毫不夸张地说 ， 对太阳系外行星的研究在近几十年爆炸式激增 。 到目前为止 ， 4375颗系外行星已在3247个星系中得到证实 ， 另外5856颗候选行星也正在等待被证实 。
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近年来 ， 对系外行星的研究开始从发现过程转变为特征研究过程 。 预计这一过程将会加速下一代望远镜的投入使用 。 因此 ， 天体生物学家正在努力创建关于“生物特征”可能性的全面清单 ， 它涉及了与生命有关的化合物（氧气、二氧化碳、水等）和进化过程 。
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根据麻省理工学院的一个团队的新研究 ， 我们应该寻找的另一个潜在的生物特征是一种叫做异戊二烯的碳氢化合物(c5h8) 。 这项研究描述了他们的发现 ， “评估异丁二烯作为具有缺氧大气的系外行星中可能的生物特征气体” ， 被《天体生物学》杂志接受发表 。
为了他们的研究 ， 麻省理工学院的团队研究了天文学家们在未来几年将会寻找的越来越多的可能的生物特征列表 。 到目前为止 ， 绝大多数系外行星已经通过间接方法被探测和确认 。 在很大程度上 ， 天文学家大多依赖于过境法（过境光度法)和径向速度法(多普勒光谱学） 。 只有少数可以被直接成像探测到 ， 这使得很难描绘系外行星的大气和表面 。
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只有在极少数情况下 ， 天文学家才可以获得允许他们测定系外行星大气中化合物的光谱 。 这要么是光线穿过系外行星的大气层在它恒星前过渡的结果 ， 要么是在少数情况下发生的直接成像 ， 可以从系外行星大气层的光反射中研究 。
这在很大程度上与我们目前的望远镜的限制有关 ， 这些望远镜没有必要的分辨率来观测到更接近它们的恒星的更小的岩石行星 。
天文学家和天体生物学家认为 ， 正是这些行星最有可能适合居住 ， 但任何从它们的表面和大气层反射出来的光都被来自它们的恒星的光所覆盖 。 然而 ， 随着下一代詹姆斯·韦伯太空望远镜(JWST)等仪器进入太空 ， 这种情况很快就会改变 。 萨拉·西格是麻省理工大学物理学和行星科学教授 ， 她领导着负责研究的研究小组（又名西格小组） ， 也是这篇论文的合著者 。
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正如她通过电子邮件告诉宇宙的那样 ， “随着即将到来的2021年10月詹姆斯·韦伯太空望远镜的发射 ， 我们将有寻找生物特征气体的第一个能力——但这是困难的 ， 因为小岩石行星的大气信号是如此的弱 。 随着工作的到来 ， 在该领域工作的人数量急剧增长 。 像这样的研究提出了新的潜在生物特征气体 ， 以及其他研究表明 ， 即使对氧气等气体也有潜在的假阳性 。 ”
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一旦它被部署和操作 ， JWST将能够在更长的波长下（在近红外和中红外范围内）观察到我们的宇宙 ， 并大大提高了灵敏度 。 该望远镜还将依靠一系列的摄谱仪来获得组成数据 ， 以及日冕仪来阻挡母恒星的模糊光 。 这项技术将使天文学家能够描述较小岩石行星的大气特征 。 反过来 ， 这些数据将允许科学家对系外行星的宜居性施加更严格的限制 ， 甚至可能导致发现已知的（和/或潜在的）生物特征 。如前所述 ， 这些“生物特征”包括与生命和生物过程相关的化学迹象 ， 更不用说对它有利的条件类型了 。
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这些气体包括氧气(o2) ， 这对地球上的大多数生命形式至关重要 ， 是由光合作用的生物体（植物、树木、蓝藻细菌等）产生的 。 这些生物代谢二氧化碳（二氧化碳） ， 氧氧化生命作为废物排放 。 还有水(h2o) ， 这对我们所知的所有生命都至关重要 ， 还有甲烷(腐烂有机物释放的ch4) 。由于火山活动被认为在行星的宜居性中发挥着重要作用 ， 与火山活动相关的化学副产物——硫化氢（h2s）、二氧化硫（so2）、一氧化碳(co)、氢气（h2）等 。 -也被认为是生物特征 。在这个名单上 ， 詹、西格和他们的同事们希望添加另一个可能的生物特征——异戊二烯 。
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正如詹解释的那样：“我们在麻省理工学院的研究小组专注于使用一种整体的方法来探索所有可能的气体作为潜在的生物特征气体 。 我们之前的工作导致了所有小分子数据库的创建 。 我们继续过滤ASM数据库 ， 使用数据驱动方法进行机器学习 ， 以识别最可信的生物签名候选气体 ， 其中之一是异丁二烯 。 ” 和它的表亲甲烷一样 ， 异丁二烯是一种有机烃分子 ， 由地球上的不同物种产生作为二次代谢产物 。 除了落叶树 ， 异丁二烯也由各种进化遥远的生物产生——如细菌、植物和动物 。正如西格解释的 ， 这使得它成为一个潜在的生物特征 。 “异戊二烯很有前途 ， 因为它是地球上生命产生的巨大质量——和甲烷一样！”此外 ， 各种各样的生命形式（从细菌到动植物） ， 它们进化遥远 ， 产生异丁二烯 ， 这表明这可能是其他地方生活可能构成的某种关键基石 。 ”
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虽然异丁二烯在地球上的含量与甲烷一样丰富 ， 但异丁二烯被与含氧和含氧自由基的相互作用所破坏 。 出于这个原因 ， 张、西格和他们的团队选择专注于缺氧的大气 。 这些环境主要由氢2、二氧化碳和氮气(n2)组成 ， 这与地球的原始大气组成的环境相似 。根据他们的发现 ， 一颗原始行星（生命开始出现的地方）的大气中会有丰富的异戊二烯 。 这可能是4亿到25亿年前地球上的情况 ， 当时单细胞生物是唯一的生物 ， 光合用的蓝藻细菌正在慢慢地将地球大气转化为富氧的生物 。 到25亿年前 ， 这以“大氧合事件”(GEO)达到高潮 ， 这被证明对许多生物体（以及异丁二烯等代谢物）是有毒的 。
也正是在这段时间里 ， 复杂的生命形式（真核生物和多细胞生物体）开始出现 。 在这方面 ， 异戊二烯可以用来描述那些处于重大进化转变中的行星 ， 并为未来的动物门奠定基础 。但正如张所指出的 ， 挑出这个潜在的生物特征也将是一个挑战 ， 即使对JWST也是如此 。
以异戊丁二烯作为生物标志物的警告是：探测需要10x-100倍 。 探测近红外异戊二烯化合物光谱特征会因甲烷或其他碳氢化合物的存在所阻碍 。 对异戊二烯的独特检测将具有挑战性 ， 因为许多碳氢化合物分子在近红外波长中具有相似的光谱特征 。 但未来聚焦于中红外波长的望远镜将能够独特地检测到异丁二烯光谱特征 。 ”
除了JWST之外 ， 南希·格雷斯罗马太空望远镜（哈勃任务的继承者）也将在2025年进入太空 。 这个天文台将拥有“100个鹅卵石”的威力 ， 它最近升级的红外滤光器将使它能够通过与JWST和其他“伟大天文台”合作来描述系外行星 。
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目前 ， 地球上还建造了一些地面望远镜 ， 它们将依赖于精密的光谱仪、日冕仪和自适应光学系统(AOS) 。 这些望远镜包括超大望远镜(ELT)、巨型麦哲伦望远镜(GMT)、30米望远镜(TMT) ， 这些望远镜还将能够对系外行星进行直接成像研究 ， 其结果预计将是开创性的 。
在不断更新的仪器、快速改进的数据分析技术以及我们的方法的改进之间 ， 对系外行星的研究只会进一步加速 。 除了有成千上万的观点可供研究（其中许多将是岩石和“类地球”） ， 我们对它们的前所未有的观点将让我们看到有多少可居住的世界 。
但有一件事是清楚的：在未来的几年里 ， 当天文学家们开始梳理所有关于系外行星大气层的新数据时 ， 他们将有一份全面的生物特征列表来指导它们 。
西格和詹之前的工作包括一个火星温室的概念 ， 它可以为四名宇航员提供为期两年的所有必要的食物 。 这个温室被称为生物圈工程的外星住宅建筑（海狸） ， 在2019年美国宇航局大创意挑战中获得第二名 。
BY: MATT WILLIAMS, UNIVERSE TODAY
FY: nebula
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