研究人员在系外行星大气层中寻找生命迹象

最近在《天文学杂志》上发表的一篇新论文详细介绍了俄亥俄州立大学的天文学家团队如何检验即将推出的望远镜在10颗岩石系外行星上探测氧气、二氧化碳、甲烷和水化学痕迹的能力。这些元素是在地球大气中也发现的生物特征，可以提供生命的关键科学证据。

研究发现，对于比邻星b和GJ887b这两个附近的世界，这些望远镜非常擅长检测潜在生物特征的存在。在这两者中，研究结果表明，只有比邻星b的机器才能检测到二氧化碳(如果存在)。尽管尚未发现与地球早期生命条件精确相似的系外行星，但这项工作表明，如果进行更详细的研究，这种独特的超级地球(比地球质量更大但小于海王星的行星)可以成为未来研究任务的合适目标。

为了进一步寻找宜居行星，该研究的主要作者、俄亥俄州立大学天文学系大四学生张惠浩和他的同事们还试图确定詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)和其他极端成像仪器的有效性。大型望远镜(ELT)，例如欧洲极大望远镜、三十米望远镜和巨型麦哲伦望远镜，可直接对系外行星进行成像。

“并不是每个行星都适合直接成像，但这就是为什么模拟可以让我们大致了解ELT将实现什么以及它们在建造时应实现的承诺，”张说。

对系外行星成像的直接方法包括使用日冕仪或遮光罩来阻挡主恒星的光线，从而使科学家能够捕捉到轨道上新世界的微弱图像。但由于以这种方式定位它们可能既困难又耗时，研究人员旨在了解ELT望远镜如何应对这一挑战。为此，他们测试了每台望远镜的仪器区分普遍背景噪声和他们在检测生物特征时要捕获的行星噪声的能力;称为信噪比，它越高，行星的波长就越容易被检测和分析。

结果表明，欧洲ELT仪器之一(称为中红外ELT成像仪和摄谱仪)的直接成像模式对于三颗行星(GJ887b、Proximab和Wolf1061c)在识别甲烷、碳的存在方面表现更好其高角分辨率单片光学和近红外积分场光谱仪可以检测甲烷、二氧化碳、氧气和水，但需要更多的曝光时间。

此外，由于这些结论是关于必须透过地球大气层的化学雾来探索宇宙生命的仪器，因此它们与JWST目前的外太空能力进行了比较，张说。

“很难说太空望远镜是否比地面望远镜更好，因为它们是不同的，”他说。“他们所处的环境不同，地点不同，他们的观察结果也会产生不同的影响。”

在这种情况下，研究结果表明，虽然GJ887b是最适合ELT直接成像的目标之一，因为它的位置和大小导致了特别高的信噪比，但对于一些凌日行星(例如TRAPPIST-1)系统，JWST研究行星大气的技术比地球上ELT的直接成像更适合探测它们。

但张说，由于这项研究对数据采取了更为保守的假设，未来天文工具的真正有效性仍然可能让科学家感到惊讶。该研究的合著者、俄亥俄州立大学天文学助理教授JiWang表示，除了性能上的微妙对比之外，这些强大的技术有助于扩大我们对宇宙的理解，并且可以相互补充。他说，这就是为什么像这样评估这些技术的局限性的研究是必要的。

“模拟的重要性，特别是对于耗资数十亿美元的任务来说，怎么强调都不为过，”王说。“人们不仅要构建硬件，还要非常努力地模拟性能，并为实现这些辉煌的结果做好准备。”

由于ELT很可能要到本世纪末才能完成，因此研究人员的下一步将围绕模拟未来的ELT仪器在调查我们星球上猖獗的生命证据的复杂性方面的效果如何。

“我们想看看我们能在多大程度上研究我们的大气层的细节，以及我们能从中提取多少信息，”王说。“因为如果我们无法回答地球大气层的宜居性问题，那么我们就无法开始回答其他行星周围的这些问题。”

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