客观日本

日本自然科学研究机构将光合荧光用于生物探测,或能确认太阳系外行星生命体

2023年02月08日 海洋宇宙

红边(植被反射光的光谱学特征)观测是确认太阳系外行星是否存在生命的主要方法之一,日本自然科学研究机构Astrobiology Center(天体生物中心)的小松勇研究员等人发现,光合荧光可作为新的生物信号。该成果已刊登在The Astrophysical Journal的网络版上。

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图1:植物发出荧光的行星示意图(供图:Astrobiology Center)

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图2:在光合作用中,从太阳获取的光能被消耗于1.光合作用的光化学反应;2.荧光放射;3.散热(供图:Astrobiology Center )

在光合作用中,从太阳光中吸收的光能或被用于光化学反应,或作为荧光和热被释放。在地球遥感中,不仅观测到了红边,也观测到了这种荧光。红边表示行星表面植被的量,而荧光则用于推测更为详细的光合作用活动,例如应激状态等。

此次在分别在围绕类太阳恒星及两个M型矮星(GJ667C,TRAPPIST1)公转的类地行星上,研究人员设想了不同的行星大气和地表条件,并模拟了在行星光谱中荧光是如何出现的。将含有叶绿素a、b的典型植被(Chl),和具有细菌叶绿素b的红色细菌(BChl)作为光合生物的光吸收/荧光光谱使用,使其根据栖息地辐射场下获得的光子数适当缩放,确定了荧光强度。另外,利用这些光吸收光谱,通过放射传输计算,算出了叶片反射的光谱。研究人员开发出了处理光吸收、荧光、反射的模型,调查了荧光是怎样出现在行星光谱中的。

研究结果表明,就BChl而言,如果没有云层或1000nm左右的强吸收体,则在检测出红边的同时,荧光也可以成为识别光合作用痕迹的生命标记。但是,如果将NASA计划的6m口径宇宙望远镜的噪声模型用于类太阳恒星周围,则荧光的鉴定需要非常长的观测时间。

另外,像TRAPPIST1这样的超低温星,在恒星大气中对氧化钒、氢化铁、钾等的吸收非常强。通过这些吸收,恒星的通量在小波长区域,行星释放荧光后观测到的反射率明显变大。这可能会是TMT等未来超大型地面望远镜在高色散下观测荧光的一个很好的特征,今后还需对此进行验证。

原文:《科学新闻》
翻译:JST客观日本编辑部

【论文信息】
杂志:The Astrophysical Journal
论文:Photosynthetic Fluorescence from Earth-like Planets around Sun-like and Cool Stars
DOI:10.3847/1538-4357/aca3a5