地球自身的進化可以用作狩獵系外行星的指南

康奈爾大學（Cornell University）薩根研究所（Carl Sagan Institute）以麗莎·卡爾特尼格（Lisa Kaltenegger）教授為首的天文學家硏究團隊創建了五個模型，這些模型代表了地球演化的關鍵點，例如地球自身地質時期的化學快照（snapshot）。在即將到來的強大望遠鏡新時代中，可以把這些光譜用作樣板，以尋找遙遠恆星系統中的類似地球的行星。這些新一代以太空和地面為基地的望遠鏡與我們的模型相結合，將使我們能夠識別距地球約五十至一百光年，類似地球的行星。

卡爾特尼格教授指出：以我們自己的地球為關鍵，我們對五個不同的地球紀元建立模型，從而為我們如何尋找潛在的系外地球（從年輕的初生地球到現代世界）提供了樣板。這些模型還使我們能夠探索一個遙遠的觀察者可以在地球演化的那一點上，識別出宇宙中其它類地行星以及這些世界上可能存在的生物。

為了進行研究和模型開發，卡爾特尼格教授和她的團隊創建了與三十九億年前的地球相匹配的大氣模型，這是一種初生地球，當時二氧化碳將年輕的星球密集地掩蓋。第二個回歸模型從化學角度描述了一個無氧的星球，一個缺氧的地球，可以追溯到三十五億年前。其它三個模型將大氣中氧氣的濃度從0.2％上升到現代水平的21％。

卡爾特尼格教授表示：自從四十五億年前地球形成以來，我們的地球和我們呼吸的空氣發生了巨大變化。研究首次探討天文學家如何試圖尋找像我們這樣的世界，以我們自己的地球歷史為様板，利用觀測凌日系外行星，從而發現年輕到類似現代地球的方法。

卡爾特尼格教授指出，在地球的歷史上，氧氣上升及其豐度的時間表尚不清楚。但是，如果天文學家可以找到地球上當前氧氣含量接近1％的系外行星，那些科學家將開始發現新興的生物學，臭氧和甲烷，並將其與地球様板的年齡相匹配。因為我們的透射光譜顯示了大氣特徵，這將向遙遠的觀察者表明，地球早在約二十億年前就已經有了生物圈。

使用即將於2021年3月發射的美國太空總署詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）或計劃於2025年首次亮相的智利安託法加斯塔（Antofagasta）極大型望遠鏡（Extremely Large Telescope）等即將出現的望遠鏡，天文學家可以觀察系外行星在其恆星前面運行，從而揭露行星是否有大氣層和它的成分。一旦系外行星經過並遮擋了它的部分主恆星，我們就可以破解它的大氣光譜特徵。以地球的地質歷史為關鍵，我們可以更容易地在遙遠的系外行星上發現生命的化學跡象。

【圖：美國太空總署；文：節譯自康奈爾大學2020年3月26日新聞公佈】研究全文刊登在2020年3月26日出版的《天體物理學報快報》