撰文：伊凡·保罗                2024年1月6日

詹姆.斯韦伯太空望远镜最近在系外行星K2-18-b的大气层中，发现了甲烷和二氧化碳的痕迹，这颗系外行星的质量是地球的8.6倍，距离我们约120光年。这一迹象可能是水海洋的迹象。（图片：NASA、CSA、ESA、J.Olmsted（STScI）、Science：N.Madhusudhan（剑桥大学））

在系外行星上寻找液态水，是在恒星中发现生命的关键，现在，科学家们提出了一种新的策略，可能会提高发现液态水的机会。

在12月28日发表在《自然-天文学》杂志上的这项新研究中，研究人员假设，如果一颗系外行星的大气层中的二氧化碳比其邻居少，那么它的表面可能有大量的水，甚至可能有生命。

目前，在太阳系外的行星上寻找液态水，是一项重大挑战。在我们发现的大约5000颗系外行星中，液态水还没有在任何一颗上得到证实。科学家们能做的最好的事情就是，探测系外行星大气层中的水痕迹，并确定这些行星理论上是否能支持液态水。

“我们知道，起初，地球的大气层成分主要是二氧化碳，但后来碳溶解到海洋中，使地球能够在过去40亿年左右维持生命，”该研究的共同主要作者、英国伯明翰大学系外行星学教授阿马里·特里奥德在一份声明中说。

一旦碳在海洋中溶解，构造活动就会将其锁定在地壳中，从而形成有效的碳汇。这就是为什么与我们的邻居相比，我们的星球的二氧化碳含量明显较低的部分原因——地球大气层的二氧化碳含量约为0.04%，而金星和火星的大气层的二氧化碳含量均超过95%。

研究人员表示，如果科学家在系外行星上观察到类似的低碳大气，这可能表明存在与我们地球相似的浩瀚海洋。

寻找二氧化碳比寻找液态水更容易。二氧化碳能很好地吸收红外辐射，这意味着它能产生科学家可以探测到的强信号。

也有可能用现有的望远镜，如詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）来执行这项技术。地面观测也应该是可能的，因为二氧化碳的测量波长是特定的，而地球大气层可以通过部分吸收信号来破坏其他波长的实验。

英国莱斯特大学物理与天文学院讲师萨拉.卡塞尔没有参与这项研究，她说：“这是一种非常好的方法。而且它也不会涉及大量的望远镜时间投资，这非常重要，因为这对我们的社区来说非常宝贵。”

令人担忧的是，另一种情况可能会导致大气中的低碳：生命本身。我们星球上的生命捕获碳的主要方式是，通过光合作用和制造外壳，地球上大约20%的碳捕获是由生物过程引起的。

“尽管早期有很多希望，但我们的大多数同事最终得出结论，像JWST这样的大型望远镜，将无法探测到系外行星上的生命。而我们的工作带来了新的希望，”该研究的共同主要作者、麻省理工学院行星科学助理教授朱利安.德.威特在声明中说。德.维特说：“通过利用二氧化碳的特征，我们不仅可以推断出遥远星球上是否存在液态水，而且还提供了一条识别生命本身的途径。”

尽管这种方法看起来原则上可行，但可能仍存在障碍，因为尚不清楚有多少类地系外行星也有大气层。卡塞尔在接受《生活科学》采访时表示：“找到一个完美的系统来测试这一点，可能比我们之前想象的更具挑战性。”

但随着研究人员不断发现更多的系外行星，也将发现更多的大气层，这项技术可以帮助我们判断它们是否能维持生命。