一个低碳的大气层可能是其他类地行星上有水和生命的迹象

麻省理工学院、伯明翰大学和其他地方的科学家们说，天文学家们发现其他行星上有液态水，甚至生命的最好机会，是寻找大气层中某种化学特征的缺失，而不是存在。 研究人员提出，如果一个类地行星的大气层中的二氧化碳含量比同一系统中的其他行星少得多，那么这可能是该行星表面有液态水 ,甚至可能有生命的迹象。

更重要的是，这种新的特征在美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）的探查范围之内。虽然科学家们提出了其他的适居性的迹象，但这些特征用目前的技术来测量是具有挑战性的，甚至是不可能的。该团队表示，这种相对贫乏的二氧化碳的特征，是目前可检测到的唯一的适居性的迹象。

“系外行星科学中的圣杯是寻找适合居住的世界，以及生命的存在，但是到目前为止，所有被讨论过的特征都超出了最新的天文台的能力，”麻省理工学院的行星科学助理教授Julien de Wit说。“现在我们有了一种方法，可以找出另一个行星上是否有液态水。而且这是我们在未来几年内可以做到的。”

到目前为止，天文学家已经发现了超过5200个超出我们太阳系的世界。用目前的望远镜，天文学家可以直接测量一个行星到其恒星的距离，以及它完成一个轨道所需的时间。这些测量可以帮助科学家推断一个行星是否在适居带内。但是，还没有办法直接确认一个行星是否确实适合居住，也就是说，无法确定其表面是否存在液态水。

在我们自己的太阳系中，科学家可以通过观察“闪光”来检测液态海洋的存在 ，这些是反射在液体表面的阳光闪烁。例如，在土星最大的卫星泰坦上，就观察到了这些闪光或镜面反射，这有助于证实该卫星的大湖。

然而，用目前的技术来探测遥远行星上的类似闪光是不可能的。但是，de Wit和他的同事意识到，有另一个适居特征在可以在遥远的世界中被探测到。

金星、地球和火星有相似之处，它们都是岩石行星，而且相对于太阳，它们都处于一个相对温和的区域。地球是这三个行星中唯一目前拥有液态水的行星。而且，该团队注意到了另一个明显的区别：地球的大气层中的二氧化碳含量明显较低。

的确，地球的海洋在吸收二氧化碳方面发挥了重要而持久的作用。在数亿年的时间里，海洋吸收了大量的二氧化碳，几乎等于今天金星大气层中持续存在的量。这种行星尺度的效应使得地球的大气层与其行星邻居相比，明显缺乏二氧化碳。

“在地球上，大部分的大气二氧化碳在地质时间尺度上被海水和固体岩石封存起来，这有助于调节气候和适居性，已经持续了数十亿年，”研究的合著者Frieder Klein说。

该团队推理，如果在一个遥远的行星上检测到类似的二氧化碳耗竭，相对于其邻居，这将是一个可靠的液态海洋和生命存在的信号。

“在广泛地回顾了从生物学、化学，甚至是在气候变化背景下的碳封存等许多领域的文献后，我们相信，如果我们检测到碳耗竭，它很有可能是液态水和/或生命的一个强有力的迹象，”de Wit说。

在他们的研究中，该团队提出了一种通过寻找二氧化碳耗竭的特征来探测适居行星的策略。这种搜索最适合“豌豆荚”系统，即多个类地行星，大小相近，相对彼此靠近地绕着一个恒星运行，这点就类似于我们自己的太阳系。该团队提出的第一步是确认这些行星有大气层，只需寻找二氧化碳的存在，这是预期占据大多数行星大气层的成分。

“二氧化碳是红外线中的一个非常强的吸收剂，可以很容易地在系外行星的大气层中被检测到，”de Wit解释说。“二氧化碳的信号可以揭示系外行星大气层的存在。”

一旦天文学家确定一个系统中的多个行星拥有大气层，他们就可以继续测量它们的二氧化碳含量，看看是否有一个行星明显低于其他行星。如果是这样，这个行星很可能是适居的，意味着它的表面拥有大量的液态水。

但是适居条件并不一定意味着一个行星是有生命的。为了看看生命是否真的存在，该团队建议天文学家寻找行星大气层中的另一个特征：臭氧。

在地球上，研究人员指出，植物和一些微生物有助于吸收二氧化碳，尽管没有海洋那么多。然而，在这个过程中，这些生命形式释放出氧气，与太阳的光子反应，转化为臭氧 - 一种比氧气本身更容易被检测到的分子。

研究人员说，如果一个行星的大气层显示出臭氧和二氧化碳耗竭的迹象，它很可能是一个适居的，而且有生命的世界。

“如果我们看到臭氧，那么它与二氧化碳被生命消耗的可能性就很高，”Triaud说。“而且如果是生命，那就是辉煌的生命。它不会只是一些细菌。它会是一个行星尺度的生物量，能够处理大量的碳，并与之相互作用。”

该团队估计，美国国家航空航天局的詹姆斯·韦伯太空望远镜将能够测量附近的多行星系统中的二氧化碳，可能还有臭氧，例如TRAPPIST-1 - 一个绕着一个明亮的恒星运行的七行星系统，距离地球只有40光年。

“TRAPPIST-1是我们可以用JWST进行类地大气研究的少数几个系统之一，”de Wit说。“现在我们有了寻找适居行星的路线图。如果我们都一起努力，颠覆性的发现可以在未来几年内完成。”

“我们假设这些行星是以类似的方式形成的，如果我们看到一个行星现在的碳含量少得多，它一定是去了某个地方，”Triaud说。“从大气层中去除这么多碳的唯一过程是一个强大的水循环，涉及液态水的海洋。”