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NASA利用计算机模拟系外行星大气指导地外生命寻找

2014年09月 17日 15:59  |来源: 中国科技网-科技日报
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    真生命还是假信号?

    ——NASA模拟系外行星大气指导地外生命寻找

    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。

    本报记者 常丽君 综合外电

    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。”

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