如果在系外行星大氣層中偵測到異戊二烯可能有生物存在


近幾十年來對太陽系外行星的研究有突飛猛進的發展。到目前為止,已經在3,247顆恆星系統中確認了4,375顆系外行星,另有5,856個候選者正在等待確認。現時系外行星研究已開始從發現過程過渡到表面特徵的探索。下一代望遠鏡投入使用後,有望加快這一過程。

天體生物學家正在努力建立潛在生物特徵的綜合清單,該清單指的是與生命相關的化合物和過程(氧氣,二氧化碳,水等)。美國麻省理工學院研究團隊致力尋找另一個潛在的生物特徵,是異戊二烯(isoprene;化學符號 C5H8)的碳氫化合物。研究發現,異戊二烯作為評估有氧大氣系外行星中,可能存在生物的標誌性氣體。

到目前為止,絕大多數的系外行星通過間接方法發現和確認。在大多數情況下,天文學家單獨或結合使用凌日法(偵測光度變化)和徑向速度法(多普勒光譜變化)。使用直接拍照只能檢測到少數,這樣很難看到系外行星的大氣和表面。

只有極少數情況下,天文學家才能獲得光譜,使他們能夠確定該行星大氣的化學成分。是光穿過系外行星大氣層時在它的主恆星前面經過而得到,也可能在發生直接拍照並可以研究系外行星大氣層反射的光的少數情況下產生。

在很大程度上與目前的望遠鏡局限性有關,望遠鏡沒有足夠的分辨率來觀測細小的岩石行星,這些行星運行時更靠近恆星。天文學家和天體生物學家認為,這些行星最有可能適合居住,但是從它的表面和大氣層反射的光線都被主恆星的光掩蓋。

隨著2021年10月韋伯太空望遠鏡發射升空,我們將具有搜索生物特徵氣體的能力,但是仍然非常困難,因為小岩石行星的大氣訊號非常微弱。在這個領域研究的人數激增。研究提出新的潛在生物特徵氣體,而其它研究一樣,對於例如氧氣之類的氣體會存在假陽性。

一旦投入使用,因為韋伯太空望遠鏡的靈敏度大大提高,所以能夠在更長的波長(近紅外和中紅外範圍)內觀察宇宙。望遠鏡還依靠一系列光譜儀獲得化學成分數據,並利用日冕儀來遮擋母星的光芒。這項技術使到天文學家能夠找到較小的岩石行星的大氣層。

這些數據使科學家對系外行星的可居住性施加更嚴格的限制,對已知或潛在生物特徵的檢測。這些生物標誌包括與生命和生物過程相關的化學指標和對它有利的條件類型。

其中包括氧氣(O2),它是地球上大多數生命所必需,並且由光合作用的生物,例如:植物、樹木、細菌等產生。這些相同的生物體會代謝二氧化碳(CO2),而這種物質會通過氧氣代謝生物而將它作為廢品散發出去。還有水(H2 O)和甲烷(CH4),水對生命至關重要,甲烷是由有機物質降解而產生。

由於人們認為火山活動在行星的宜居性中起著重要作用,因此與火山活動有關的化學副產品,例如:硫化氫(H2 S),二氧化硫(SO2),一氧化碳(CO),氫氣(H2)等,也是可能有生物存在標誌。此外研究團隊還希望在列表中添加異戊二烯成為其中一種生物標誌。

像它的表親甲烷一樣,異戊二烯是一種有機烴分子,是地球上各種物種作為次生代謝產物產生。除了落葉樹外,異戊二烯還由多種進化分支的生物(例如:細菌,植物和動物)產生。使它有望成為潛在的生物標誌,因為它是地球上生命所產生的優質物質,與甲烷的產生量一樣,而且從進化到互相分支成各種各樣的生命形式(例如:從細菌到植物和動物)都可以生產異戊二烯。可能是在它星球的生物也會構成的某種關鍵生物構建塊。

目前,我們還建造了數種地面望遠鏡,它們依賴復雜的光譜儀,日冕儀和自適應光學。這些望遠鏡包括超大型望遠鏡,巨型麥哲倫望遠鏡,三十米望遠鏡。這些望遠鏡也能夠對系外行星進行直接研究。

有了改良的儀器,快速的數據分析和技術以及我們研究方法的改進,系外行星的研究有望進一步加速。除了成千上萬的可供研究的資源(其中許多將是岩石和類似地球的行星)之外,我們對它們的觀測技巧會使我們看到究竟有多少顆可以居住的行星。

這是否會導致我們一生中發現地外生命還有待觀察。但是有一件事很清楚。在未來的幾年中,當天文學家開始梳理他們在系外行星大氣層中得到的新數據時,他們會獲得一份完整的生物標誌清單來指導他們。

【圖:積·馬登(Jack Madden);文:節譯自今日宇宙網頁】 研究全文刊登在2021年4月1日出版的《天體生物學》期刊

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