LIFE望远镜通过了首次测试探测地球上的生物特征

我们知道那里有数千颗系外行星，还有数百万颗等待被发现。但绝大多数系外行星根本不适合居住。对于少数可能适合居住的行星，我们只能通过检查它们的大气层来确定它们是否适合居住。LIFE(系外行星大型干涉仪)可以提供帮助。

对潜在宜居系外行星生物特征的搜寻正在升温。詹姆斯韦伯太空望远镜已经成功地从系外行星大气中收集了一些大气光谱，但它还有很多其他工作要做，而且观测时间也很紧缺。计划中的名为“LIFE”的太空望远镜致力于寻找系外行星的生物特征，最近，研究人员对其进行了测试：它能探测到地球的生物特征吗?

作为干涉仪，LIFE由五个独立的望远镜组成，这些望远镜将协同工作以扩大望远镜的工作尺寸。LIFE由瑞士苏黎世联邦理工学院(ETHZurich)开发。LIFE将在中红外区域进行观测，从中可以找到重要生物指示化学物质臭氧、甲烷和一氧化二氮的谱线。

LIFE将位于拉格朗日点2，距JWST约150万公里(100万英里)。从那个位置，它将观察一系列系外行星目标，希望找到生物特征。苏黎世联邦理工学院系外行星和宜居性教授、LIFE计划的负责人SaschaQuanz解释道：“我们的目标是在光谱中检测出暗示系外行星上存在生命的化合物。”

生命仍然只是一个概念，研究人员想测试它的性能。由于它尚未建成，一组研究人员使用地球大气层作为测试用例。他们将地球视为一颗系外行星，并在不同条件下根据地球已知的大气光谱测试了LIFE的方法。他们使用名为LIFEsim的工具来处理数据。研究人员经常使用模拟数据来测试任务能力，但在这种情况下，他们使用了真实数据。

他们的研究结果发表在《天文学杂志》上。该研究的标题是“系外行星大型干涉仪(LIFE)。XII.中红外Capstone生物特征的可检测性——嗅探系外行星笑气和甲基化卤素。”主要作者是苏黎世联邦理工学院的天体物理学家和天体生物学家DanielAngerhausen博士。

在现实世界中，地球只是一个遥远的、几乎无法辨别的斑点。生命所看到的只是行星的大气光谱，它会随着时间的推移而变化，具体取决于望远镜捕捉到的视图，以及最重要的是观察它的时间长短。

这些光谱会随着时间的推移而收集，这就引出了一个重要的问题：观测几何和季节变化将如何影响LIFE的观测?

对于研究团队来说幸运的是，我们有足够的地球观测数据可供他们使用。研究人员使用了三种不同的观测几何结构：两种来自两极的视图，一种来自赤道地区的视图。从这三个角度来看，他们使用了一月和七月的大气数据，这两个季节变化最大。

尽管行星大气层可能极其复杂，但天体生物学家仍关注某些方面，以揭示行星孕育生命的潜力。特别令人感兴趣的是化学品N20、CH3Cl和CH3Br(一氧化二氮、氯甲烷和溴甲烷)，所有这些都可以通过生物方法生产。“我们使用一组源自化学动力学模型的情景，模拟富含O2的类地行星大气中不同水平的N2O、CH3Cl和CH3Br生物产生的大气响应，为我们的未来模型生成正演模型。LIFEsim观察模拟器软件，”作者写道。

研究人员特别想知道LIFE是否能够从大约30光年之外探测到地球上的CO2、水、臭氧和甲烷。这些是一个温和的、支持生命的世界的迹象——尤其是地球上生命产生的臭氧和甲烷——因此，如果生命能够以这种方式检测地球上的生物化学，它也可以在其他世界上检测到它。

LIFE能够探测到地球上的CO2、水、臭氧和甲烷。它还检测到一些表明存在液态水的表​​面状况。有趣的是，《LIFE》的结果并不取决于从哪个角度观察地球。这很重要，因为我们不知道LIFE将从什么角度观察系外行星。

季节性波动是另一个问题，而且它们并不容易观察。但幸运的是，这似乎不会成为限制因素。匡兹说：“即使大气季节性不容易观察到，我们的研究表明，下一代太空任务可以评估附近的温带类地系外行星是否适合居住，甚至有人居住。”

然而，检测所需的化学物质还不够。关键在于需要多长时间。建造一个空间干涉仪来检测这些化学物质，但需要花费太多时间，这是不切实际或有效的。研究小组在论文中写道：“我们利用这些结果来推导出检测这些场景所需的观察时间，并将其应用于定义任务的科学要求。”

为了更全面地了解LIFE的观测时间，研究人员制定了一份目标清单。他们创建了“……半径为0.5至1.5个地球半径的HZ行星围绕M和FGK型恒星的距离分布，距离太阳20%以内，可通过LIFE检测到。”这些目标的数据来自美国宇航局和其他先前的研究。

结果表明，某些目标只需要几天的时间，而对于其他目标，可能需要长达100天的时间才能检测到相关丰度。

该团队所说的“黄金目标”是最容易观察到的。半人马座比邻星的行星就是这类目标的一个例子。对这些行星只需要几天的观察。研究人员写道，用LIFE进行大约十天的观测才能观察到“某些标准场景，例如围绕M星主机的五颗温带类地行星”。最具挑战性但仍然可行的情况是距地球约5秒差距的系外行星。根据结果​​，LIFE需要大约50-100天的观察才能检测到生物特征。

此时此刻，生命仍然只是一个潜在的使命。这并不是第一个仅关注系外行星宜居性的拟议任务。2023年，NASA提议建立宜居世界观测站(HWO)。其目标是直接拍摄至少25个潜在宜居世界的图像，然后在其大气中寻找生物特征。

但据作者称，他们的结果表明“生活”是最好的选择。

“如果太阳附近存在晚型恒星系外行星系统，其中的行星表现出产生N2O和CH3X信号的全球生物圈，那么LIFE将是系统搜索并最终探测它们的最合适的未来任务，”他们得出结论。

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