系外行星科学家表示充满植物生命的世界应该发出可探测波长的红外光

未来的历史学家可能会回顾这段时间并将其称为“系外行星时代”。我们已经发现了5,000多颗系外行星，而且我们会继续发现更多。接下来，我们将超越仅仅寻找它们，我们将努力寻找生物印记，即生命过程在系外行星大气层上留下的特殊化学指纹。

但是生物印记比大气化学更重要。在一个拥有大量植物生命的星球上，光也可以是一种生物印记。

当詹姆斯韦伯太空望远镜开始观测时，对系外行星生物特征的搜索得到了提升。该望远镜的科学目标之一是利用其强大的红外光谱仪来描述系外行星大气的特征。例如，如果韦伯发现大量氧气，则表明生物过程可能正在起作用并正在改变行星的大气层。但是JWST和其他望远镜可以检测到另一种类型的生物印记。

地球上丰富的植物生命改变了我们星球的“光信号”。这种变化基于光合作用以及植物生命如何吸收某些光频率同时反射其他光频率。由此产生的现象称为植被红边(VRE)。

几年来，系外行星科学家一直致力于将VRE作为生物印记的想法。它基于这样一个事实，即叶绿素吸收光谱可见部分的光，而在红外线部分几乎是透明的。植被中的其他细胞结构反射红外线。这有助于植物在光合作用过程中避免过热。这种吸收和反射使遥感可以测量植物的健康、覆盖范围和活动，农业科学家可以用它来监测作物。

在一篇新论文中，一组研究人员研究了叶绿素及其太阳诱导荧光(SIF)。SIF是叶绿素a发出的电磁信号的名称，叶绿素a是分布最广泛的叶绿素分子。叶绿素a吸收的部分能量不用于光合作用，而是以更长的波长作为双峰光谱发射。它大致涵盖650–850nm光谱范围。

这篇论文是“来自类地行星和冷恒星周围类地行星的光合荧光”，发表在《天体物理学杂志》上。第一作者是日本国立天文台国立自然科学研究院天体生物学中心研究员小松优。

该论文的重点是如何在类似于地球的行星上检测到叶绿素发出的荧光。“这项研究检查了两种光合色素的生物荧光的可检测性，即叶绿素(Chls)和细菌叶绿素(BChls)，在太阳和M矮星周围有富氧/贫氧和缺氧大气的类地行星上，”作者解释。

在另一个世界上检测叶绿素的存在很复杂。植物生命、星光、陆地/海洋覆盖和大气成分之间存在着复杂的相互作用。这项研究是正在进行的努力的一部分，目的是了解探测的一些局限性以及哪些光谱数据可以告诉科学家有关系外行星的信息。随着时间的推移，系外行星科学家希望确定在不同情况下哪些检测可以作为生物印记。

VRE是观察到的光在红外光和可见光之间的急剧下降。近红外光(从约800nm开始)比光学光(约350至750nm之间)亮得多。在地球上，这是植物生命及其叶绿素的光特征。叶绿素吸收高达750nm的光，而其他植物组织反射750nm以上的光。

像NASA的Terra这样的卫星可以随着时间的推移观察地球表面的不同区域，并观察光反射率是如何变化的。科学家们测量了所谓的归一化植被指数(NVDI)。在生长旺季期间，茂密的森林位置为NDVI提供了峰值，而植被贫乏的地区则提供了低值。

科学家们还可以观察地球反光，即从地球反射到月球上的光。那束光是地球反射的全部光，科学家称之为圆盘平均光谱。作者写道：“遥感观测地球上的局部区域，而Earthshine观测提供地球的圆盘平均光谱，从而对系外行星应用产生富有成效的见解。”“由于地表植被引起的地球圆盘平均光谱的表观反射率变化小于2%。”

我们在月球上看到的地球反光类似于我们从遥远的系外行星探测到的光。它是光与区域表面光的总和。但是研究这种光涉及到巨大的复杂性，而且地球和系外行星之间也没有简单的比较。“由于不同光环境中光合作用机制的复杂性，来自系外行星而不是类太阳恒星的VRE信号很难预测，”作者解释说。但在系外行星上寻找VRE仍然有价值。如果科学家经常观察一颗系外行星，他们可能能够识别出VRE如何随季节变化，并且他们可能会识别出行星光谱中类似VRE的步骤，尽管它的波长可能与地球上的不同。

在他们的论文中，研究人员考虑了一颗处于大气演化不同阶段的类地行星。在每种情况下，行星都围绕太阳运行，一颗被充分研究的名为Gliese667C的红矮星，或者更著名的红矮星TRAPPIST-1。(这两颗红矮星在其宜居带都有行星，并且都代表了常见的红矮星类型。)他们模拟了每种情况下植被叶绿素、基于细菌叶绿素的植被和没有任何地表植被的生物荧光的反射率。

他们想出的是一组光变曲线，显示了在不同恒星周围大气演化的不同阶段，类地系外行星上不同的VRE可能是什么样子。观察大气演化的不同阶段很重要，因为地球大气在生命存在时从缺氧变为富氧。

作者写道：“我们考虑了在一颗围绕太阳和两个M型矮星的类地行星上晴空条件下基于叶绿素和BChl的植被发出的荧光。”

该研究为不同恒星周围的类地行星产生了一系列反射率数据。这些行星是用不同的大气层建模的，这些大气层与地球40亿年历史中的不同大气层相对应。研究人员还改变了陆地覆盖与海洋覆盖的数量、海岸线的数量，以及地表是否被植物或光合细菌覆盖。

未来，我们将使用更强大的太空望远镜，如LUVOIR(大型紫外线/光学/红外测量仪)和HabEx(可居住系外行星天文台)。地面望远镜，如三十米望远镜、巨型麦哲伦望远镜和欧洲超大望远镜也将于近期上线。这些望远镜将产生数量空前的系外行星数据，而这项研究是为此做准备的一部分。

我们正在探测越来越多的系外行星，并正在建立对其他太阳系以及系外行星分布、质量和轨道的统计理解。接下来是更深入地了解系外行星的特征。像E-ELT这样的望远镜将使用其39.3米的镜子来做到这一点。它将能够将系外行星的光与恒星的光分开，并直接对一些系外行星进行成像。它将释放出大量关于系外行星反射率和潜在生物特征的数据，所有这些数据都必须进行评估。

如果我们找到一颗类地行星，一颗宜居且目前支持生命存在的行星，它不会仅仅出现在我们的望远镜中并宣布它的存在。相反，会有诱人的提示，会有适应症和禁忌症。科学家们将缓慢而谨慎地向前推进，有一天我们也许可以说我们找到了一颗有生命的行星。这项研究可以在努力中发挥作用。

“使用特定未来任务的预期规格来定量评估任何潜在表面生物印记的可检测性非常重要，”作者解释说。“这项研究首次尝试调查类地系外行星上光合荧光的可检测性。”