哈勃望远镜用地球作为代理来识别潜在宜居系外行星上的氧气

哈勃没有直视地球。相反，天文学家使用月球作为镜子来反射穿过地球大气层的阳光，然后反射回哈勃望远镜。使用太空望远镜进行日食观测，再现了未来的望远镜将测量正在运行的系外行星大气的条件。这些大气中可能含有对天体生物学，生命研究和寻找感兴趣的化学物质。

尽管以前已经进行过许多这样的地基观测，但这是第一次从太空望远镜中以紫外线波长捕获月全食。哈勃探测到了臭氧的强光谱指纹，它吸收了一些阳光。臭氧对生命至关重要，因为它是地球大气层中保护层的来源。

在地球上，数十亿年的光合作用是造成地球上高氧水平和厚臭氧层的原因。这就是为什么科学家认为臭氧或氧气可能是另一个星球上的生命的迹象，并将其称为生物特征的原因之一。

哈勃观测的首席研究员，位于科罗拉多州博尔德的大气与空间物理实验室的艾里森·扬布洛德解释说：“发现臭氧是重要的，因为它是分子氧的光化学副产物，而分子氧本身就是生命的副产物。”

尽管以前在月食期间在地面进行的观测中都检测到了地球大气中的臭氧，但哈勃的研究代表了迄今为止对该分子的最强检测，因为从太空中测得的臭氧不受地球大气中其他化学物质的干扰而吸收紫外线如此强烈。

哈勃记录了臭氧吸收了在2019年1月20日至21日发生的月食期间穿过地球大气层边缘的太阳紫外线的一些情况。在月食期间，其他几台地基望远镜也在其他波长处进行了光谱观测，搜索以获得更多的地球大气成分，例如氧气和甲烷。

Youngblood说：“ NASA的主要目标之一就是确定可以支撑生命的行星。” “但是，如果我们看到一个行星，那么我们将如何知道它是一个宜居或无人居住的星球呢？用天文学家用来表征系外行星大气的技术，它们会是什么样子？这就是为什么将地球光谱模型发展为一个重要的原因的原因。用于对太阳系外行星的大气进行分类的模板。”

她的论文可在《天文杂志》上在线获得。

嗅探行星大气

如果外星世界穿过其母恒星的表面，则可以探测到一些太阳系外行星的大气，这一事件称为过境。在运输过程中，星光会穿过背光的系外行星大气层过滤。（如果近距离观察，行星的轮廓看起来就像是它周围有一个薄的，发光的“光晕”，这是由被照亮的大气造成的，就像从太空中看到的那样。）

大气中的化学物质通过滤除某些颜色的星光而留下其鲜明的标志。使用哈勃望远镜的天文学家率先采用了这项技术来探测系外行星。这尤其引人注目，因为在1990年哈勃发射升空时尚未发现太阳系外行星，而且太空望远镜最初并不是为此类实验而设计的。

到目前为止，天文学家已经使用哈勃望远镜观测了气体巨行星和超地球（行星的质量是地球质量的几倍）的大气层，这些恒星和恒星通过了恒星。但是，与地球大小差不多的地球行星是较小的物体，它们的大气层较稀薄，就像苹果的皮肤一样。因此，要从地球大小的系外行星中找出这些特征将变得更加困难。

这就是为什么研究人员将需要比哈勃大得多的太空望远镜来收集在途中穿过这些小行星大气层的微弱星光的原因。这些望远镜将需要更长的时间来观察行星，数十小时，以建立强大的信号。

为了为这些更大的望远镜做准备，天文学家决定在一个距离更近，唯一已知的有人居住的地球上进行实验。在整个月蚀期间，我们的行星与太阳和月亮的完美对准，模仿了经过其恒星的地球行星的几何形状。

但是，由于月球非常明亮，而且月球表面充满了明亮和黑暗的区域，因此它的表面不是完美的反射器，因此观测也具有挑战性。月亮也离地球太近，以至于哈勃不得不尽力保持对某个选定区域的关注，尽管月亮相对于太空天文台运动。因此，Youngblood的团队在分析中不得不考虑月球的漂移。

哪里有臭氧，哪里就有生命？

在地球太阳系外行星的天空中发现臭氧并不能保证生命存在于地表。Youngblood说：“除了臭氧以外，您还需要其他光谱特征来推断地球上存在生命，而这些特征不一定必须在紫外线下看到。”

在地球上，当地球大气中的氧气暴露于高浓度的紫外线下时，臭氧自然形成。臭氧在地球周围形成一层毯子，可保护其免受紫外线的伤害。

“光合作用可能是任何星球上最有生产力的新陈代谢，因为它是由星光能量驱动的，并使用宇宙中丰富的元素，例如水和二氧化碳，”美国宇航局戈达德太空飞行中心的贾达·阿尼说。该科学论文的合著者。“这些必需成分在宜居行星上应该是共同的。”

臭氧特征的季节性变化也可以指示氧气的季节性生物产生，就像地球上植物的生长季节一样。

但是，当氮气和氧气暴露在阳光下时，也可以在没有生命的情况下产生臭氧。为了增加对给定生物特征确实是生命产生的信心，天文学家必须寻找生物特征的组合。需要进行多波长运动，因为在这些特征特有的波长下，更容易检测到许多生物特征中的每一个。

“天文学家在观察具有年轻行星的年轻恒星时还必须考虑到行星的发育阶段。如果您想从类似于早期地球的行星上探测氧气或臭氧，那么当我们的大气中氧气较少时，光学和红外光的光谱特征还不够强。” “我们认为地球在元古代中期（大约在20亿到7亿年前之间）之前的臭氧浓度很低，当时光合作用促进了大气中氧气和臭氧的积累达到我们今天所看到的水平。但是，因为臭氧特征的紫外线特征非常强，您将有希望检测少量臭氧。

美国宇航局有一个即将到来的天文台，叫做詹姆斯·韦伯太空望远镜，可以在红外光下进行类似的测量，并有可能探测系外行星大气中的甲烷和氧气。Webb目前计划于2021年推出。