詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（James Webb Space Telescope）可以探測到行星大氣中的低碳豐度，這可能是系外行星是否擁有宜居性的標誌。麻省理工學院、伯明翰大學和其他地方的科學家說，天文學家在其他行星上發現液態水甚至生命的最佳機會是尋找它們大氣層中不存在而不是存在的化學特徵。

研究人員提出，如果一顆陸地行星的大氣中二氧化碳含量比同一星系中的其他行星少很多，這可能是該行星表面存在液態水–也可能是生命的跡象。

更重要的是，這項新特徵就在美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡（JWST）的觀測範圍之內。雖然科學家已經提出了其他宜居跡象，但這些特徵即使不是無法測量，也很難用現有技術測量。研究小組表示，這種二氧化碳相對耗盡的新特徵是目前唯一可以偵測到的宜居性跡象。

麻省理工學院行星科學助理教授朱利安-德-維特（Julien de Wit）說：「系外行星科學的聖杯是尋找宜居世界和生命的存在，但迄今為止人們談論的所有特徵都超出了最新天文台的能力範圍。現在我們有辦法找出另一顆行星上是否有液態水。這也是我們在未來幾年內可以實現的目標”。

在這幅插圖中，美國太空總署詹姆斯-韋伯太空望遠鏡的多層遮陽板在天文台的蜂巢鏡下伸展開來。韋伯望遠鏡是未來十年最重要的天文台，為全世界成千上萬的天文學家服務。它研究我們宇宙史的每一個階段。圖片來源：NASA GSFC/CIL/Adriana Manrique Gutierrez

研究小組的研究成果最近發表在《自然-天文學》上。de Wit 與英國伯明翰大學的Amaury Triaud 共同領導了這項研究。他們在麻省理工學院的合著者包括班傑明-拉克姆、普拉傑瓦爾-尼勞拉、安娜-格利登-奧利佛-賈古茨、馬特伊-佩奇、亞努什-佩特科夫斯基和薩拉-西格，以及伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）的弗里德-克萊因、法國綜合理工學院的馬丁-圖爾貝和波爾多天文物理實驗室的弗蘭克-塞爾西斯。

迄今為止，天文學家已經探測到5200 多個太陽系外的世界。利用目前的望遠鏡，天文學家可以直接測量行星到恆星的距離以及完成一個軌道所需的時間。這些測量結果可以幫助科學家推論行星是否在宜居帶內。但還沒有辦法直接確認一顆行星是否真的適合居住，也就是說它的表面是否有液態水。

在整個太陽系中，科學家可以透過觀察”閃光” – 即從液體表面反射的閃光來探測液態海洋的存在。例如，在土星最大的衛星土衛六上就觀測到了這些閃光或鏡面反射，這有助於確認該衛星上有大型湖泊。然而，要在遙遠的行星上偵測到類似的微光，目前的技術還無法實現。不過，德威特和他的同事意識到，還有一種近在咫尺的宜居特徵可以在遙遠的世界中探測到。

特里奧德說：”透過觀察我們自己系統中的陸地行星，我們萌生了一個想法。”

金星、地球和火星都有相似之處，即都是岩石行星，居住在相對於太陽而言較為溫和的區域。地球是三顆行星中目前唯一擁有液態水的行星。研究小組也注意到另一個明顯的差異：地球大氣中的二氧化碳含量少得多。我們假設這些行星是以類似的方式誕生的，如果我們現在看到一顆行星的碳含量少了很多，那麼它一定是去了某個地方。唯一能從大氣中移除這麼多碳的過程是涉及液態水海洋的強大水循環。

事實上，地球的海洋在吸收二氧化碳方面發揮了重要且持久的作用。在數億年的時間裡，海洋吸收了大量的二氧化碳，幾乎相當於今天金星大氣中持續的二氧化碳量。這種行星層級的效應使得地球大氣中的二氧化碳含量大大低於其行星鄰居。

研究報告的合著者弗里德-克萊因（Frieder Klein）說：”在地球上，大氣中的大部分二氧化碳在地質時間尺度上被封存在海水和固體岩石中，數十億年來，這有助於調節氣候和宜居性。”

研究小組推斷，如果在一顆遙遠的行星上檢測到類似的二氧化碳消耗，那麼這將是其表面上存在液態海洋和生命的可靠訊號。

在廣泛查閱了生物學、化學、甚至氣候變遷背景下的碳封存等多個領域的文獻後，研究人員認為，如果我們探測到碳耗竭，那麼它就很有可能是液態水和/或生命的強烈信號。

尋找生命的路線圖

在他們的研究中，研究小組提出了一種透過尋找貧化二氧化碳特徵來探測宜居行星的策略。這種搜尋對”豌豆莢”系統最有效，在這種系統中，多個大小差不多的陸地行星的軌道彼此相對靠近，類似於我們的太陽系。研究小組提出的第一步是確認這些行星是否有大氣層，方法很簡單，就是尋找是否有二氧化碳，預計二氧化碳在大多數行星大氣層中占主導地位。

“二氧化碳是一種非常強的紅外線吸收體，很容易在系外行星的大氣層中被探測到，”de Wit 解釋。”二氧化碳的訊號可以揭示系外行星大氣層的存在”。

一旦天文學家確定一個星系中有多顆行星擁有大氣層，他們就可以繼續測量它們的二氧化碳含量，觀察是否有一顆行星的二氧化碳含量明顯低於其他行星。如果是這樣，那麼這顆行星很可能適合居住，也就是說它的表面有大量的液態水。

但宜居條件不一定意味著行星上有人居住。為了確定是否真的有生命，研究小組建議天文學家尋找行星大氣層中的另一個特徵：臭氧。

研究人員注意到，在地球上，植物和一些微生物會汲取二氧化碳，但汲取的量遠不及海洋。不過，作為這個過程的一部分，生命形式會釋放出氧氣，氧氣與太陽的光子反應，轉化成臭氧–一種比氧氣本身更容易檢測的分子。

研究人員說，如果一個星球的大氣層同時顯示出臭氧和二氧化碳枯竭的跡象，那麼這個星球很可能是一個宜居的、有人居住的世界。

特里奧德說：”如果我們看到臭氧，那麼它很有可能與生命消耗二氧化碳有關。如果是生命，那就是燦爛的生命。它不僅僅​​是幾個細菌。它將是一個星球規模的生物體，能夠處理大量的碳，並與之相互作用。”

根據研究小組估計，美國太空總署的詹姆斯-韋伯太空望遠鏡將能夠測量附近多行星系統中的二氧化碳，可能還包括臭氧，例如TRAPPIST-1–一個圍繞一顆明亮恆星運行的七大行星系統，距離地球僅40光年。

“TRAPPIST-1 是我們可以利用JWST 進行陸地大氣研究的少數系統之一，”de Wit 說。”現在我們有了尋找宜居行星的路線圖。如果我們齊心協力，就能在未來幾年內完成顛覆性的發現。”

編譯來源：ScitechDaily