围绕M星系外行星可能偏向的大氧化事件情景——以TRAPPIST-1e为例

更快通往可呼吸世界的道路

在地球上，大气富氧花费了数十亿年，为动物和复杂生命铺平了道路。这项研究探讨某些遥远行星是否可能更快达到这种利于生命的状态。作者以TRAPPIST‑1e——绕一颗小型红矮星运行的近地球大小天体——为例，研究恒星光谱和大气化学如何加速或延缓氧的上升，以及未来望远镜是否能够从遥远处识别出这种转变。

从地球的缓慢转变到富氧天空

地球大约在24亿年前发生的“大氧化事件”标志着氧气在大气中首次显著积累。尽管通过光合作用产生氧气的微生物更早就已出现，但氧气在数亿年间依旧稀少。古老岩石中的地质线索和数值模型表明，这种延迟与一个微妙的平衡有关：氧气必须产生得足够快并且去除得足够慢，大气才会从贫氧翻转为富氧。去除氧气的主要“罪魁”之一是甲烷，这种简单含碳气体通过一系列快速化学步骤与氧反应而被消耗。

红矮星如何改变化学过程

TRAPPIST‑1e围绕一颗M矮星运行——与太阳相比更小、更冷、更红。这类恒星发出的光在各波段的组合特别不同，尤其是驱动大气化学的紫外（UV）波段。作者使用详尽的气候与化学模型，将TRAPPIST‑1e视为“另一个体系中的早期地球”，赋予其类似气体组成但浸润在TRAPPIST‑1的光照下。研究发现，这颗红矮星的UV输出更有利于形成臭氧——由三个氧原子组成、位于高层的保护性层。在TRAPPIST‑1e上，该臭氧层在比地球更低的氧气浓度下就能形成，且总体上变得更厚。

臭氧既是屏障也是氧气助推器

臭氧不仅阻挡有害紫外线——它还改变了氧气被破坏的速率。在早期地球上，甲烷通过由高活性“自由基”如羟基（OH）驱动的一连串反应与氧气反应而被去除。新的模拟表明，在地球与TRAPPIST‑1e上，许多这种自由基是在阳光以特定UV波长打断过氧化氢等化合物时产生的。随着臭氧的积累，它吸收了这些相同的UV光，切断了自由基的主要来源，减缓了甲烷对氧气的破坏。这形成了一个反馈回路：臭氧越多，自由基越少，氧气损失越少，反过来允许氧气（因而也允许臭氧）进一步上升。

更快跃迁到富氧世界

由于TRAPPIST‑1的光谱极大地促进了臭氧的形成，这种正反馈在比地球更低的氧气水平下就会启动。在模型情景中，如果TRAPPIST‑1e存在产生氧气且速率与地球相近的生命，该行星大气可能比地球早多达约十亿年“翻转”进入富氧状态。研究还表明，即便是适度的非生物氧源——例如行星早期因水向太空慢性损失产生的氧——也可能足以触发TRAPPIST‑1e上的这种失控上升，而同样的通量在地球上则可能不足以触发。换言之，围绕某些红矮星的行星大气可能天生更倾向于氧化。

用詹姆斯·韦伯望远镜观测遥远的氧气

如果TRAPPIST‑1e确实经历过如此快速的富氧过程，我们能否从这里侦测到？团队利用他们的大气模型模拟了詹姆斯·韦伯太空望远镜（JWST）在该行星凌日时会观测到的信号。由于在他们的TRAPPIST‑1e情景中臭氧比类地情形更丰富，其光谱指纹——在特定红外波长处恒星光的细微吸收——更为显著。他们发现位于约4.6微米处的一个臭氧特征，可通过JWST的NIRSpec仪器在几十次重复凌日观测后被检测到，远少于依赖9.7微米处较弱特征的早期估计所需的观测次数。

对红矮星周围生命的意义

对非专业读者来说，结论是：并非所有宜居行星都是同等的。在某些红矮星周围，恒星光的颜色和强度本身就可能让行星更容易形成厚臭氧层并保留氧气，远早于地球实现同样成就。这可能让复杂的需氧生命在这些行星上抢占先机。同时，强烈的臭氧在表层既有保护作用，也可能带来潜在危害，红光下光合作用的真实前景仍不确定。尽管如此，这项工作表明，像TRAPPIST‑1这样的近邻体系是寻找可能已迈出关键一步、朝向富氧且适宜生命大气的遥远世界的有希望目标。

引用: Jaziri, A.Y., Carrasco, N. & Charnay, B. Possible favored great oxidation event scenario on exoplanets around M-stars with the example of TRAPPIST-1e. Sci Rep 16, 6322 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37144-3

关键词: TRAPPIST-1e, 臭氧, 大氧化事件, M矮星, 系外行星大气