2021-04-15
 
在寻找其他行星上的生命时,行星大气中氧气的存在是生物活动的一种潜在迹象
2021年04月15日   阅读量:1597

在寻找其他行星上的生命时,行星大气中氧气的存在是生物活动的一种潜在迹象,未来的望远镜可能会探测到这一现象。然而,一项新的研究描述了几种情形,在这种情形下,像太阳一样恒星周围的无生命的岩石行星可能演变成大气中含有氧气。


这项新发现于4月13日在AGU Advances上发表,强调了对下一代望远镜的需求,该望远镜除了能够检测氧气之外,还能够表征行星环境并寻找生命的多条证据。


在寻找其他行星上的生命时,行星大气中氧气的存在是生物活动的一种潜在迹象 中网时尚,stylechina.com


萨根学者约书亚·克里斯桑森·托顿说:“这很有用,因为它表明有多种方法可以使空气中没有生命而吸收氧气,但是还有其他观察结果可帮助您将这些误报与真实交易区分开。”加州大学圣克鲁斯分校天文学与天体物理学系。“对于每种情况,我们都试图说出您的望远镜需要做些什么才能将其与生物氧气区分开来。”


在未来的几十年中,也许到2030年代末,天文学家希望有一个望远镜能够拍摄像太阳一样的恒星周围潜在的像地球一样的行星的图像和光谱。天文学与天体物理学教授,UCSC的“其他世界”实验室主任,合著者乔纳森·福特尼(Jonathan Fortney)说,这个想法是将目标对准与地球相似的行星,使它们可能出现了生命并表征了它们的大气层。


他说:“关于氧的检测是否足以构成生命迹象,已有很多讨论。” “这项工作确实证明需要了解您的探测背景。除氧以外还发现了其他分子或没有发现其他分子,这对您的行星进化有什么启示?”


这意味着天文学家将需要对大范围波长敏感的望远镜,以检测行星大气中不同类型的分子。


研究人员的研究结果基于岩石行星演化的详细,端到端的计算模型,该模型从其熔融起源开始,一直延伸到数十亿年的冷却和地球化学循环。通过改变模型行星中挥发性元素的初始清单,研究人员获得了令人惊讶的广泛结果。


当高能紫外线将高层大气中的水分子分解为氢和氧时,氧气便会开始在行星大气中积聚。轻质氢气优先逃逸到太空中,而留下氧气。其他过程可以从大气中除去氧气。例如,从熔融岩石中脱气释放出的一氧化碳和氢气将与氧气发生反应,岩石的风化也会清除氧气。这些只是研究人员纳入岩石行星地球化学演化模型的过程中的一些过程。


Krissansen-Totton说:“如果运行地球模型,我们认为这是最初的挥发物清单,那么每次都能可靠地获得相同的结果-没有生命,大气中就不会吸收氧气。” “但是我们还发现了多种情况,在这些情况下您可以无生命地获取氧气。”


例如,一个原本与地球类似但从更多水开始的行星将最终变成非常深的海洋,给地壳带来巨大压力。这有效地关闭了地质活动,包括所有可能从大气中除去氧气的过程,例如岩石融化或风化。


在相反的情况下,当行星以相对少量的水开始时,最初熔化的行星的岩浆表面可以迅速结冰,而水仍保留在大气中。这种“蒸汽气氛”将足够的水放到高层大气中,以便在水分解和氢气逸出时使氧气蓄积。


Krissansen-Totton说:“典型的顺序是岩浆表面凝固,同时水凝结到地表海洋中。” “在地球上,一旦水凝结在地表上,逃逸率就很低。但是,如果在融化的表面凝固后仍保持蒸汽氛围,则存在大约一百万年的窗口,因为其中的水含量很高,所以氧气可以积累高层大气,没有熔融表面消耗氢逸出的氧气。”


第三种可能在大气中产生氧气的情况涉及一个行星,该行星原本就类似于地球,但以较高的二氧化碳与水的比例开始。这导致温室效应失控,使水变得太热而无法从大气中冷凝到行星表面。


Krissansen-Totton说:“在这种类似金星的情况下,所有挥发物都从大气中开始,几乎没有残留在地幔中被除气并清除氧气。”


他指出,先前的研究集中于大气过程,而本研究中使用的模型则探索了行星地幔和地壳的地球化学和热演化,以及地壳与大气之间的相互作用。


他说:“它不是计算密集型的,但是有很多活动部件和相互关联的过程。”


除Krissansen-Totton和Fortney外,合著者还包括圣克鲁斯大学地球与行星科学教授Francis Nimmo和西雅图华盛顿大学的Nicholas Wogan。这项研究得到了美国宇航局的支持。


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