科学家警告：在其他行星上寻找生命迹象时会遇到“氧气误报”情况

据外媒报道，科学家称，大气中的氧气可能不是一种完全可靠的“生物信号”。在寻找其他行星上的生命时，一颗行星的大气中是否存在氧气是一种潜在的生物活动迹象，未来的望远镜可能会探测到这种迹象。然而，一项新研究描述了这样一种例外情况：一颗围绕着类太阳恒星的没有生命的岩石行星可能会进化到大气层中有氧气。

对此，于2021年4月13日发表在《AGU Advances》的研究论文强调了下一代望远镜的需求，即这些望远镜除了探测氧气外还要能够表征行星环境并寻找多条线索的生命证据。

在未来的几十年里，也许到21世纪30年代末，天文学家希望能拥有一架望远镜，它能对类日恒星周围可能类似地球的行星拍摄图像和光谱。论文合著者、天文学家与天体物理学教授、加州大学圣克鲁兹分校(UCSC)Other Worlds实验室负责人Jonathan Fortney指出，他们的想法是将目标定位在跟地球相似到可能有生命存在的行星上并能描述出其大气特征。“关于探测到的氧气是否‘足够’成为生命的迹象已经有过很多讨论。这项研究确实说明了需要了解你的检测背景。除了氧气还有哪些分子被发现或没有发现，这对我们了解这个星球的进化有什么启示？”

这意味着天文学家将需要一个对波长范围很宽的望远镜，这样他们才能探测行星大气中不同类型的分子。

研究人员将他们的发现建立在一个详细的、端到端的计算模型上。该模型描述了岩石行星的演化过程--从它们的熔融起源开始，一直延伸到数十亿年的冷却和地球化学循环过程。研究人员通过改变模型行星中挥发性元素的初始库获得了令人惊讶的广泛结果。

当高能紫外线将高层大气中的水分子分解成氢和氧时，氧气就开始在行星的大气层中积累。轻量的氢会优先逃逸到太空中，留下氧气。其他过程则会从大气中除去掉氧气，比如熔融岩石释放出的一氧化碳和氢气会跟氧气反应，岩石的风化也会吸走氧气。这些只是研究人员在他们的岩石行星地球化学演化模型中纳入的几个过程。

研究论文第一作者Joshua Krissansen-Totton则指出：“如果你用我们认为的最初的挥发物库存来运行地球的模型，那么你会可靠地得到每次相同的结果--如果没有生命你就不会在大气中获得氧气。但我们也发现了在没有生命的情况下也能获得氧气的多种情况。”

比如一颗跟地球类似但一开始就拥有更多水的行星，其最终会形成很深的海洋从而给地壳带来巨大的压力。这有效地停止了将从大气中除去氧气的地质活动如岩石融化或风化。

在相反的情况下，当行星开始时只有相对少量的水时，最初熔化的行星的岩浆表面可以迅速冻结，而水仍留在大气中。这种“蒸汽大气”在上层大气中注入了足够的水，当水分解、氢逸出时则就可以积累氧气。

第三种可能导致大气中出现氧气的情况是，有一颗行星在其他方面跟地球相似，但一开始二氧化碳跟水的比例比地球更高。这就导致了失控的温室效应，此时，温度过高从而导致水无法从大气中凝结到这颗星球表面。

Krissansen-Totton说道：“在这种类似金星的情况下，所有的挥发物都是从大气中开始的，只有很少的挥发物留在地幔中被释放出来并吸收氧气。”

他指出，以前的研究主要集中在大气过程，而本研究中使用的模型则探索了地幔和地壳的地球化学和热演化以及地壳和大气之间的相互作用。