還在類地行星上找生命？不妨看看氫氣「球」

2020-08-30 天文在線

文章介紹了一項研究認為我們利用大氣層尋找生命證據的最佳機會是擴大我們對像我們這樣的行星的搜索範圍，將那些有氫大氣的行星也包括在內。

天文學家們認為應當尋找吸氫外星人，原因在此

克卜勒22b 圖源：NASA

未來，人們可能通過分析行星大氣首次找到系外行星上存在生命的證據。隨著已知類地行星數量不斷增加，可能很快就能發現適合地球生命生存的大氣環境。

但如果外星生命的化學機制和地球生物不同怎麼辦？一項發表於《自然·天文》的新研究稱，如果想要通過分析大氣找到地外生命存在的證據，那麼只關注類地行星是不夠的，最好把有氫大氣的行星也納入研究範圍之中。

當系外行星從其恆星前方經過時，就能研究其大氣組分——此時恆星光必須穿過行星大氣才能到達地球，而部分恆星光會被行星大氣吸收。按照不同波長分解恆星光得到光譜，觀察恆星光譜，發掘其中缺失的部分，就能揭示行星的大氣組分。記錄系外行星大氣也是一度延遲發射的詹姆斯韋伯太空望遠鏡的任務之一。

假設找到了一種大氣，化學組成和預期不一致，那最簡單的解釋是，行星上的生命進程在維持著這種大氣組分。地球即如是：地球大氣包含甲烷（CH4），天然能與氧氣發生反應生成二氧化碳，但甲烷沒有消失，首要原因就是生物過程的存在。另一種解釋是，如果二十四億年前在所謂的「大氧化事件」中，光合微生物沒有將氧氣從二氧化碳中釋放出來，那現在地球大氣裡根本不會有氧氣，甲烷自然就能留存了。

將目光投向有氧大氣之外

這項新研究的作者們聲稱，我們應該開始探索大氣以氫為主的、類地行星以外的其他行星。這些行星的大氣中很可能沒有游離氧，因為氫氣和氧氣會形成高度易燃的混合氣體。

氫氣是最輕的分子，很容易向空間逃逸。一個巖石行星要有大到足以維持有氫大氣的引力，必須要是一個質量在地球2~10倍間的「超級地球」。這些氫氣既可能是行星從生長時處在的氣體雲中捕獲的，又可能是之後的鐵和水的反應中析出的。

地球大氣以氮氣為主，與地球相比，在大氣以氫氣為主的行星上，隨高度升高，大氣密度下降速度要慢14倍，這使氫大氣行星周圍的大氣包絡大14倍，更容易在光譜觀測中被發現。更大的大氣尺度也能增加直接用光學望遠鏡成像觀察到的機率。

實驗室裡的吸氫生物

作者們在實驗室中證明，大腸桿菌（人腸道裡有數十億）能在完全無氧的氫氣環境中存活並繁殖；數種酵母菌也能做到。這都是很有意思的結果，但不能進一步證明在氫氣環境下生命能蓬勃發展。

此外，地殼中有很多微生物也靠代謝氫來存活，一種多細胞生物一生都在地中海海底的無氧區裡度過。

地球大氣起初是沒有氧氣的，氫氣含量也不會超過1%。但早期生命的代謝方式可能是氫氣和碳反應生成甲烷，和人類利用氧氣和碳生成二氧化碳的代謝方式有所不同。

「生命信號」氣體

然而，這項研究還是得到了一項重大發現。研究人員們證明，在氫氣環境下，由酵母菌產生的氣體多達數十種，多樣性驚人。其中，許多是能在有氫大氣裡被檢測到的「生命信號」氣體，如二甲基矽化物，羰基硫和異戊二烯。在知道具體需要尋找的氣體組分後，在系外行星發現生命的概率就大大增加了。

據說，用氫氣的甲烷反應過程的效率要低於其他用氧氣的反應過程。然而，對天體生物學家而言，吸氫生命其實已經是一個公認的概念了。在一些比較合理的科幻小說，如大衛·布林的「提升」系列（Uplift）中，已經出現了有意識的吸氫生物。

作者們還指出，當氫氣達到一定濃度時，可以充當溫室氣體，從而使行星表面足夠溫暖，以維持液態水的存在，並使地表生命更加遠離恆星。

研究沒有提到在木星等氣態巨行星上尋找生命的可能性。即便如此，揭示這些之前難以為人發覺的可能生命跡象，將有富氫大氣的超級地球也算作宜居世界，就是將潛在有生命跡象的星球數量翻了一倍。

FY:張掩護

作者：DAVID ROTHERY

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