发现氧气,可能并不意味着发现生命

发现氧气,可能并不意味着发现生命

地球上反射的太阳光和透过大气吸收的太阳光都是人类目前正在发展的测量遥远世界大气含量和表面特性的两种技术。将来,这也可能成为寻找有机生命的途径。

在我们探索太阳系以外的生命时,寻找一个像我们自己的世界是有意义的。作为我们的第一步,我们一直希望找到一个地球大小的世界,它围绕着一颗太阳状的恒星,距离适中,能得到液态水。我们已经有数千颗行星在这个集合中,我们已经非常接近了。但是,不是每个拥有正确的物理属性的世界都会有生命。我们需要更多的信息来知道一个潜在的可居住的世界是否真的有生命居住。

接下来的工作将是分析行星的大气层,寻找类似地球的迹象:潜在的生命迹象。地球上的大气气体-氮、氧、水蒸气、二氧化碳和更多气体-的组合被认为是一个有生命的行星的迹象。但行星科学家萨拉·赫斯特(Sarah H?rst)博士的团队的一项新研究对此表示怀疑。即使是富含氧的世界也可能不会有外星人,这是一个可以糊弄我们所有人的过程。

我们所知道的在大小上与地球相当的大多数行星都是在比太阳更冷、更小的恒星周围发现的。这与我们的仪器的局限性是有道理的;这些系统相对于它们的主恒星与地球相对于太阳的比例要更大。

关于如何达到这一点的科学故事是令人着迷的,而且比以往任何时候都更接近成为现实。我们可以通过想象我们是外星人,从很远的地方看着我们的太阳,试图确定它是否拥有一个有生命居住的世界,来理解这是如何发生的。

通过测量太阳光的频率在很长一段时间内的微小变化,我们就能推断出行星对它们的引力影响。可以通过径向速度法,或是恒星摆动法探测,它可以告诉我们关于行星质量和轨道周期的信息。大多数早期系外行星都是用这种技术发现的,它仍然是我们确定行星质量和确认候选系外行星存在的最好方法。

今天,我们知道有3500多颗已确认的系外行星,其中有2500多颗是在开普勒数据中发现的。这些行星的大小从比木星大到比地球小。然而,由于开普勒的大小和任务期限的限制,在类太阳恒星周围发现的类地行星并不在类地轨道。

我们还需要知道这个星球的大小。仅凭恒星的摆动,我们就只能知道这个行星的质量相对于其轨道的倾角有多大。一个和地球质量相当的世界,如果有一个类似地球的大气层,可能非常适合生命,但如果它是一个没有大气层的铁质世界,或者被一个低密度的大气包裹的行星,那么对生命来说可能是灾难性的。

凌日法是我们测量行星半径的最有效的方法。通过计算当它穿过我们的视线时它阻挡了多少母星的光,我们可以确定它的大小。

开普勒设计的目的是寻找行星凌日,一颗围绕恒星运行的大行星可以阻挡它的一小部分光线,使其亮度降低“高达”1%。一个行星相对于它的母星越小,你就需要越多的凌日来建立一个强有力的信号,而且它的轨道周期越长,你需要观察的时间就越长,才能得到高于噪音的探测信号。

这就是我们今天的大致情况。我们已经发现了数百个我们怀疑是环绕其恒星运行的岩石行星,其中许多正好与地球一样大。对于其中的一大部分,我们测量了它们的质量、半径和轨道周期,其中一小部分在合适的轨道距离上,具有类似地球的温度。

其中大多数围绕红矮星运行,红矮星是宇宙中最常见的一类恒星。这意味着这些恒星的力会潮汐锁定它们:同一侧应该总是面向恒星。这些恒星经常闪烁,给这些星球上任何潜在的大气层带来危险。

但是相当一部分的行星围绕K、G或F级恒星运行,在那里它们可以绕轴旋转,维持大气层,并有可能产生类似地球的生命。这就是我们要找的地方。

当一颗行星在它的母星前面经过时,一些光不仅被阻挡,而且如果有大气存在,就会通过它过滤,形成吸收或射出,足够复杂的观测站可以探测到。如果有机分子或大量的分子氧,我们也许也能发现这一点。

而这正是未来科技希望带给我们的地方。如果一个更大的开普勒望远镜配备正确的仪器,我们可以在凌日期间分解穿过系外行星大气层的光,并确定它的原子和分子含量。如果我们观察地球,我们可以确定它是由氮、氧、氩、水蒸气和二氧化碳以及其他微量特征组成的。

即使没有理想的对齐方式,直接成像仍然是可能的。NASA潜在的旗舰任务,如HabEx或LUVOIR(带有遮星板或日冕观测仪),可以阻挡母星的光线,并直接探测到轨道行星发出的光。这种光又可以被分解成不同的波长,从而决定了它的分子含量。

“遮星板”的概念最早20世纪20年代早期就能够直接对系外行星进行成像。这幅概念图描绘了一架使用遮星板的望远镜,它使我们能够描绘围绕恒星运行的行星,同时遮挡部分恒星的光线。

无论是从吸收(凌日)还是射出(直接成像),我们都可以了解潜在的类地行星大气是由什么组成的。

如果我们找到一个富氧的世界呢?据我们所知,没有其他行星、矮行星、卫星或其他物体含有1%的氧气。地球的大气层改变了将近20亿年,正是厌氧的生命过程创造了我们富含分子氧的现代大气。由于氧气很容易被紫外线破坏,并且很难通过无机的、化学的过程大量产生,因此氧气一直被视为一种生物信号,我们可以依靠它来指示一个生命的世界。

如果在那里也发现了有机分子,这看起来就像是一个万无一失的信号,表明生命确实已经在这样一个星球上扎根了。

理想的“地球2.0”将是一颗地球大小和地球质量相当的行星,拥有一个类似太阳的恒星,它们之间的距离与地球和太阳的距离相似。我们目前还没有找到这样一个世界,但即使我们找到了,我们也必须注意区分生命产生的氧气和无机过程产生的氧气。

这就是赫斯特实验室的新发现发挥作用的地方。在刚刚发表在《ACS地球与空间化学》杂志上的一篇论文中,一个为模拟朦胧的系外行星大气环境而专门设计的实验室表明,分子氧可以在一些可能自然发生的环境条件下产生,而不需要生命来创造它。

一种特殊的方式是制造一种气体混合物,它将与我们所期望的类地行星环境保持一致。然后,这种混合物被插入一个特别设计的腔体中,并受到各种温度、压力和能量注入条件的影响,这些条件很可能会模仿实际的系外行星上可能发生的活动。

温度从27°C(80°F)到大约370°C(700°F)不等,代表预期自然发生的温度范围,并总共使用了9种不同的混合气体。能量注入有两种不同的形式:来自紫外线和等离子体放电,这代表了可能由阳光或类似闪电的活动引起的自然条件。

结果呢?有多种情况导致了有机分子(如糖和氨基酸前体)和氧气的产生,但并不需要任何生命来获得它们。

过去人们认为氧和有机物在一起表示生命,但我们在多种模拟中以非生物的方式产生了它们。这表明,即使是普遍接受的生物特征可能是一个错误的假设。

通过将模拟外行星的大气气体加热到不同的温度,并使它们接受紫外线和等离子体的能量注入,就可以产生有机分子和氧气。我们必须小心,不要把氧气和有机物的非生物特征误认为生命。

这项试验也不是为了产生这种假阳性结果而精心的设计。舱内的气体被设计成模拟已知的外行星大气的成分,紫外线能量注入被设计成模拟阳光。这些实验模拟了各种大气环境(富氢、富水和富二氧化碳),所有这些环境都产生了雾状粒子,并产生了氰化氢、乙炔和甲胺等有机分子。

冥王星的大气层,大气中的雾清晰可见,这些云在这个寒冷的外部世界上导致了周期性的降雪。在更高的温度和离太阳更近的地方,类似的雾可能导致产生含有大量分子氧的世界。

在类似地球的温度和更高的温度下,多种环境同时产生有机分子、生物前体分子和氧气。论文非常简洁地陈述了主要结论:实验室结果表明,复杂的大气光化学可以发生在不同的外行星大气中,并导致新的气体产品和烟雾粒子的形成,包括可能被错误地确定为生物特征的化合物(O2和有机物)。

从某些指标来看,这些实验中产生的分子氧的数量相对较小。赫斯特本人不会把在实验室中创造的大气称为“富氧”。但是,在合适的条件和足够的时间条件下,这些过程仍有可能转化为系外行星上的富氧大气层。在这一点上,发现有机物和分子氧的存在似乎完全是归因于非生物的、非生命的过程。

在整个宇宙中都发现了有机的,赋予生命的分子的特征,包括在附近最大的恒星形成区域:猎户座大星云。不久的将来,我们或许能够在其他恒星周围的地球大小的世界中寻找生物印记,或者我们可以直接在太阳系中的另一个世界中发现简单的生命。

从历史上看,当我们仰望天空寻找地球以外生命的证据时,我们一直希望和我们在地球上所知道的东西相一致。关于金星上的恐龙或火星上的运河的理论仍然萦绕在我们的记忆中,我们必须注意,外星生命的氧气特征不会导致我们得出乐观结论。我们现在知道,非生物过程和依赖生命的过程都可以创造一个富氧的大气。

那么,当我们发现第一颗富氧的类地外行星时,最棘手的问题将是解开潜在的原因。如果我们成功了,我们的回报将是了解我们是否真的在另一颗恒星周围发现了生命。