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地球歷史中五個關鍵時間點的快照可以幫助我們找到宜居系外行星
在過去的幾十年裡，天文學家們已經證實了除了我們的太陽系以外的數千顆行星的存在。隨著時間推移，這已經從觀察發展到了描繪階段，希望能從這些星球中發現有適宜生物生存的。就當前來說，這些方法都是間接的，這意味著天文學家們只能根據行星與地球的相似程度來判定是否適合居住。
為了幫助尋找「適宜居住」的系外行星，康奈爾大學的一個研究的團隊最近創建出了五個代表地球進化關鍵點的模型。這些關於地球在經歷多種地質時期的「快照」通過提供一個宜居行星的更完整圖像，以顯著推進地外生命的探索。
該研究發表在《天體物理學雜誌通訊》上，由康奈爾大學天文學副教授、卡爾·薩根研究所（CSI）所長麗莎·卡爾特尼格指導。利用以前的地質時期作為參考，卡爾特尼格和她的團隊開發了光譜模板，這將有助於下一代望遠鏡尋找「類地」行星。
藝術處理圖：比鄰星b行星環繞比鄰星運轉，比鄰星是一顆紅矮星，是距離太陽系最近的恆星。（圖源：歐南臺/M. Kornmesser）
其中包括詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）和大視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST），它們將分別於2021年和2024年部署到太空。 正如卡爾特尼格在最近的CSI新聞稿中解釋的那樣：
「這些新一代的天基和地基望遠鏡與我們的模型相結合，將使我們能夠識別距地球約50至100光年的類似地球的行星。」
「我們將地球作為樣本，對五個不同的地球紀元（從年輕的益生菌時代到現代世界）進行了建模，從而為辨別潛在的系外地球提供了模板。這些模型還使我們能夠探索遙遠的觀察者可以在地球演化的哪個點識別出這些宇宙「蒼白的藍點」以及其他類似星球上的生命。」
為了把這一切都推翻，天文學家目前只能尋找與地球相似的行星，主要是因為地球是唯一已知有生命的行星。然而，我們今天在地球上看到的情況僅僅是一個我們星球隨時間變化的快照。地球的地質和大氣在過去與今日有著顯著的的差異，而這在地球生命的進化中起著至關重要的作用。
藝術處理圖：巨大的系外行星HR8799的光譜圖，它位於大約130光年外。（圖源：歐南局/M. Janson）
為了進行研究，卡爾滕格格和她的團隊創建了與39億年前的地球相匹配的大氣模型。 這個「益生菌地球」的大氣主要由二氧化碳組成。第二個模型「缺氧地球」則描述了35億年前大氣中沒有氧氣時地球的樣子。
其他三個模型揭示了地球從過去到現在的過渡，其中包括光合生物的興起（大約35億年前）和「大氧化事件」（大約24至20億年前）。 在這些時期，我們大氣中的氧氣逐漸從濃度的0.2％上升到現代水平的21％。 正如卡爾特尼格所說：
「自從45億年前地球形成以來，我們的地球和我們呼吸的空氣發生了巨大的變化，因此有史以來第一次，在這篇文章中我們以地球歷史為模板提出天文學家該如何尋找像我們這樣的世界，如何發現還在過渡中的年輕行星。」
雖然地球是何時形成含有豐富氧氣的大氣層仍是未知的，但這些模型為數十億年前地球上的大氣種類提供了框架。基於這些模板，大氣層含氧量低於1%的系外行星都有可能有新生物，臭氧和甲烷的跡象。
TOI 1338b是環繞兩顆恆星運行的行星，由TESS發現。（圖源：美國宇航局戈達德太空飛行中心/克裡斯·史密斯）
除了像詹姆斯·韋伯太空望遠鏡（JWST）和大視場紅外巡天望遠鏡（WFIRST）這樣空間望遠鏡外，歐南局的特大望遠鏡（ELT），30米望遠鏡（TMT）和巨麥哲倫望遠鏡（GMT）等地基望遠鏡也是如此。憑藉其高靈敏度和自適應光學特性，這些望遠鏡將能夠對遙遠的系外行星進行直接成像勘測，並辨別其大氣層。
通過這些設備，天文學家們可以觀察到相當小的巖質行星在緊密軌道中從寄主星經過。（被稱為凌星方法）與此同時太陽光將穿過大氣層產生光譜，而天文學家以此來測定其中存在的化學物質。「一旦系外行星經過並遮住了一部分寄主星，我們就可以解析他的大氣光譜特徵。」卡爾特尼格表示，「利用地球地質的發展史為關鍵，我們可以更容易定位到遙遠系外行星上生命的化學特徵。」
如果地球的地質變遷能說明什麼的話，那就是能維持生命活動的星球經歷了一些極大的轉變，而這是因為生命的出現導致了星球的進化。在這方面，像「類地球」和「潛在宜居」這樣的限定詞具有時間維度，隨著時間的推移涉及一系列條件。