NASA用计算机模拟系外行星大气指导找地外生命

上图 左：行星大气中的臭氧分子可以作为生物活动的指标，但只有臭氧、二氧化碳和一氧化碳，而没有甲烷，就可能是假信号。

下图：同时有臭氧、氧气、二氧化碳和甲烷，而没有一氧化碳，可能是真信号。

天文学家们在太阳系外行星的大气搜寻，希望找到一些可能是生命产生的气体。但根据美国航空航天局（NASA）天体生物学研究所虚拟行星实验室的大量模拟显示，人们不应只探测一种气体，如氧气、臭氧或甲烷，因为在某些情况下，非生命过程也会产生这些气体。研究小组认为，这项实验有助于鉴别来自外星的“疑似”生命信号，设计更加符合需要的太空望远镜。相关论文发表在近期的《天体物理学杂志》上。

在过去4年多里，NASA研究人员数千次地模拟了没有生命的外星大气的化学成分，改变大气成分和恒星类型。“在运行模拟计算时，我们发现在某些情况下，大气中形成了明显的臭氧，虽然没有任何氧气进入大气层。”论文第一作者、NASA戈达德太空飞行中心的肖恩·多玛戈-古德曼说，“这对我们寻找地外生命的未来计划有着重要意义。”

生命的特征信号

在地球上，甲烷可以由生物产生，但也可以无机合成，如海底火山通过岩石与海水作用，会释放大量甲烷。臭氧被认为是更有力的生命特征标志，由阳光或其他光照射产生氧原子，再与氧分子结合形成。地球氧分子的主要来源是生命，由植物、微生物和单细胞生物光合作用产生。

但新研究表明，无论是氧分子还是臭氧都可以不经生命过程，通过紫外线分解二氧化碳而产生。这种非生物过程也能产生足够的臭氧，并能在大气中探测出来，所以单独探测到臭氧，未必就是生命的信号。

“然而另一方面争论变得更加激烈，即同时探测到甲烷和氧气，或甲烷和臭氧在一起，是否是有力的生命特征信号？”多玛戈-古德曼说。“要造出这种生命‘假信号’真的、真的很难，我们发现的只有单独的氧气（臭氧）或甲烷。”

研究人员认为，甲烷和氧分子同时存在是生物活动的可靠信号，因为甲烷在一个有含氧分子的大气中无法长久存在。多玛戈-古德曼说：“这就像学生和披萨饼，如果你在一个屋子里同时看到披萨饼和几个学生，披萨饼很可能是刚送来的，否则学生们会很快吃掉它。甲烷和氧气也是这样，如果它们同时出现在大气里，甲烷很可能是最近才产生的，因为氧气会消耗甲烷。由此你知道甲烷有个补给源，在有氧气的情况下，最好的补给源就是生命。反过来也一样，在一个含有甲烷的大气中，要想保持其中还有氧气，就必须补给氧气，最好的方式也是生命。”

模拟的指导原则

研究人员用计算机模拟了太阳系外行星的大气化学成分，并开发出一种程序能自动进行数千次的计算推演，以便看到更广泛的大气成为和恒星类型。

做这些模拟首先要确保反应能够平衡：放入大气的氧分子要能通过反应从大气中除去。如氧和铁在行星表面反应生成氧化铁，这是大部分红色岩石的成因，也是火星尘呈现红色的原因。计算显示，一个平衡的大气非常重要，因为这种平衡才能使大气历经地质时期而长久存在。由于行星寿命以十亿年计，当一颗行星处在只有几千或几百万年的氧气或甲烷浪潮中时，被天文学家碰巧看到的可能性几乎为零。

计算还要适合多种情况。因为无论在行星大气中还是在行星之间，非生物过程也能产生氧气。大气中如果有许多能消耗氧气的气体，如甲烷或氢气，产生的任何氧气或臭氧都会被破坏；如果耗氧气体正在变少，氧气和臭氧可能会存在一段时间。

此外，氧气、臭氧和甲烷的产生和破坏，由光化学反应来驱动，所以恒星的类型也是需要重点考虑的。不同类型的恒星发出的大部分光有特定颜色。如大质量热恒星或频繁爆发的恒星会产生更多紫外光。“如果大气中有更多紫外光，就会更有效地驱动这些光化学反应，”多玛戈-古德曼说。“更多特殊的，不同波长的紫外光会以不同方式影响着氧气和臭氧的形成与破坏。”当这些光穿过系外行星大气层时，一些光会被大气分子吸收，不同分子吸收不同颜色的光，天文学家通过这些吸收光谱发现独特的特征谱线，就能确定大气中分子的种类和数量。

先破而后立

“确定生命特征标志的一个主要挑战是，区分哪些是生命产物，哪些是地质过程或大气化学反应的产物。为此，我们需要理解的不仅是生命怎样改变了一颗行星，还有行星怎样演化及其主恒星的特征。”论文合著者、墨西哥国立自治大学的安蒂格娜·塞古拉说。

“我们不能只寻找单独的氧气、臭氧或甲烷，”多玛戈-古德曼说。“为了证明是生命正在产生氧气或臭氧，需要扩展波长范围，涵盖甲烷吸收谱线。理想情况下，最好还检测其他气体，如二氧化碳、一氧化碳。所以我们正在谨慎考虑哪些问题会绊倒我们，通过识别假信号，我们能找到好的方法来避免这些错误。我们现在知道了需要做哪些检测，下一步就是解决需要建立什么，怎样建立的问题。”（来源：科技日报 记者 常丽君）