甲烷可能是地球以外第一个可检测到的生命迹象

如果可以排除非生物来源,行星大气中的甲烷可能是生命的标志。 这张插图总结了地球上已知的甲烷非生物来源,包括火山的排气、大洋中脊、热液喷口和俯冲带等环境中的反应,以及小行星和彗星的影响。 图片来源:© 2022 埃琳娜·哈特利

如果宇宙中有丰富的生命,大气中的甲烷可能是天文学家探测到地球以外生命的第一个迹象。 尽管非生物过程可以产生甲烷,但加州大学圣克鲁兹分校科学家的一项新研究建立了一系列有说服力的案例,可以证明生物活动是岩石行星大气中甲烷的来源。

这一点尤其值得注意,因为甲烷是为数不多的潜在生命迹象之一,或者说是“生物特征”,可以通过詹姆斯韦伯太空望远镜很容易地检测到,该望远镜将于今年晚些时候开始观测。

加州大学圣克鲁斯分校天文学和天体物理学研究生、这项新研究的主要作者玛吉汤普森说:“氧气经常被认为是最好的生物特征之一,但 JWST 可能很难检测到它。”

尽管先前对甲烷生物印记进行了一些研究,但尚未对甲烷成为良好生物印记所需的行星条件进行最新的、专门的评估。 汤普森说:“我们想为解释观测提供一个框架,所以如果我们看到一颗含有甲烷的岩石行星,我们就知道需要哪些其他观测才能使其成为有说服力的生物特征。”

该研究于 3 月 28 日发表在《美国国家科学院院刊》上,研究了多种非生物甲烷来源,并评估了它们维持富含甲烷的大气的潜力。 其中包括火山; 大洋中脊、热液喷口和构造俯冲带等环境中的反应; 和彗星或小行星撞击。

甲烷作为生物特征的理由源于它在大气中的不稳定性。 由于光化学反应会破坏大气中的甲烷,因此必须不断补充以保持高水平。

“如果你在一个岩石行星上检测到大量甲烷,你通常需要一个巨大的来源来解释这一点,”共同作者、加州大学南卡罗来纳大学 Sagan 研究员 Joshua Krissansen-Totton 说。 “我们知道生物活动会在地球上产生大量的甲烷,而且很可能在早期地球上也是如此,因为制造甲烷在代谢上是一件相当容易的事情。”

然而,非生物来源如果不产生可观察到的甲烷来源线索,就无法产生那么多甲烷。 从火山中释放出的气体,对于 example,会向大气中添加甲烷和一氧化碳,而生物活动往往容易消耗一氧化碳。 研究人员发现,非生物过程不能轻易地产生富含甲烷和二氧化碳且几乎没有一氧化碳的宜居行星大气。

该研究强调在评估潜在的生物特征时需要考虑整个行星环境。 研究人员得出的结论是,对于围绕类太阳恒星运行的岩石行星,如果大气中也含有二氧化碳,那么大气中的甲烷更有可能被认为是生命的强烈迹象,甲烷比一氧化碳更丰富,并且富含水可以排除行星成分。

“一个分子不会给你答案——你必须考虑到地球的全部背景,”汤普森说。 “甲烷是难题之一,但要确定行星上是否存在生命,你必须考虑它的地球化学、它怎样与恒星相互作用,以及在地质时间尺度上影响行星大气的许多过程。”

该研究考虑了“假阳性”的多种可能性,并为评估甲烷生物特征提供了指导。

Krissansen-Totton 说:“有两件事可能会出错——你可能会将某些东西误解为生物特征并得到误报,或者你可能会忽略一些真正的生物特征。” “通过这篇论文,我们希望开发一个框架来帮助避免这些潜在的甲烷错误。”

他补充说,要完全了解未来的甲烷检测,还有很多工作要做。 “这项研究的重点是甲烷作为生物特征的最明显的误报,”他说。 “岩石系外行星的大气可能会让我们感到惊讶,我们在解释时需要谨慎。未来的工作应该尝试预测和量化更多非生物甲烷产生的不寻常机制。”

除了 Thompson 和 Krissansen-Totton,该论文的合著者还包括 UCSC 天文学和天体物理学教授 Jonathan Fortney、UCSC 地球和行星科学助理教授 Myriam Telus 和西雅图华盛顿大学的 Nicholas Wogan。