根據NASA天體生物學研究所虛擬行星實驗室的大量模擬顯示，人們不應只探測一種氣體，如氧氣、臭氧或甲烷，因為在某些情況下，非生命過程也會產生這些氣體。研究小組認為，這項實驗有助於鑑別來自外星的“疑似”生命信號，設計更加符合需要的太空望遠鏡。
上圖左：行星大氣中的臭氧分子可以作為生物活動的指標，但只有臭氧、二氧化碳和一氧化碳，而沒有甲烷，就可能是假信號。
下圖：同時有臭氧、氧氣、二氧化碳和甲烷，而沒有一氧化碳，可能是真信號。
天文學家們在太陽系外行星的大氣搜尋，希望找到一些可能是生命產生的氣體。但根據美國航空航天局（NASA）天體生物學研究所虛擬行星實驗室的大量模擬顯示，人們不應只探測一種氣體，如氧氣、臭氧或甲烷，因為在某些情況下，非生命過程也會產生這些氣體。研究小組認為，這項實驗有助於鑑別來自外星的“疑似”生命信號，設計更加符合需要的太空望遠鏡。相關論文發表在近期的《天體物理學雜誌》上。
在過去4年多里，NASA研究人員數千次地模擬了沒有生命的外星大氣的化學成分，改變大氣成分和恆星類型。 “在運行模擬計算時，我們發現在某些情況下，大氣中形成了明顯的臭氧，雖然沒有任何氧氣進入大氣層。”論文第一作者、NASA戈達德太空飛行中心的肖恩·多瑪戈-古德曼說，“這對我們尋找地外生命的未來計劃有著重要意義。”
生命的特徵信號
在地球上，甲烷可以由生物產生，但也可以無機合成，如海底火山通過岩石與海水作用，會釋放大量甲烷。臭氧被認為是更有力的生命特徵標誌，由陽光或其他光照射產生氧原子，再與氧分子結合形成。地球氧分子的主要來源是生命，由植物、微生物和單細胞生物光合作用產生。
但新研究表明，無論是氧分子還是臭氧都可以不經生命過程，通過紫外線分解二氧化碳而產生。這種非生物過程也能產生足夠的臭氧，並能在大氣中探測出來，所以單獨探測到臭氧，未必就是生命的信號。
“然而另一方面爭論變得更加激烈，即同時探測到甲烷和氧氣，或甲烷和臭氧在一起，是否是有力的生命特徵信號？”多瑪戈-古德曼說。 “要造出這種生命'假信號'真的、真的很難，我們發現的只有單獨的氧氣（臭氧）或甲烷。”
研究人員認為，甲烷和氧分子同時存在是生物活動的可靠信號，因為甲烷在一個有含氧分子的大氣中無法長久存在。多瑪戈-古德曼說：“這就像學生和披薩餅，如果你在一個屋子裡同時看到披薩餅和幾個學生，披薩餅很可能是剛送來的，否則學生們會很快吃掉它。甲烷和氧氣也是這樣，如果它們同時出現在大氣裡，甲烷很可能是最近才產生的，因為氧氣會消耗甲烷。由此你知道甲烷有個補給源，在有氧氣的情況下，最好的補給源就是生命。反過來也一樣，在一個含有甲烷的大氣中，要想保持其中還有氧氣，就必須補給氧氣，最好的方式也是生命。”
模擬的指導原則
研究人員用計算機模擬了太陽系外行星的大氣化學成分，並開發出一種程序能自動進行數千次的計算推演，以便看到更廣泛的大氣成為和恆星類型。
做這些模擬首先要確保反應能夠平衡：放入大氣的氧分子要能通過反應從大氣中除去。如氧和鐵在行星表面反應生成氧化鐵，這是大部分紅色岩石的成因，也是火星塵呈現紅色的原因。計算顯示，一個平衡的大氣非常重要，因為這種平衡才能使大氣歷經地質時期而長久存在。由於行星壽命以十億年計，當一顆行星處在只有幾千或幾百萬年的氧氣或甲烷浪潮中時，被天文學家碰巧看到的可能性幾乎為零。
計算還要適合多種情況。因為無論在行星大氣中還是在行星之間，非生物過程也能產生氧氣。大氣中如果有許多能消耗氧氣的氣體，如甲烷或氫氣，產生的任何氧氣或臭氧都會被破壞；如果耗氧氣體正在變少，氧氣和臭氧可能會存在一段時間。
此外，氧氣、臭氧和甲烷的產生和破壞，由光化學反應來驅動，所以恆星的類型也是需要重點考慮的。不同類型的恆星發出的大部分光有特定顏色。如大質量熱恆星或頻繁爆發的恆星會產生更多紫外光。 “如果大氣中有更多紫外光，就會更有效地驅動這些光化學反應，”多瑪戈-古德曼說。 “更多特殊的，不同波長的紫外光會以不同方式影響著氧氣和臭氧的形成與破壞。”當這些光穿過系外行星大氣層時，一些光會被大氣分子吸收，不同分子吸收不同顏色的光，天文學家通過這些吸收光譜發現獨特的特徵譜線，就能確定大氣中分子的種類和數量。
先破而後立
“確定生命特徵標誌的一個主要挑戰是，區分哪些是生命產物，哪些是地質過程或大氣化學反應的產物。為此，我們需要理解的不僅是生命怎樣改變了一顆行星，還有行星怎樣演化及其主恆星的特徵。”論文合著者、墨西哥國立自治大學的安蒂格娜·塞古拉說。
“我們不能只尋找單獨的氧氣、臭氧或甲烷，”多瑪戈-古德曼說。 “為了證明是生命正在產生氧氣或臭氧，需要擴展波長范圍，涵蓋甲烷吸收譜線。理想情況下，最好還檢測其他氣體，如二氧化碳、一氧化碳。所以我們正在謹慎考慮哪些問題會絆倒我們，通過識別假信號，我們能找到好的方法來避免這些錯誤。我們現在知道了需要做哪些檢測，下一步就是解決需要建立什麼，怎樣建立的問題。”
