(xiàn)了成千上萬的系外行星，包括數(shù)十個地球或巖石世界。尋找這些世界上生命跡象的一種有前途的方法是探測系外行星大氣中的“生物特征”-化學(xué)成分的怪異是生命的生命跡象。例如，由于光合作用，我們的大氣中的氧氣含量接近21%，大大高于給定地球組成，軌道和母星的預(yù)期水平。

尋找生物特征并不是一件容易的事?？茖W(xué)家使用有關(guān)系外行星大氣如何與其母恒星的光相互作用的數(shù)據(jù)來了解其大氣。但是，它們可以使用當(dāng)今的地基和空基望遠鏡收集的信息或光譜太有限，無法直接測量大氣層或檢測生物特征。

華盛頓大學(xué)天文學(xué)教授維多利亞·梅多斯(Victoria Meadows)等系外行星研究人員專注于即將到來的觀測站，如詹姆斯·韋伯太空望遠鏡或JWST，可以在系外行星大氣層中進行測量。2月15日，在美國西雅圖科學(xué)促進會年度會議上，西澳大學(xué)虛擬行星實驗室的首席研究員Meadows將發(fā)表演講，總結(jié)這些新天文臺可以收集哪些數(shù)據(jù)以及可以揭示哪些數(shù)據(jù)。關(guān)于地球上類似地球的系外行星的大氣。梅多斯(Meadows)與威斯康星大學(xué)(UW News)坐下來討論這些新任務(wù)的承諾，以幫助我們以新的視角觀察系外行星。

問：系外行星研究領(lǐng)域正在發(fā)生什么變化?

在未來的五到十年中，我們將有機會首次觀察到地球系外行星的大氣層。這是因為新的天文臺即將上線，其中包括詹姆斯·韋伯太空望遠鏡和地面觀測臺，例如超大型天文望遠鏡。我們最近在虛擬行星實驗室以及其他機構(gòu)的同事所做的許多工作都集中在模擬JWST和地面望遠鏡對類地球系外行星的“外觀”。這使我們能夠了解這些望遠鏡將拾取的光譜，以及這些數(shù)據(jù)將告訴我們哪些有關(guān)系外行星大氣的信息，而不會告訴我們。

問：JWST和其他任務(wù)能夠表征哪些系外行星大氣?

實際上，我們的目標(biāo)是一組精選的系外行星，它們在40光年以內(nèi)，并繞著非常小的涼爽的恒星運行。作為參考，開普勒任務(wù)確定了距離地球1000多光年的系外行星。較小的恒星也有助于我們更好地了解行星大氣的組成，因為行星大氣的薄層可以阻擋較小恒星的更多光。

因此，我們正在集中研究少數(shù)系外行星，以尋找可居住性和生活的跡象。所有這些都是通過地面調(diào)查確定的，例如TRAPPIST及其繼任者SPECULOOS(兩者均由列日大學(xué)運營)以及哈佛大學(xué)的MEarth項目。該組中最著名的系外行星可能是繞TRAPPIST-1軌道運行的七個地球行星。TRAPPIST-1是一顆M型矮星，它是您所擁有的最小的恒星之一，并且仍然是恒星。它的七個系外行星跨越了可居住區(qū)的內(nèi)部和外部，其中三個位于可居住區(qū)。

我們已經(jīng)確定TRAPPIST-1是最好的研究系統(tǒng)，因為這顆恒星很小，以至于我們可以從這些世界的大氣層中獲得相當(dāng)大的信息信號。這些都是地球的表親，但是母星卻非常不同，因此了解它們的大氣會是非常有趣的。

問：到目前為止，您對TRAPPIST-1系外行星的大氣有何了解?

天文學(xué)界已經(jīng)對TRAPPIST-1系統(tǒng)進行了觀測，但是除了“未發(fā)現(xiàn)”之外，我們什么都沒有看到。那仍然可以告訴我們很多。例如，觀測和模型表明，這些系外行星大氣不太可能被氫(最輕的元素)所控制。這意味著它們要么根本就沒有大氣層，要么擁有像地球這樣相對較高密度的大氣層。

問：根本沒有氣氛嗎?是什么原因造成的?

M-矮星的歷史與我們自己的太陽截然不同。嬰兒期剛出生后，隨著時間的推移，類似太陽的恒星會變亮。

M矮星開始時又大又亮，因為它們在重力作用下會塌陷到它們一生的大部分時間。因此，M型矮行星可能會經(jīng)受很長時間(可能長達十億年)的高強度光度。這可能剝奪了行星的大氣層，但是火山活動也可以補充大氣層。根據(jù)它們的密度，我們知道許多TRAPPIST-1世界都可能擁有化合物儲集層，其儲量實際上比地球高得多，可以補充大氣。TRAPPIST-1的第一個重要JWST結(jié)果將是：哪個世界保留了大氣?它們是什么類型的氣氛?

我對他們確實有大氣感到樂觀，因為這些儲層我們?nèi)栽谔綔y中。但我愿意對數(shù)據(jù)感到驚訝。

JWST和其他天文臺將在TRAPPIST-1系外行星的大氣層中尋找什么類型的信號。可能最容易尋找的信號是二氧化碳的存在。

問：二氧化碳是生物簽名嗎?

不能單靠一個信號而已。我總是告訴我的學(xué)生-向右看，向左看。金星和火星的大氣中都含有大量的二氧化碳，但沒有生命。在地球大氣層中，二氧化碳水平隨季節(jié)而變化。在春季，隨著植物的生長，二氧化碳的水平下降，并將二氧化碳排入大氣。在秋天，植物分解而二氧化碳升高。因此，如果您看到季節(jié)性騎行，那可能是生物簽名。但是，使用JWST進行季節(jié)性觀測的可能性很小。

相反，JWST可以尋找另一種潛在的生物特征，即存在CO2時的甲烷氣體。甲烷通常在二氧化碳中的壽命很短。因此，如果我們同時檢測到兩者，則可能是某物正在積極產(chǎn)生甲烷。在地球上，我們大氣中的大部分甲烷是由生命產(chǎn)生的。

問：如何檢測氧氣?

單獨的氧氣不是生物特征。這取決于它的水平以及大氣中還有什么。例如，由于海洋的損失，您可能會遇到富氧的大氣：光將水分子分裂成氫和氧。氫逃逸到太空，氧氣積累到大氣中。

JWST可能不會直接從氧氣光合作用中吸收氧氣，而氧氣光合作用是我們現(xiàn)在已經(jīng)習(xí)慣的生物圈。極大型望遠鏡和相關(guān)的天文臺也許能夠這樣做，因為它們所看到的波長與JWST的波長不同，從而可以更好地看到氧氣。JWST將更適合探測類似于數(shù)十億年前地球上的生物圈，并能區(qū)分不同類型的大氣。

問：TRAPPIST-1系外行星可能擁有哪些不同類型的大氣?

M矮星的高發(fā)光度階段可能會將行星推向溫室效應(yīng)失控的大氣層，如金星。正如我之前所說，您可能會失去海洋，并擁有富氧的氣氛。第三種可能性是讓地球變得更像地球。

問：讓我們談?wù)劦诙N可能性。如果JWST無法直接檢測氧氣，該如何顯示富氧氣氛?

JWST的優(yōu)點在于它可以拾取系外行星大氣中發(fā)生的過程。它將吸收氧氣分子之間碰撞的信號，這種情況在富氧氣氛中更經(jīng)常發(fā)生。因此，我們很可能看不到與光合生物圈相關(guān)的氧氣量。但是，如果由于海洋損失而遺留下大量的氧氣，我們可能會看到光譜中的氧氣碰撞，這可能表明系外行星已經(jīng)失去了海洋。

因此，JWST不太可能為我們提供生物簽名的確鑿證據(jù)，但可能會提供一些誘人的提示，這需要進一步的跟進和向前推進，以思考JWST以外的新任務(wù)。NASA已經(jīng)在考慮新的任務(wù)。我們希望他們的能力是什么?

這也帶給我一個非常重要的觀點：系外行星科學(xué)在很大程度上是跨學(xué)科的。了解這些世界的環(huán)境需要考慮軌道，組成，歷史和宿主恒星，還需要天文學(xué)家，地質(zhì)學(xué)家，大氣科學(xué)家和恒星科學(xué)家的投入。真正要了解一個星球需要一個村莊。