毫不夸張地說，對太陽系外行星的研究在近幾十年爆炸式激增。到目前為止，4375顆系外行星已在3247個星系中得到證實，另外5856顆候選行星也正在等待被證實。

近年來，對系外行星的研究開始從發(fā)現(xiàn)過程轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣餮芯窟^程。預(yù)計這一過程將會加速下一代望遠鏡的投入使用。因此，天體生物學家正在努力創(chuàng)建關(guān)于“生物特征”可能性的全面清單，它涉及了與生命有關(guān)的化合物（氧氣、二氧化碳、水等）和進化過程。

根據(jù)麻省理工學院的一個團隊的新研究，我們應(yīng)該尋找的另一個潛在的生物特征是一種叫做異戊二烯的碳氫化合物(c5h8)。這項研究描述了他們的發(fā)現(xiàn)，“評估異丁二烯作為具有缺氧大氣的系外行星中可能的生物特征氣體”，被《天體生物學》雜志接受發(fā)表。

為了他們的研究，麻省理工學院的團隊研究了天文學家們在未來幾年將會尋找的越來越多的可能的生物特征列表。到目前為止，絕大多數(shù)系外行星已經(jīng)通過間接方法被探測和確認。在很大程度上，天文學家大多依賴于過境法（過境光度法)和徑向速度法(多普勒光譜學）。只有少數(shù)可以被直接成像探測到，這使得很難描繪系外行星的大氣和表面。

只有在極少數(shù)情況下，天文學家才可以獲得允許他們測定系外行星大氣中化合物的光譜。這要么是光線穿過系外行星的大氣層在它恒星前過渡的結(jié)果，要么是在少數(shù)情況下發(fā)生的直接成像，可以從系外行星大氣層的光反射中研究。

這在很大程度上與我們目前的望遠鏡的限制有關(guān)，這些望遠鏡沒有必要的分辨率來觀測到更接近它們的恒星的更小的巖石行星。

天文學家和天體生物學家認為，正是這些行星最有可能適合居住，但任何從它們的表面和大氣層反射出來的光都被來自它們的恒星的光所覆蓋。然而，隨著下一代詹姆斯·韋伯太空望遠鏡(JWST)等儀器進入太空，這種情況很快就會改變。薩拉·西格是麻省理工大學物理學和行星科學教授，她領(lǐng)導著負責研究的研究小組（又名西格小組），也是這篇論文的合著者。

正如她通過電子郵件告訴宇宙的那樣，“隨著即將到來的2021年10月詹姆斯·韋伯太空望遠鏡的發(fā)射，我們將有尋找生物特征氣體的第一個能力——但這是困難的，因為小巖石行星的大氣信號是如此的弱。隨著工作的到來，在該領(lǐng)域工作的人數(shù)量急劇增長。像這樣的研究提出了新的潛在生物特征氣體，以及其他研究表明，即使對氧氣等氣體也有潛在的假陽性?！?/p>

一旦它被部署和操作，JWST將能夠在更長的波長下（在近紅外和中紅外范圍內(nèi)）觀察到我們的宇宙，并大大提高了靈敏度。該望遠鏡還將依靠一系列的攝譜儀來獲得組成數(shù)據(jù)，以及日冕儀來阻擋母恒星的模糊光。這項技術(shù)將使天文學家能夠描述較小巖石行星的大氣特征。反過來，這些數(shù)據(jù)將允許科學家對系外行星的宜居性施加更嚴格的限制，甚至可能導致發(fā)現(xiàn)已知的（和/或潛在的）生物特征。 如前所述，這些“生物特征”包括與生命和生物過程相關(guān)的化學跡象，更不用說對它有利的條件類型了。

這些氣體包括氧氣(o2)，這對地球上的大多數(shù)生命形式至關(guān)重要，是由光合作用的生物體（植物、樹木、藍藻細菌等）產(chǎn)生的。這些生物代謝二氧化碳（二氧化碳），氧氧化生命作為廢物排放。還有水(h2o)，這對我們所知的所有生命都至關(guān)重要，還有甲烷(腐爛有機物釋放的ch4)。 由于火山活動被認為在行星的宜居性中發(fā)揮著重要作用，與火山活動相關(guān)的化學副產(chǎn)物——硫化氫（h2s）、二氧化硫（so2）、一氧化碳(co)、氫氣（h2）等。-也被認為是生物特征。 在這個名單上，詹、西格和他們的同事們希望添加另一個可能的生物特征——異戊二烯。

正如詹解釋的那樣：“我們在麻省理工學院的研究小組專注于使用一種整體的方法來探索所有可能的氣體作為潛在的生物特征氣體。我們之前的工作導致了所有小分子數(shù)據(jù)庫的創(chuàng)建。我們繼續(xù)過濾ASM數(shù)據(jù)庫，使用數(shù)據(jù)驅(qū)動方法進行機器學習，以識別最可信的生物簽名候選氣體，其中之一是異丁二烯。” 和它的表親甲烷一樣，異丁二烯是一種有機烴分子，由地球上的不同物種產(chǎn)生作為二次代謝產(chǎn)物。除了落葉樹，異丁二烯也由各種進化遙遠的生物產(chǎn)生——如細菌、植物和動物。 正如西格解釋的，這使得它成為一個潛在的生物特征?！爱愇於┖苡星巴?，因為它是地球上生命產(chǎn)生的巨大質(zhì)量——和甲烷一樣！”此外，各種各樣的生命形式（從細菌到動植物），它們進化遙遠，產(chǎn)生異丁二烯，這表明這可能是其他地方生活可能構(gòu)成的某種關(guān)鍵基石?！?/p>

雖然異丁二烯在地球上的含量與甲烷一樣豐富，但異丁二烯被與含氧和含氧自由基的相互作用所破壞。出于這個原因，張、西格和他們的團隊選擇專注于缺氧的大氣。這些環(huán)境主要由氫2、二氧化碳和氮氣(n2)組成，這與地球的原始大氣組成的環(huán)境相似。 根據(jù)他們的發(fā)現(xiàn)，一顆原始行星（生命開始出現(xiàn)的地方）的大氣中會有豐富的異戊二烯。這可能是4億到25億年前地球上的情況，當時單細胞生物是唯一的生物，光合用的藍藻細菌正在慢慢地將地球大氣轉(zhuǎn)化為富氧的生物。到25億年前，這以“大氧合事件”(GEO)達到高潮，這被證明對許多生物體（以及異丁二烯等代謝物）是有毒的。

也正是在這段時間里，復雜的生命形式（真核生物和多細胞生物體）開始出現(xiàn)。在這方面，異戊二烯可以用來描述那些處于重大進化轉(zhuǎn)變中的行星，并為未來的動物門奠定基礎(chǔ)。 但正如張所指出的，挑出這個潛在的生物特征也將是一個挑戰(zhàn)，即使對JWST也是如此。

以異戊丁二烯作為生物標志物的警告是：探測需要10x-100倍。探測近紅外異戊二烯化合物光譜特征會因甲烷或其他碳氫化合物的存在所阻礙。對異戊二烯的獨特檢測將具有挑戰(zhàn)性，因為許多碳氫化合物分子在近紅外波長中具有相似的光譜特征。但未來聚焦于中紅外波長的望遠鏡將能夠獨特地檢測到異丁二烯光譜特征?！?/p>

除了JWST之外，南?！じ窭姿沽_馬太空望遠鏡（哈勃任務(wù)的繼承者）也將在2025年進入太空。這個天文臺將擁有“100個鵝卵石”的威力，它最近升級的紅外濾光器將使它能夠通過與JWST和其他“偉大天文臺”合作來描述系外行星。

目前，地球上還建造了一些地面望遠鏡，它們將依賴于精密的光譜儀、日冕儀和自適應(yīng)光學系統(tǒng)(AOS)。這些望遠鏡包括超大望遠鏡(ELT)、巨型麥哲倫望遠鏡(GMT)、30米望遠鏡(TMT)，這些望遠鏡還將能夠?qū)ο低庑行沁M行直接成像研究，其結(jié)果預(yù)計將是開創(chuàng)性的。

在不斷更新的儀器、快速改進的數(shù)據(jù)分析技術(shù)以及我們的方法的改進之間，對系外行星的研究只會進一步加速。除了有成千上萬的觀點可供研究（其中許多將是巖石和“類地球”），我們對它們的前所未有的觀點將讓我們看到有多少可居住的世界。

但有一件事是清楚的：在未來的幾年里，當天文學家們開始梳理所有關(guān)于系外行星大氣層的新數(shù)據(jù)時，他們將有一份全面的生物特征列表來指導它們。

西格和詹之前的工作包括一個火星溫室的概念，它可以為四名宇航員提供為期兩年的所有必要的食物。這個溫室被稱為生物圈工程的外星住宅建筑（海貍），在2019年美國宇航局大創(chuàng)意挑戰(zhàn)中獲得第二名。

BY:?MATT WILLIAMS, UNIVERSE TODAY

FY: nebula

如有相關(guān)內(nèi)容侵權(quán)，請在作品發(fā)布后聯(lián)系作者刪除

轉(zhuǎn)載還請取得授權(quán)，并注意保持完整性和注明出處