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這幅藝術家的插圖展示了一顆有活火山的係外行星。但是從很遠的地方我們看不到火山，隻能看到它們對大氣的影響，當涉及到生物特征時，這就把水攪渾了。鳴謝:uux.cn/美國宇航局戈達德太空飛行中心/克裏斯·史密斯
（神秘的地球uux.cn）據今日宇宙（埃文·高夫）：天文學家正在努力理解生物特征，以及它們如何表明係外行星上存在生命。但是我們遇到的每個星球都是一個獨特的謎。當談到行星大氣層時，碳是一大難題，因為它對氣候和生物地球化學有著強大的影響。如果科學家能夠弄清楚一顆行星的碳是如何從哪裏來的，以及它在大氣中的表現如何，他們就在解決這個難題上取得了進展。
但是，係外行星大氣中的碳的一個問題是，它可以發出混合信號。
在這種情況下，碳意味著所有主要的碳物種，如二氧化碳、一氧化碳和甲烷(CO2、CO和CH4)。)一項新的研究調查了類似地球的係外行星大氣中這些化學物質的多樣性，這些係外行星圍繞類似太陽的恒星運行。
這項研究是“類地無生命行星大氣中二氧化碳、一氧化碳和甲烷的相對豐度”它已經被提交給《天體物理學雜誌》,並且可以在預印服務器arXiv上獲得。作者是渡邊泰人和小崎一美。渡邊隸屬於東京大學地球和行星科學係，小崎隸屬於東京工業大學地球和行星科學係。
這項研究特別關注CO。“我們專注於富含CO的大氣的形成條件，這將有利於生命的起源，”作者寫道。
在地球目前的大氣中，一氧化碳不能積累，因為化學反應會破壞它。但是在遙遠的過去，30億年前，當海洋中充滿簡單的生命時，二氧化碳可能已經積累在地球的大氣層中。這是因為大氣中的氧氣非常少，太陽也更暗。
所以當我們尋找生物特征時，含有一氧化碳的大氣可能意味著簡單的生命。這是因為它是生命碳和氧的重要來源。但事情還沒那麽簡單。這項研究旨在解開係外行星大氣的一些細節，以便我們可以識別哪些碳分子混合物，包括一氧化碳，可能是生物信號。

該研究的示意圖說明了研究中考慮的海洋/大氣係統的共同循環。鳴謝:uux.cn/渡邊和小崎2023
“因此，詳細了解那些控製行星大氣中二氧化碳、一氧化碳和甲烷相對豐度的因素，對尋找太陽係以外的可居住行星具有深遠的影響，”論文指出。
這項研究中的一個關鍵概念叫做一氧化碳逃逸。在類似早期地球的大氣中，氧氣含量非常少，一氧化碳是由紫外線輻射的光解作用產生的。在等式的另一邊，它被源於水的光解離的化學反應所破壞。當條件合適時，產生的一氧化碳多於被破壞的一氧化碳，這會導致一氧化碳逃逸。
理解一氧化碳逃逸對生命的出現至關重要，因為生命所必需的前生物化學物質——尤其是肽——在富含一氧化碳的大氣中比在富含二氧化碳的大氣中更容易產生。來自火星的證據支持了這一觀點。
這兩位研究人員使用大氣化學模型來研究CO逃逸背後的細節，以及它如何幫助我們辨別哪些係外行星可以庇護生命。
行星是海洋、陸地和大氣之間複雜的反饋機製。恒星也扮演了重要的角色，部分是因為它們的紫外光驅動光解離。每個係統都略有不同，有時——或者至少曾經——它們會產生生命。如果研究人員是對的，一氧化碳逃逸是一種生物信號，那麽他們就有所發現。
在他們模擬的大氣中，CO逃逸起了重要作用。“……大氣化學在一氧化碳逃逸發生之前和之後被清楚地分為兩組，”他們解釋說。
研究人員在大氣化學中發現了一個對生命至關重要的明顯空白。“我們的係統檢查顯示，大氣化學可以在pCH4/pCO2相對於pCO/pCO2的相空間中清楚地分類，其中出現了明顯的間隙結構。”

研究中的這個數字顯示了研究人員模擬中出現的“一氧化碳差距”。“這種間隙結構源於大氣中CO和CH4的不同行為，因此它可能是各種類地係外行星的普遍特征，”研究小組寫道。鳴謝:uux.cn/渡邊和小崎2023
那麽，行星科學家能否將這個缺口視為生物信號呢？事情沒那麽簡單，有一件事讓結果變得模糊不清:火山。
岩漿通過釋放出比甲烷更多的一氧化碳來改變大氣。因此，它可能會導致CO逃逸，而不需要UV能量來驅動CO的產生和積累。“我們對前地球條件的研究結果表明，CO的光化學不穩定性(即CO逃逸)往往是由更高的大氣pCO2水平和還原氣體的除氣通量增加引發的，”他們寫道。
這兩位研究人員還沒有給我們一個萬無一失的方法來檢測生物特征。但他們所做的是為未來的研究鋪平道路，當涉及到生物特征時，可以讓我們更接近更大的確定性。“……CO逃逸間隙結構將是圍繞類太陽恒星運行的類地行星的一個普遍特征，”他們寫道。
研究人員寫道:“因此，為了更好地限製一氧化碳逃逸所需的條件，大氣和固體地球過程的耦合建模至關重要。”固體地球過程是發生在地殼、地幔和地核的過程。所以基本上，火山。
像這樣的研究總是會引出更多需要調查的問題。但對於我們這些不是科學家的人來說，這項工作說明了行星、化學和生命背後的非凡複雜性，以及我們看到的關於可居住的係外行星的一些簡單標題背後的複雜性。
“這些結果推進了我們對中心恒星光譜類型、大氣成分、氣候、構造活動和生命起源之間複雜關係的理解，有助於正在進行的對太陽係以外可居住世界的探索，”他們總結道。