天体生物学

科学家辩论外星生命的签名

为了寻找遥远星球上的生命迹象,天体生物学家必须确定要针对的目标生物特征气体。

六年前,一位天文学家在西雅图一个小雨天缩在一家咖啡店里 肖恩·多马加尔·戈德曼 茫然地盯着他的笔记本电脑屏幕,瘫痪了。他一直在模拟一个正在进化的行星,当时氧气突然开始在虚拟行星的大气层中积累。浓度升高,从0%到5%到10%。

“有什么问题吗?”妻子问。

“是的。”

氧气的增加对寻找外星生命是个坏消息。

作为美国宇航局(NASA)的天体生物学家,经过数千年的思考,我们是否独自一人在宇宙中–是“人类除此以外最深刻,也许最早的问题之一,‘你要吃什么晚餐?’”。 林恩·罗斯柴尔德(Lynn Rothschild) 简而言之,对其他星球的生命狩猎正在以一种严肃的方式在增加。在过去的十年中,已经发现了成千上万的系外行星,即围绕太阳运行的恒星。其中包括潜在的超级地球,次海王星,炽热的木星和诸如开普勒452b之类的世界,开普勒452b可能是岩石的,水状的“地球表亲”,距这里1400光年。从2018年NASA詹姆斯·韦伯太空望远镜的预期发射开始,天文学家将能够跨越光年凝视并扩大最有希望的系外行星的大气层。他们将寻找“生物特征气体”的存在,这些气体只能由外星生命产生。

他们将通过观察系外行星位于其母恒星前方的薄薄的星光环来做到这一点。系外行星大气中的气体将吸收星光的某些频率,从而在光谱中留下明显的下降。

汤姆·赫维兹和理查德·弗莱明拍摄。 Ryan Griffin编辑和运动图形。来自NASA,欧洲南方天文台和知识共享的其他图形和图像。 Podington Bear的音乐。

理论视频: 大卫·卡普兰(David Kaplan)探索在遥远的行星上寻找外星生命的最佳方法。

华盛顿大学虚拟行星实验室(VPL)的研究员Domagal-Goldman众所周知,生物签名气体的金标准是氧气。不仅地球上的植物群(可能还有其他行星)大量产生了氧气,而且50年来的传统观点认为,仅凭地质学或光化学就无法产生可检测的水平的氧气,这使其成为防伪的标志。生活。氧气充满了多马加尔-高德曼(Domagal-Goldman)模拟世界的天空,但这并不是由于那里的生物活动所致,而是因为极端的太阳辐射正在将氧原子从空气中的二氧化碳分子中剥离出来的速度快于它们的重组。毕竟,这种生物签名是可以伪造的。

他说,在遥远的系外行星周围寻找生物特征气体“本质上是一个麻烦的问题”。 维多利亚·梅多斯,是VPL负责人的澳大利亚劲旅。自从多马加尔·高德曼(Domagal-Goldman)被发现以来的几年中,梅多斯(Meadows)委托75名团队成员鉴定出系外行星可能出现的主要“氧气假阳性”现象,以及区分这些错误警报与生物活动的真实氧气迹象的方法。 Meadows仍然认为氧气是最好的生物签名气体。但是,她说:“如果我要寻找这个,我想确保当我看到它时,我知道自己在看什么。”

与此同时, 萨拉·西格(Sara Seager),在麻省理工学院(Massachusetts Institute of Technology)顽强的“双地球”猎人 发明光谱技术 为了分析系外行星的大气,正在朝不同方向推动对生物特征气体的研究。 Seager承认氧气是有前途的,但她敦促占星术界不要以地形为中心,而是要考虑外星生命的运行方式,要超越地球的地球化学和我们所呼吸的特定空气。 “我的看法是,我们不愿一成不变;我们需要考虑一切。”她说。

随着未来的望远镜扩大对类地世界的调查范围,在遥远的天空中检测到潜在的生物特征气体只是时间问题。看起来就像是无时无刻的发现:证明我们并不孤单。但是我们怎么知道呢?

如果科学家们要选择最佳的系外行星以詹姆斯·韦伯望远镜为目标,那么科学家们必须迅速完善他们的模型并解决这些警告。由于检查每个行星大气的光谱要花费数百小时,并且还要花费很多时间,因此该望远镜很可能只能观察到附近恒星宜居的“戈尔迪洛克”区域中的一到三个与地球类似的世界。在从越来越多的已知系外行星列表中进行选择时,科学家们希望避免出现氧假阳性的行星环境。梅多斯说:“我们正在考虑将鸡蛋,即使不是全部放到一个篮子里,至少也要放在几个篮子里,所以重要的是要弄清楚我们应该在那里寻找什么。特别是,我们可能会被愚弄。”

生活气息

自从化学家詹姆斯·洛夫洛克(James Lovelock)于1965年首次考虑生物特征气体以来,氧气​​就一直被视为黄金标准。当弗兰克·德雷克(Frank Drake)和其他天体生物学的先驱试图探测来自遥远的外星文明的无线电信号时-一项名为“寻找外星智能(SETI)”的持续努力-Lovelock 推理的 可以通过寻找大气中不相容的气体来推断其他行星上的生命。如果可以检测到两种彼此反应的气体,则必须进行一些生动的生物化学反应,不断补充地球的大气供应。

就地球而言,尽管它很容易与空气和地面中的碳氢化合物和矿物质发生反应,从而产生水和二氧化碳,双原子氧(O2)构成稳定的21%的大气层。氧气之所以持续存在,是因为地球的光合作用者-植物,藻类和蓝细菌将其倒入了天空。他们吸收阳光将氢原子从水分子中剥离出来,形成碳水化合物并释放出氧副产物作为废物。如果光合作用停止,那么天空中存在的氧气将与地壳中的元素发生反应,并在1000万年内降至痕量水平。最终,地球将像火星,充满二氧化碳的空气和生锈,氧化的表面。洛夫洛克认为,证据表明“红色星球”目前没有生命。

但是,尽管氧气是地球上生命的商标,但为什么在其他地方也是如此? Meadows认为,光合作用具有如此明显的进化优势,因此很可能在任何生物圈中广泛传播。光合作用使任何星球上最大的能源,即太阳,能够在最常见的行星原料上工作:水和二氧化碳。梅多斯说:“如果您想获得超级代谢,您将尝试并开发出可以利用阳光的东西,因为正是在那里。”

双原子氧还具有可见光和近红外光的强吸收带,这是价值80亿美元的James Webb望远镜和广域红外测量望远镜(WFIRST)(计划于2020年代执行的任务)的精确灵敏度范围。带着如此迫在眉睫的希望,梅多斯决心知道“陷阱可能在哪里”。到目前为止,她的团队已经确定了三种主要的非生物机制,可以使大气中充满氧气,从而对生命产生假阳性。例如,在围绕小的年轻M矮星形成的行星上,强烈的紫外线可以在某些情况下使行星海洋沸腾,从而形成充满水蒸气的大气层。在高海拔地区,作为VPL科学家 已报告 在日记中 天体生物学 去年,强烈的紫外线辐射使轻质氢原子分解。然后这些原子逃逸到太空,留下一层比地球大气层密度高数千倍的氧气。

由于M矮星的体积小,因此更容易检测到通过它们的小而多岩石的行星,因此它们是NASA过境系外行星测量卫星(TESS)的预定目标,该卫星计划于明年发射。詹姆斯·韦伯望远镜将研究的类似于地球的行星将从TESS的发现中选出。有了这些候选物,天体生物学家必须学习如何区分外来光合作用剂和失控的海洋沸腾。在准备出版的工作中,Meadows和她的团队证明了四氧的光谱吸收带(O4)当O时松散地形成2 分子碰撞。 O越密2 在大气中,发生更多的分子碰撞并且四氧信号变得更强。 “我们可以寻找[O4]为我们提供一个明显的信号,即我们不仅仅是在看一个含有20%氧气的1巴气氛中”(一种暗示光合作用的类似地球的气氛),Meadows解释说,“我们正在看的是一种含有大量氧气的物质在里面。”

强烈的一氧化碳信号将识别出多马加尔-高德曼(Domagal-Goldman)在2010年下雨的早晨首次遇到的假阳性现象。现为美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的一名研究科学家,他说他并不担心氧气的长期有望成为可靠的生物签名气体。他说,氧气假阳性仅在极少数情况下才会发生,“拥有这些特定情况的行星也将具有我们应该能够检测到的观测特性,只要我们事先考虑一下,这就是我们“现在正在做。”

不过,他和其他天体生物学家也谨记氧气的假阴性-拥有生命但在大气层中没有可检测到的氧气的行星。误报和误报都帮助说服了萨拉·西格(Sara Seager)超越氧气的思维并探索更古怪的生物特征。

气体百科全书

如果过去十年来各种系外行星的发现教给我们任何东西,那就是行星的大小,组成和化学性质发生了巨大变化。 Seager认为,通过将氧气视为一切最终的生物特征气体,我们可能会错过一些东西。带着发现外星生命迹象的个人梦想,这位44岁的老人无法遵守。

Seager指出,即使在地球上,光合作用也正在抽出数亿年的氧气,然后该过程淹没了24亿年前地球上的氧气汇,氧气开始在天空中积累。直到大约6亿年前,仅凭其氧气水平就可以从远处判断,地球可能似乎没有生命。

Meadows和她的合作者研究了氧气光合作用的一些替代方法。但是西格尔,以及 威廉·贝恩斯贾努斯·佩特科夫斯基(Janusz Petkowski), 拥护他们所谓的“全分子”方法。他们是 编译详尽的数据库 迄今为止可能有14,000个分子以气体形式存在。在地球上,这些分子中的许多是被挤在海洋喷口和其他极端环境中的外来生物以微量排放的。他们不会积聚在大气中。但是,这些气体可能会在其他行星环境中产生。研究人员在富含甲烷的行星上 争论 在2014年,光合作用器可能会从甲烷(CH4)而不是CO2 并喷出氢气而不是氧气,从而产生大量氨。贝恩斯说:“最终的长期目标是[观察]另一个世界,并对这个世界可能产生的生命做出一些明智的猜测。”他将时间分配给美国麻省理工学院和Rufus Scientific。

多马戈尔-高德曼(Domagal-Goldman)同意,对氧气和所有其他生化可能性进行深入思考非常重要。他说:“由于所有这些惊奇都发生在我们对其他世界的质量,半径和轨道特性的探测中,”他说,“ [天文学家]将继续推动像我一样来自地球科学背景的人们, ,“让我们进一步思考。”这是一种健康而必要的压力。”

但是,Meadows质疑全分子方法的实用性。她在一封3000字的电子邮件中批评了Seager的想法,她写道:“建立完备的数据库之后,如何识别最可能由生命产生的分子?您如何识别他们的误报?”她总结道:“您仍然必须以地球上的生命,我们对行星环境以及生命与这些环境的相互作用的理解为指导。”

考虑到现在的生活,现在逃避我们拥有的唯一数据点非常困难。

不确定的赔率

在2013年的座谈会上,西格 提出了 是Drake方程的修订版,这是Frank Drake 1961年著名的公式,用于衡量SETI成功的可能性。德雷克方程式乘以一连串几乎未知的因素来估计银河系中的无线电广播文明的数量,而西格方程式则估计可检测到生物特征气体的行星的数量。由于具有寻找任何生命的现代能力,无论它是否具有将消息传递到太空的知识能力,我们计算成功机会的机会不再取决于不确定性,例如作为发展成果的情报稀缺或无线电技术在银河系中的普及。然而,最大的未知数仍然存在:生命首先出现在像我们这样的岩石,水样,大气行星上的可能性。

“生物发生” 神秘事件 在地球积聚液态水之后不久,这种现象就发生了,这使一些人推测,在有利的条件下,生命可能会轻易开始,甚至不可避免地开始。但是,如果是这样,那么在地球45亿年的历史中,难道生物发生就不会发生过多次,而是产生了几个生化上独特的世系,而不是基于DNA的生命的单一培养吗? 约翰·巴罗斯华盛顿大学的一位微生物学家对生命起源进行了研究,他解释说,生物发生很可能反复发生,从而在地球早期造成了遗传密码,结构和代谢的威胁。但是,通过基因交换和达尔文主义的选择,这些不同的暴发户将合并为一个世系,此后几乎将其定居于地球上的每个环境,从而阻止了新暴发户的崛起。简而言之,几乎不可能分辨生物发生是ogenesis幸事件还是普遍发生的现象,无论是在这里还是在宇宙的其他地方。

预定在座谈会上发表最后讲话的西格尔为随后的聚会定下了轻松的基调。她说:“我全力以赴。”她认为,生命有100%的机会出现在类似地球的行星上,而且这些生物圈中有一半会产生可检测到的生物特征气体,这是她方程式中的另一个不确定性。对这些极其乐观的数字进行计算得出的预测是,在未来十年中将发现两个外星生命的迹象。 “你应该笑,”西格说。

Meadows,Seager和他们的同事都认为,在这十年中进行此类检测的可能性很小。尽管前景会随着未来的任务而改善,但詹姆斯·韦伯望远镜将不得不非常幸运地在早期尝试中选出优胜者。即使它的目标行星之一确实具有生命,光谱测量也很容易被挫败。 2013年,哈勃太空望远镜监测了穿过名为GJ 1214b的中型行星大气的星光,但光谱平坦,完全没有化学指纹。西格和她的合作者 报告于 性质 看不见高空的云层遮挡了地球的天空。

本文转载于 TheAtlantic.comWired.com

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