地球历史中五个关键时间点的快照可以帮助我们找到宜居系外行星
在过去的几十年里，天文学家们已经证实了除了我们的太阳系以外的数千颗行星的存在。随着时间推移，这已经从观察发展到了描绘阶段，希望能从这些星球中发现有适宜生物生存的。就当前来说，这些方法都是间接的，这意味着天文学家们只能根据行星与地球的相似程度来判定是否适合居住。
为了帮助寻找“适宜居住”的系外行星，康奈尔大学的一个研究的团队最近创建出了五个代表地球进化关键点的模型。这些关于地球在经历多种地质时期的“快照”通过提供一个宜居行星的更完整图像，以显著推进地外生命的探索。
该研究发表在《天体物理学杂志通讯》上，由康奈尔大学天文学副教授、卡尔·萨根研究所（CSI）所长丽莎·卡尔特尼格指导。利用以前的地质时期作为参考，卡尔特尼格和她的团队开发了光谱模板，这将有助于下一代望远镜寻找“类地”行星。
艺术处理图：比邻星b行星环绕比邻星运转，比邻星是一颗红矮星，是距离太阳系最近的恒星。（图源：欧南台/M. Kornmesser）
其中包括詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和大视场红外巡天望远镜（WFIRST），它们将分别于2021年和2024年部署到太空。 正如卡尔特尼格在最近的CSI新闻稿中解释的那样：
“这些新一代的天基和地基望远镜与我们的模型相结合，将使我们能够识别距地球约50至100光年的类似地球的行星。”
“我们将地球作为样本，对五个不同的地球纪元（从年轻的益生菌时代到现代世界）进行了建模，从而为辨别潜在的系外地球提供了模板。这些模型还使我们能够探索遥远的观察者可以在地球演化的哪个点识别出这些宇宙“苍白的蓝点”以及其他类似星球上的生命。”
为了把这一切都推翻，天文学家目前只能寻找与地球相似的行星，主要是因为地球是唯一已知有生命的行星。然而，我们今天在地球上看到的情况仅仅是一个我们星球随时间变化的快照。地球的地质和大气在过去与今日有着显著的的差异，而这在地球生命的进化中起着至关重要的作用。
艺术处理图：巨大的系外行星HR8799的光谱图，它位于大约130光年外。（图源：欧南局/M. Janson）
为了进行研究，卡尔滕格格和她的团队创建了与39亿年前的地球相匹配的大气模型。 这个“益生菌地球”的大气主要由二氧化碳组成。第二个模型“缺氧地球”则描述了35亿年前大气中没有氧气时地球的样子。
其他三个模型揭示了地球从过去到现在的过渡，其中包括光合生物的兴起（大约35亿年前）和“大氧化事件”（大约24至20亿年前）。 在这些时期，我们大气中的氧气逐渐从浓度的0.2％上升到现代水平的21％。 正如卡尔特尼格所说：
“自从45亿年前地球形成以来，我们的地球和我们呼吸的空气发生了巨大的变化，因此有史以来第一次，在这篇文章中我们以地球历史为模板提出天文学家该如何寻找像我们这样的世界，如何发现还在过渡中的年轻行星。”
虽然地球是何时形成含有丰富氧气的大气层仍是未知的，但这些模型为数十亿年前地球上的大气种类提供了框架。基于这些模板，大气层含氧量低于1%的系外行星都有可能有新生物，臭氧和甲烷的迹象。
TOI 1338b是环绕两颗恒星运行的行星，由TESS发现。（图源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/克里斯·史密斯）
除了像詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）和大视场红外巡天望远镜（WFIRST）这样空间望远镜外，欧南局的特大望远镜（ELT），30米望远镜（TMT）和巨麦哲伦望远镜（GMT）等地基望远镜也是如此。凭借其高灵敏度和自适应光学特性，这些望远镜将能够对遥远的系外行星进行直接成像勘测，并辨别其大气层。
通过这些设备，天文学家们可以观察到相当小的岩质行星在紧密轨道中从寄主星经过。（被称为凌星方法）与此同时太阳光将穿过大气层产生光谱，而天文学家以此来测定其中存在的化学物质。“一旦系外行星经过并遮住了一部分寄主星，我们就可以解析他的大气光谱特征。”卡尔特尼格表示，“利用地球地质的发展史为关键，我们可以更容易定位到遥远系外行星上生命的化学特征。”
如果地球的地质变迁能说明什么的话，那就是能维持生命活动的星球经历了一些极大的转变，而这是因为生命的出现导致了星球的进化。在这方面，像“类地球”和“潜在宜居”这样的限定词具有时间维度，随着时间的推移涉及一系列条件。