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翻译：张瀚之
校对：牧夫校对组
编排：陈宏宇
后台：朱宸宇
https://www.universetoday.com/166545/measuring-the-atmospheres-of-other-worlds-to-see-if-there-are-enough-nutrients-for-life
通过望远镜使用光谱测量系外行星大气层的示意图。图片来源：NASA/JPL-加州理工。
我们和地球上的每一个生命，都依赖于六种关键元素：碳、氢、氮、氧、磷和硫。这些元素，统称为“CHNOPS”，与几种微量营养物和液态水一起，构成了地球上的生命。
多年以来，天文学家们一直在探测系外行星的温度和液态水存在的痕迹，温暖的环境和水是证明一个世界是宜居的必要因素。但现在，天文学家们可以将探索更进一步，通过寻找CHNOPS来获得更准确的预测。
天体生物学是一门很新的学科，而我们对系外行星和外星生命的探索也刚刚在起步阶段。所以，我们除了需要收集水和温度的数据，要进一步获得更多的像CHNOPS这类更精准的信号在系外行星的大气层中的数据。
一篇题为“岩石系外行星大气中化学物质和行星宜居性的关系”的论文已被《国际天体生物学杂志》接受，第一作者是维也纳大学天体物理系的奥利弗·赫尔波特，ARIEL博士后研究员。
目前的科技水平导致我们才研究到系外行星大气层，而不出意外最近升空的JWST（詹姆斯·韦伯）是能开展这些研究的主要功臣。但是JWST的业务实在是太繁忙了，所以2029年欧空局将发射ARIEL，一个大气遥感红外望远镜，ARIEL将全力研究系外行星大气层。
欧空局ARIEL太空望远镜的示意图。在为期四年的任务中，它将用凌日法探测1000个系外行星大气层，研究他们的大气层的表征成分和热学结构。图片来源：ESA。
期待ARIEL发射的同时，赫尔波特和他的同事们没有闲着。他们正在为分析即将到来的数据马不停蹄的做着准备。对此，赫尔波特表示：“我们对这1000个系外行星的详细了解对于解释观测结果，特别是对宜居性特征的探测来说变得很重要。如果其中有行星的大气中有这些物质的存在，这就说明这些行星中存在水云冷凝物，也许他们上面就会有生命。”
我们的姊妹行星金星有一个极端的表面：超级高温和高压意味着上面几乎不可能有生命存在。但是我们不能通过这两个原因就完全把它看作死星。最近的研究在金星的大气层中发现了磷化氢，磷化氢就是是一种有生命存在可能性的指标，这种新的指标也让我们有了新的寻找生命的思路。
麻省理工和卡迪夫大学的天文学家们在金星大气层中探测到了磷化氢存在。图片来源：ESO/NASA/JPL-加州理工。
赫尔波特指出，“大气层生物圈的概念，将潜在宜居性的评判标准从地表液态水扩大到了的液态水云。”
赫尔波特和小组成员研究了空中生物圈的概念以及CHNOPS的和生命的关联性，并且引入了系外行星大气中化学物质“有效性水平”的概念。他强调，在研究框架中，无论其他营养物质在不在，都需要水的存在，“我们认为任何没有水凝结物的大气层都是不适合居住的。”水是万物之源，而研究人员根据CHNOPS物质的存在量给每个行星都分配了不同的可居住性水平。
论文中的的这张图示展示了化学物质“有效性水平”的概念。如上排所示，没有水，就没有适合居住的大气层，而不同的化学成分组合意味着不同的宜居潜力。“red”代表氧化还原，“ox”代表CO2、NOx和SO2氧化态的存在。图片来源：赫尔波特。
赫尔波特模拟了大气层中含有不同水平的营养物质以预测他们的宜居性和化学潜能，而不仅仅是宜居性。任何一种形式的生命都可以极大地改变一个行星的大气层的化学构成，而赫尔波特希望了解生命在大气层中的潜力。
“我们的方法并不直接针对有生命的行星的生物特征和大气层，而是生物化学反应发生的潜在条件。”
“我们发现，在大多数（p气体，T气体）的大气中，液态水是稳定的，而且携带中枢神经系统的分子的浓度一般都高于10的9次方”。所以我们的目标锁定在了分子的浓度都高于10的9次方的大气层。赫尔波特还发现，碳通常在每个模拟的大气中都存在，而硫含量随着表面温度的升高而增加。随着表面温度的降低，氮的含量就会增加。
磷是另一种特殊的物质。“CHNOPS元素中最有决断性的元素是磷，磷主要出现在行星地壳中。“赫尔波特指出，在过去的地球大气层中，磷的稀缺性就是限制生物圈的主要原因。
空中生物圈是一个有趣的想法，不过我们必须得说明行星表面的生命才是重点，所以有没有液态水还是关键问题。而且当一个行星有液态水的时候，C、N、S的含量在地表附近的低层大气中也会很多。
“如果地表有液态水，有些化学物质就会和水发生反应，所以大气层中中不存在的元素也许就储存在地壳冷凝物中。风化现象可以使这些元素重新回到大气中。这也许能解释大气中磷和金属的匮乏。”
海洋世界的假想图，这样的假想世界有巨大的海洋和富含氢气的厚厚的大气层，充满了温室效应。目前，我们还不清楚一个没有地表的海洋世界是否能支撑生命。图片来源：剑桥大学。
这种逻辑也让海洋世界存在的可能性变得更加微乎其微。如果水和岩石没有机会与大气相互作用，生物前分子可能就不会出现。如果我们确实可以证明生命可以在没有任何裸露的地表的海洋中中形成，地表宜居性的复杂难题就可以化简成液态水这一件事。
赫尔波特的许多模拟显示，如果大气中存在一个与地表分离的液态水区域，那么这样的组合会对空中生物圈形式的生命形更有帮助。
行星大气层真是非常复杂，而且他们是动态的，会随着时间的推移发生巨大的变化。有时，这种变化是因为生命本身，有时是因为行星开局的先天因素。赫尔波特的研究有助于我们更好的理解大气层的复杂性。而且这项研究中，恒星辐射还没有被纳入考虑，如果加上这一点，研究会变得更加棘手。
可居住性问题也是复杂的，我们还有好多基础的问题没有答案。行星的地壳必须与水和大气接触才能产生CHNOPS吗？空中生物圈能成为系外行星宜居性的重要评判部分吗？
尽管强大的模型再多，天文学家们最需要的是数据。我们期待当ARIEL发射时，天文学家们将有更多的数据进行研究，对天体生物学有更深的了解。
责任编辑：郭皓存
牧夫新媒体编辑部
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看见日全食
图片来源和版权: NASA/Keegan Barber
2024年4月8日星期一，得克萨斯州达拉斯市的日全食。日全食席卷了北美大陆从墨西哥的太平洋海岸到加拿大纽芬兰的大西洋海岸的狭窄部分。整个北美大陆以及中美洲和欧洲部分地区都可以看到日偏食。
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