找到与地球相似的星球，是人类文明一直以来的梦想，按照目前人类消耗能源的速度和其他各方面原因来看，人类需要尽快找到一颗能够让人类移居的星球，所以一直以来，全球各地都有许多的科学家们在致力于寻找地球的“表亲”。
科学家们已经发现了数千颗系外行星，其中包括数十颗位于母恒星周围宜居地带的类地行星或岩石行星。在这些星球上寻找生命迹象的一个很有前景的方法是探测系外行星的大气以寻找“生物特征”，这种特征是一种化学成分上的特点，也产生是生命的迹象。比如，由于光合作用，人类居住地——地球的大气含氧量接近21%，考虑到地球的组成、轨道和母星，这一水平远远高于预期。
寻找生物特征并非易事，科学家利用系外行星大气与母星光线相互作用的数据来了解它们的大气。但是，人类现今的地面望远镜和太空望远镜收集的信息或光谱太有限，无法直接测量系外行星的大气或探测生物特征。
像华盛顿大学天文学教授维多利亚·梅多斯这样的系外行星研究人员，正专注于即将到来的天文台，比如詹姆斯·韦伯太空望远镜(James Webb Space Telescope，简称JWST)，可以测量系外行星的大气。2月15日美国科学促进会的年度会议在西雅图，华盛顿大学的首席研究员和虚拟行星实验室讨论总结这些新天文台会有什么样的数据收集方式，以用于可以揭示或找到系外类似地球的大气层的行星。
系外行星研究领域发生了哪些变化？
在未来5到内，我们将有可能首次有机会观察类地系外行星的大气层。这是因为新的天文台即将上线，包括詹姆斯·韦伯太空望远镜和像超大望远镜这样的地面天文台。我们最近在虚拟行星实验室的许多工作，以及其他机构的同事的工作，都集中在模拟类地系外行星在JWST和地面望远镜中的“样子”。这使我们能够了解这些望远镜将捕捉到的光谱，以及这些数据将会告诉我们什么，而不会告诉我们那些系外行星的大气。
JWST和其他任务将能够描述什么样的外行星大气？
我们的目标实际上是一组精选的系外行星，它们就在附近——在40光年以内——并且围绕着非常小的冷恒星运行。作为参考，开普勒任务发现了距离恒星超过1000光年的系外行星。较小的主恒星也能帮助我们更好地了解行星大气的组成，因为行星大气的薄层可以阻挡较小恒星更多的光。
因此，我们正在关注少数的系外行星，以寻找宜居性和生命的迹象。所有这些都是通过地面调查确定的，比如TRAPPIST和它的继任者SPECULOOS——都是由列日大学运营的——以及由哈佛运营的MEarth项目。这一组中最著名的系外行星可能是围绕TRAPPIST-1运行的七颗类地行星。TRAPPIST-1是一颗m -矮星，它是你所能拥有的最小的恒星之一，并且仍然是一颗恒星。
我们已经确定TRAPPIST-1是最好的研究系统，因为这颗恒星太小了，我们可以从这些星球的大气中获得相当大的信息信号。这些都是地球的近亲，但是有一个非常不同的母星，所以观察它们的大气层是非常有趣的。
到目前为止，科学家们对TRAPPIST-1系外行星的大气层有什么了解？
天文学界已经对TRAPPIST-1系统进行了观测，但除了“没有发现”外，我们什么也没看到。这仍然可以告诉我们很多东西。例如，观察和模型表明，这些系外行星的大气不太可能由最轻的元素氢主导。这意味着它们要么完全没有大气层，要么有相对高密度的大气层，比如地球。
矮星完全没有大气？是什么造成的呢？
m -矮星与我们的太阳有着非常不同的历史。在它们的婴儿期之后，类日恒星在经历融合的过程中逐渐变亮。m -矮星一开始又大又亮，因为它们的引力坍缩到它们一生中大部分时间都会有的大小。因此，m -矮星可能会经历很长一段时间——可能长达10亿年——的高强度光度。这可能会剥夺行星的大气，但火山活动也可以补充大气。根据它们的密度，我们知道许多TRAPPIST-1星球可能有化合物的储藏库——实际上比地球的水平高得多——可以补充大气。
TRAPPIST-1的第一个重要的JWST结果将是：哪些世界保留了大气？它们是什么类型的大气？我很乐观地认为它们确实有大气层因为那些我们还在探测的热源。但我愿意为这些数据感到惊讶。JWST和其他天文台将在TRAPPIST-1系外行星的大气中寻找什么类型的信号？也许最容易找到的信号是二氧化碳的存在。
二氧化碳能当作是生物特征吗？
不是单独的，也不是单一的信号。我总是告诉我的学生——向右看，向左看。金星和火星的大气中都有高浓度的二氧化碳，但没有生命。在地球的大气中，二氧化碳的含量随着季节的变化而变化。在春天，随着植物的生长，二氧化碳的含量逐渐减少。在秋天，植物分解，二氧化碳上升。所以如果你看到季节性循环，那可能是一个生物特征。但是JWST的季节观测是不太可能的。
相反，JWST可以寻找另一个潜在的生物特征，即存在二氧化碳和甲烷气体。通常情况下，甲烷与二氧化碳的寿命较短。因此，如果我们同时探测到这两种物质，可能就会有某种物质在积极地产生甲烷。在地球上，我们大气中的大部分甲烷是由生命产生的。
如何检测系外行星大气层中的氧气呢？
氧本身并不是一个生物特征。这取决于它的水平和大气中的其他物质。例如，海洋消失可能会产生富含氧气的大气：光把水分子分解成氢和氧。氢逸入太空，氧则进入大气。
JWST可能不会直接从氧气光合作用——我们现在习惯的生物圈中获取氧气。超大望远镜和相关的天文台也许能够做到，因为他们将会看到不同于JWST的波长，在那里他们将有更好的机会看到氧气。JWST将更适合于探测类似于数十亿年前地球上的生物圈，以及区分不同类型的大气。
TRAPPIST-1系外行星可能拥有哪些不同类型的大气？
m -矮星的高光度阶段可能会将一颗行星推向温室效应失控的大气层，比如金星。就像我之前说的，你可能会失去一片海洋而拥有一个富氧的大气层。第三种可能性是有更像地球的东西。
如果JWST不能直接探测到氧气，它怎么能发现富含氧气的大气呢？
JWST的美妙之处在于它能捕捉到系外行星大气中发生的过程。它将捕捉到氧分子之间碰撞的信号，这种碰撞在富含氧气的大气中更常见。所以我们很可能看不到光合生物圈中氧气的含量。但如果海洋消失后留下了更多的氧气，我们可能会在光谱中看到氧气的碰撞，这可能是系外行星失去海洋的迹象。
因此，JWST不太可能为我们提供生物签名的确凿证据，但可能会提供一些诱人的线索，这需要进一步的跟踪和继续思考除JWST之外的新任务。与此同时，NASA已经在考虑新的任务了，但同时也面临一个问题，我们希望这些任务它们的能力是什么？
这也让我想到了一个非常重要的观点，系外行星科学是大规模的跨学科研究。了解这些世界的环境需要考虑轨道、组成、历史和主恒星，所以在研究的时候需要天文学家、地质学家、大气科学家和恒星科学家的参与，只有在所有学科的尖端学者和科研设备全都到齐的时候，人类去寻找研究地球的“表亲”才会更加容易！
