在尋找其它行星上發現氧氣作為支援生命跡象要小心有機會是假陽性

尋找其它行星上的生命時，行星大氣中氧氣的存在是生物活動的一種潛在跡象，未來的望遠鏡可能會探測到這一現象。然而，一項新的研究顯示，好像太陽一樣的恆星，它周圍的無生命的岩石行星也可能演化成大氣中含有氧氣。

美國加州大學聖克魯斯分校（University of California - Santa Cruz）天文學與天體物理學系以約書亞·克里斯桑森-托頓（Joshua Krissansen-Totton）為首的研究團隊進行各種情況模擬發現，岩石行星的大氣層中可以有氧氣但沒有生命。在各種不同的情況，我們都試圖指出望遠鏡需要做些什麼，才能將沒有生物存在的含氧大氣和有生物存在的氧氣區分開來。

在未來的幾十年，也許到2030年代末，天文學家希望用望遠鏡拍攝像太陽一樣的恆星，它周圍潛在好像地球一樣的行星的影像和光譜。這個想法是將目標對準與地球相似的行星，尋找可能出現有生命特徵的大氣層。

關於氧的檢測是否足以證明有生命存在的跡象，已經有很多討論。這項研究確實證明需要了解探測天體的背景。除了氧以外還發現了其它分子，或者沒有發現其它分子。這意味著天文學家將需要對大範圍波長敏感的望遠鏡，進行檢測行星大氣中不同類型的分子存在。

研究人員的研究結果基於岩石行星演化詳細點對點的計算模型，該模型從行星起源開始，一直延伸到數十億年冷卻期和它的化學循環。通過改變模型行星中揮發性元素的起初清單，研究人員得到令人驚訝結果。

當高能紫外線將高層大氣中的水分子分解為氫和氧時，氧氣便會開始在行星大氣中積聚。輕質氫氣優先逃逸到太空中，而留下氧氣。其它過程可以從大氣中除去氧氣。例如，從熔岩石中脫氣釋放出的一氧化碳和氫氣將與氧氣發生反應，岩石的風化也會清除氧氣。這些只是研究人員納入岩石行星化學演化模型的過程中的一些設定。

克里斯桑森-托頓說：「如果運行和地球相同的模型，我們認為這是最初的揮發物清單，那麼每次都能可靠地獲得相同的結果，就是沒有生命，大氣就沒有氧氣。但是我們還發現多種情況，在這些情況下原來可以無生命，大氣層也會獲得氧氣。」

例如，一個原本與地球類似，但是更多水份開始的行星，將最終形成非常深的海洋，給地殼帶來巨大壓力。這有效地關閉地質活動，包括所有可能從大氣中除去氧氣的過程，例如岩石融化或風化。

在相反的情況下，當行星以相對少量水開始時，最初熔化的行星的岩漿表面可以迅速結冰，而水仍保留在大氣中。這種蒸汽水份，將足夠的水放到高層大氣中，在水分解和氫氣逸出時，氧氣會蓄存在大氣層。

克里斯桑森-托頓說：「典型的順序是岩漿表面凝固，同時水凝結到地表海洋中。在地球上，一旦水凝結在地表上，逃逸率就很低。但是，如果在熔岩表面凝固後仍保持大量蒸汽大氣層，則存在大約一百萬年的窗口，因為其中的水含量很高，所以氧氣可以積累在大氣高層，沒有熔岩表面消耗氫分解逸出的氧氣。」

第三種可能在大氣中產生氧氣的情況涉及一種行星，該行星原本就類似於地球，但以較高的二氧化碳與水的比例開始。這導致溫室效應失控，使水變得太熱而無法從大氣中凝結到行星表面。在這種類似金星的情況下，所有揮發物都從大氣中開始，幾乎沒有殘留在地幔，中分解出氧氣。

克里斯桑森-托頓指出，先前的研究集中於大氣過程，而本研究中使用的模型則探索行星地幔、地殼的化學和熱演化，以及地殼與大氣之間的相互作用。

【圖、文：節譯自美國加州大學聖克魯斯分校2021年4月13日新聞公佈】研究全文刊登在2021年4月13日美國地球物理聯盟出版的《前進》期刊第2卷，第2期