在与早期地球相匹配的行星上可能最容易找到生命

我们越来越接近可靠地检测遥远行星上的生物特征。重点是确定哪些化学物质表明生命的存在。但生命也可以在系统中产生自由能，而多余的能量会造成化学不平衡。这就是生命开始时地球上发生的事情。化学不平衡可以成为生物特征吗?

当系统能量过剩时，就会表现为化学平衡。每个星球都是一个系统，生命可以产生多余的能量。那么，如果我们检测到化学平衡，我们是否检测到生物特征?我们正在探测生命吗?或许。特别是当我们观察一颗与早期地球非常相似的系外行星时。

新的研究解决了这个问题。该研究的标题是“推断元古代类地系外行星的化学不平衡生物特征”。主要作者是来自北亚利桑那大学天文学和行星科学系的AmberYoung。该论文可以在预印本服务器arXiv上找到。

作者在论文中写道：“当试图推断遥远的世界是否有人居住时，化学不平衡是生命的潜在指标，在太阳系行星环境中有着悠久的研究历史。”

当大气中同时存在甲烷(CH4)和氧气(O2)时，就表明存在生命。这是因为，在氧气环境中，甲烷只能持续大约10年。它的存在表明不平衡。为了让它存在，它必须不断补充只有生命才能产生的数量。

吉布斯自由能概念试图体现这一想法。当系统达到化学平衡时，热力学势最小。系统离化学平衡越远，吉布斯自由能就越多。

“量化化学不平衡的主要指标包括计算与观察到的系统和该系统的理论平衡状态相关的化学能的差异，”作者解释道。研究人员正在探索如何利用吉布斯自由能来了解太阳系中的世界。更重要的是，研究人员正在努力了解如何将其应用于地球历史。

这项研究的重点是元古代，地球四个纪中的第三个。它的时间范围从25亿年前到5.41亿年前，跨越了地球历史上的两个关键事件。元古代初期，地球大气层中出现游离氧，元古代结束于复杂生命出现之前。

使用吉布斯度量作为生物特征的绊脚石是，当我们试图在类地系外行星上理解它时，我们不知道观测的不确定性是什么。在这项研究中，类地是指“一个有海洋、地球大小的世界，其表面压力和温度与地球相似，大气层主要由N2、H2O和CO2组成，含有微量的CH4和不同的气体。O2水平，”作者解释道。

科学家们对元古代时期的地球有了相当多的了解，尽管当然还有很多未解答的问题。为了了解一些观测的不确定性，研究人员为地球建模了两种不同的场景，为火星建模了一种。

每个场景都包含不同数量的自由大气能量。然后，他们探索了每个模拟行星的大气层在不同场景下如何反射光：大气中的高、中、低生物特征气体。

结果是我们可以在系外行星大气中观察到的光谱，模拟元古代地球的三种不同情况。

作者总结道：“限制可用的吉布斯自由能是一种很有前途的表征策略，它与现有的生物特征气体检测技术能够很好地协同作用。”但为了实现这一潜力，我们需要具有更好信噪比(SNR)性能的更好望远镜。希望这些正在路上。

“对于具有以LUVOIR-B概念为模型的噪声特性的6m级太空望远镜，这里探索的高信噪比情况可以针对太阳主机周围距离为5-7pc(16到23光年)，投资两到四个星期的观测时间，”作者解释道。

虽然这听起来像是很多观测时间，但它符合HabEx望远镜概念的预期目标观测时间。一颗潜在的元古代类地系外行星是一个高价值的目标，值得投入大量的专门观测时间。太空望远镜还应该优先考虑什么吗?不见得。

作者写道：“从观测的角度来看，表征CH4和O2丰度对于推断地球类似物在其大部分进化历史中的大气化学不平衡信号至关重要。”

尽管我们倾向于将我们周围看到的一切正常化，但地球目前的状态很难“正常”。地球在其历史的大部分时间里都大不相同。寻找与元古代地球相似的行星是有意义的。

元古代持续了二十亿年，生命在整个时期积极塑造了它的大气层。如果我们足够幸运，能够发现另一颗支持生命的系外行星，那么纯粹是偶然，它很可能看起来更像元古代地球，而不是现代地球。