Life Beyond the Solar System: Observation and Modeling of Exoplanet Environments
直到最近，在太阳系以外的行星上寻找生命一直是天体物理学界的研究领域。自2015年NASA天体生物学战略文件（AS15）以来的一个重大发展是将NASA的其他科学学科（行星科学，太阳物理学，地球科学）与天体物理学中正在进行的系外行星研究相结合。美国宇航局系外行星系统科学（NExSS）为科学家提供了一个跨学科合作的论坛，以加速在其他地方寻找生命的进展。在这里，我们描述了这些其他学科的最新发展，重点是系外行星的性质和环境，以及未来的进展，将通过整合新兴的知识，从天体物理学的见解，从这些领域的前景。
2018-01-23 astro-ph.EP
Statistical Signatures of Panspermia in Exoplanet Surveys
一个基本的天体生物学问题是生命是否可以在太阳系外的星系之间运输。我们提出了一个新的策略来回答这个问题的基础上的原则，即通过传播产生的生命将表现出更多的集群比生命自发产生。我们开发了简单的胚种说的统计模型来说明这些过度相关性的可观察到的后果。未来对系外行星大气中生物特征的搜索可以测试这些预测：胚种论的确凿证据将是检测到银河系中的大片区域，那里的环境充满了生命，其中散布着生命非常罕见的空隙。在一个有利的情况下，探测到少至$\sim 25$的生物活性系外行星可能会产生$5σ$的胚种说探测。位置-空间相关性的可探测性是可能的，除非生命一旦被播种就变得可观测的时间尺度比恒星在银河系中重新分布的时间尺度更长。
2015-08-06 astro-ph.EP
Characterizing the oxidation state of rocky exoplanets with the Large Interferometer for Exoplanets (LIFE)
Kapteyn Astronomical Institute, University of Groningen（格罗宁根大学卡普坦天文研究所）；SRON Netherlands Institute for Space Research（荷兰空间研究研究所）；Freie Universität Berlin, Institute of Geological Sciences（柏林自由大学地质科学研究所）；NASA Goddard Space Flight Center（美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心）；ETH Zurich, Institute for Particle Physics & Astrophysics（苏黎世联邦理工学院粒子物理与天体物理研究所）；ETH Zurich, Department of Earth and Planetary Sciences（苏黎世联邦理工学院地球与行星科学系）
本研究评估系外行星大型干涉仪（LIFE）的性能，利用基于ARCiS和LIFEsim的反演框架，通过光谱测量区分类地大小岩质系外行星的氧化态，明确了不同氧化态下的特征示踪分子。
2026-07-31 astro-ph.EP
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). X. Detectability of currently known exoplanets and synergies with future IR/O/UV reflected-starlight imaging missions
本研究计算了当前已知系外行星中可被中红外LIFE以热辐射探测、以及可被构想的HWO以反射星光观测的数量，验证了LIFE的探测能力及两类任务的大气表征协同潜力。
2023-08-18 astro-ph.EP astro-ph.IM
Detecting habitable exoplanet atmospheres with LIFE, the Large Interferometer for Exoplanets
University of Edinburgh（爱丁堡大学）；ETH Zürich（苏黎世联邦理工学院）
研究旨在用大型系外行星干涉仪（LIFE）探测宜居系外行星大气层。通过对比，指出 LIFE 比 NASA 的 HWO 能探测更广泛生物特征及相关环境，可鉴别甲烷等，还能研究 HWO 因空间分辨率有限无法观测的附近岩石系外行星。
2026-07-27 astro-ph.EP astro-ph.IM
Search for Life on Exoplanets: Toward an International Institutional Coordination
在宇宙中寻找生命将利用几个可见光和热红外线的大型空间飞行任务，每一个都具有越来越高的光谱和角分辨率。这将需要在未来几十年内进行长期规划。我们提出有必要建立一个国际结构，以协调今后几十年的活动，并概述一个专门的国际机构的可能结构和作用。
2009-06-09 astro-ph.EP astro-ph.IM
Solid grains ejected from terrestrial exoplanets as a probe of the abundance of life in the Milky Way
本文提出通过收集系外行星小行星撞击喷射至太阳系的约1 $μ$m固体微粒来探测生命，预计每年约 $10^5$ 颗此类微粒抵达地球，可通过太空探测器或极地冰层提取以寻找生物特征。
2023-02-10 astro-ph.EP astro-ph.GA q-bio.PE
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE): II. Signal simulation, signal extraction and fundamental exoplanet parameters from single epoch observations
大型系外行星干涉仪（LIFE）计划正在为一项雄心勃勃的太空任务开发科学和技术路线图，该任务具有天基中红外（MIR）调零干涉仪，以检测数百颗系外行星的热发射并表征其大气层。为了量化这种飞行任务的科学潜力，特别是在技术权衡方面，需要一个仪器模拟器。此外，还需要信号提取算法来验证系外行星的属性（例如，角距、光谱通量）可以准确地检索。我们提出了LIFEsim，一个软件工具开发的模拟观测的系外行星系统与和平号空间为基础的调零干涉仪。它包括天体物理噪声源（即，恒星泄漏和来自本地黄道和黄道外尘埃的热发射），并提供了灵活性，以包括仪器噪声条款在未来。LIFEsim提供了一种可访问的方法，用于预测未来观测的预期SNR，作为各种关键仪器和目标参数的函数。提取的光谱的信噪比是光子噪声为主，从我们目前的模拟预期。从我们的模拟调查的小（$R < 1.5 R_\mathrm{Earth}$）行星在其恒星的宜居带内运行的单历元观测，我们发现，典型的不确定性估计的有效温度的系外行星是$\lesssim$ 10%，为系外行星半径$\lesssim$ 20%，并从主恒星分离$\lesssim$ 2%。在信号提取过程中获得的SNR值偏离纯光子计数统计的SNR小于10%。（节略）
2022-03-02 astro-ph.EP astro-ph.IM
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE): VIII. Where is the phosphine? Observing exoplanetary PH3 with a space based MIR nulling interferometer
磷化氢可能是理解（外）行星大气中发生的奇异化学的关键分子。虽然它已经在太阳系的巨行星中被发现，但它还没有在系外行星中被观察到。然而，在系外行星的背景下，它已被理论化为潜在的生物特征分子。我们研究的目标是确定PH 3化学的说明性科学案例可以用基于空间的中红外调零干涉观测站观察到，如LIFE（大型系外行星干涉仪）概念。我们确定了一组具有代表性的方案PH 3探测在整个动态范围内的生命任务的系外行星大气层变化。我们使用化学动力学和辐射转移计算，为LIFEsim（我们的LIFE观测模拟器软件）生成这些信息丰富的原型观测案例的正演模型。在一个详细的，但一阶近似，它需要一个像生命的使命：（i）在10 pc的G星周围的温暖巨星中发现磷化氢大约需要1h，（ii）在5 pc的M星宿主周围以H2或CO2为主的温带超地球中大约需要10 h，（iii）即使在100小时内，在PH 3浓度为5 pc的金星-双子中也不太可能检测到磷化氢。在文献中先前讨论的浓度下的磷化氢在3种情况中的2种中是可检测的，并且比JWST的可比情况快大约一个数量级。我们表明，有相当数量的对象访问这些类的意见。这些结果将用于优先考虑参数范围，以便进行更详细的检索模拟。它们还将在LIFE这样的任务的早期设计阶段及时提出问题，并通过为此类任务的大部分探测空间提供易于缩放的初步估计来指导社区。
2022-11-09 astro-ph.EP astro-ph.IM
Searching for Life-As-We-Don't-Know-It: Mission-relevant Application of Assembly Theory for Exoplanet Life Detection
本文提出利用组装理论分析行星大气以检测生命，通过量化分子物种组合的最小复杂度，为哈布利世界观测站提供生物标志物框架，探索未知生命形式。
2026-04-05 astro-ph.EP astro-ph.IM
The ultraviolet habitable zone of exoplanets
本文通过结合平庸原理与实验研究定义紫外宜居带，并利用Swift望远镜数据测量17颗恒星的NUV光度，发现多数M矮星宜居带行星因紫外辐射不足而无法通过氰硫基化学触发生命起源。
2023-03-28 astro-ph.EP astro-ph.SR
Mantle Degassing Lifetimes through Galactic Time and the Maximum Age Stagnant-lid Rocky Exoplanets can Support Temperate Climates
寻找生命的理想系外行星是那些位于恒星宜居带内的行星。然而，即使在宜居带内，行星仍然可以发展出不适合居住的气候状态。在地质（$\sim$ Gyr）时间尺度上维持温和的气候需要一个行星包含足够的内能来为行星尺度的碳循环提供动力。岩石行星能量收支的一个主要组成部分是放射性元素衰变产生的热量，特别是$^{40}$ K，$^{232}$ Th，$^{235}$ U和$^{238}$ U。随着地球的老化和这些元素的衰变，这种放射性能源就会减少。在这里，我们估计这些产热元素（HPEs）的数量的概率分布，通过银河系的历史，进入岩石系外行星，结合恒星丰度数据中看到的系统到系统的变化与银河系化学演化模型的结果。使用这些分布，我们进行蒙特卡罗热演化模型，最大限度地提高地幔冷却速率。这使我们能够对一颗岩石状、停滞盖的系外行星的寿命做出悲观的估计，它可以支持全球碳循环和温和的气候，这是它的质量和银河系历史的函数。我们将这个框架应用于17个可能的岩石系外行星的样本，这些行星具有测量的年龄，尽管我们的悲观假设，但我们预测其中7个行星今天可能正在积极脱气。对于剩下的行星，包括那些围绕TRAPPIST-1轨道运行的行星，我们不能自信地假设它们目前含有足够的内部热量，以足以维持全球碳循环或温带气候的速度支持地幔脱气，而无需额外的潮汐加热或经历板块构造。
2022-04-08 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.SR
Oceanographic Considerations for Exoplanet Life Detection
液态水海洋是我们在系外行星上寻找生命的中心，因为水是我们所知道的生命的严格要求。然而，海洋是动态的栖息地-有些海洋可能比其他海洋更适合生命。在地球的海洋中，循环运输磷酸盐等必需营养物质，是对生命分布和生产力的一级控制。特别重要的是来自海洋黑暗深处的向上流动，以响应风驱动的表层发散。这种“上升流”使往往在深层积累的基本营养物质通过有机微粒下沉回到光合生命兴旺的阳光照射区域。海洋动力学也可能对海洋外光合作用生命的活动和大气表达施加限制，但我们缺乏对海洋动力学在其他行星上可能存在差异的理解。我们解决这个问题，探索海洋动力学的敏感性，一套行星参数使用ROCKE-3D，一个完全耦合的海洋-大气GCM。我们的研究结果表明，旋转速度较慢且表面压力高于地球的行星可能是远程生命探测最有吸引力的目标，因为在这些条件下，上升流增强，从而为表面生物圈提供更多的营养。高密度行星上混合层的季节性加深也可能增强从深处进入表面混合层的营养补充。有效的营养循环有利于更大的生物活性，更多的生物特征的产生，从而更多的可检测的生命。更一般地说，我们的研究结果表明，考虑海洋现象的系外行星生命探测的重要性，并激励未来的跨学科的贡献，新兴领域的外海洋学。
2020-05-21 astro-ph.EP
LOUPE: Observing Earth from the Moon to prepare for detecting life on Earth-like exoplanets
LOUPE是一个小型、坚固的分光偏振仪，其任务是观测作为系外行星的地球。探测恒星宜居带中的类地行星是现代系外行星科学的关键挑战之一。描述这些行星的特征和寻找生命的痕迹需要直接探测它们的信号。LOUPE提供了地球反射的太阳光的独特光谱通量和偏振数据，地球是已知唯一有生命的行星。这些数据将用于测试预测类地系外行星信号的数字代码，测试检索行星属性的算法，并微调未来空间观测站的设计和观测战略。从月球上，LOUPE将持续看到整个地球，使其能够监测由于地球的日常旋转，天气模式和季节而产生的信号变化。在这里，我们介绍了LOUPE仪器和任务设计背后的科学案例和技术。
2020-08-03 astro-ph.EP astro-ph.IM
Understanding planetary context to enable life detection on exoplanets and test the Copernican principle
在系外行星上寻找生命的动机是生命可以改变其行星环境的普遍方式。大气中的气体，如氧气和甲烷是有希望的候选人，这种环境改造由于其生产将赋予进化的好处。然而，确认这些气体是由生命产生的，而不是由地球化学或天体物理过程产生的，将需要彻底了解行星的背景，包括预期的无生命行星的反事实大气演变。在这里，我们评估了目前对几个候选生物特征及其即将到来的可观测性的行星背景的理解。我们审查的背景框架，氧和描述如何固定的非生物氧的情况下可能是可测试的。与氧气相反，目前对行星环境如何控制非生物甲烷（CH $_4$）产生的理解是有限的，即使缺氧大气中的CH $_4$生物特征可以很容易地用詹姆斯韦伯太空望远镜检测到。我们评估了CH $_4$生物特征的环境背景，并得出结论，丰富的大气CH $_4$与CO $_4$共存，CO：CH $_4$ << 1是生物生产的暗示，虽然精确的阈值取决于恒星的背景和稀疏的非生物CH $_4$的特点。行星背景框架也被认为是替代或不可知生物签名。无论生命在宇宙中的分布如何，未来几十年对类地系外行星的观测将为无生命世界的大气演化提供定量的了解。这一知识将为未来的仪器要求提供信息，以证实其他地方存在生命或确认其明显不存在。
2022-03-01 astro-ph.EP
Of Aliens and Exoplanets: Why the search for life, probably, requires the search for water
由于生物系统的压倒性复杂性，目前还不可能从头开始创造一个活的有机体。事实上，生命机制的起源，即生物有机体是如何从非生命物质形成的，是未知的。为了更好地理解自然发生是如何发生的，一些研究人员从他们的模型中取出了水，而是选择了更奇特的方法。这些假设将对天文观测和未来潜在的空间探索产生重大影响。通过将水的性质分解到物理、化学和生物水平，从而证明它是形成生命的最适当的介质。
2021-04-08 astro-ph.EP physics.pop-ph
Past, Present and Future Stars that can see Earth as a Transiting Exoplanet
在宇宙中寻找生命的过程中，凌日系外行星是我们目前最好的目标。在宇宙中寻找生命的过程中，凌日系外行星是我们目前最好的目标。随着数千个已经被探测到，我们的搜索正在进入一个新的发现时代，即将到来的大型望远镜将在过境世界的大气中寻找生命迹象。然而，宇宙是动态的，太阳系附近的哪些恒星有优势将地球视为过境行星，并可以识别其充满活力的生物圈，因为早期人类文明是未知的。在这里，我们展示了自早期人类文明以来，326光年内的1，715颗恒星处于合适的位置，可以在凌日地球上发现生命，另外还有319颗恒星在未来5，000年内进入这个特殊的有利位置。在这些恒星中，有7颗已知的系外行星宿主占据了观察地球凌日的有利位置，包括罗斯-128，它在过去看到了地球凌日，蒂加登星和特拉普斯特-1，它们将分别在29年和1,642年后开始看到地球凌日。我们发现人造无线电波已经扫过了名单上75颗最近的恒星。
2021-07-16 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Implications of tides for life on exoplanets
从比邻星和TRAPPIST-1的例子中可以明显看出，在低质量恒星的宜居带中，地球大小的行星是常见的。在这里，我们专注于这样的行星系，并认为他们的（海洋）潮汐可能会更加突出，由于更强的潮汐力。我们确定的条件下，潮汐可能会产生显着的积极影响的生物过程，包括非生物发生，生物节律，营养物质上涌和刺激光合作用。我们总结了我们的分析与识别大规模的藻类水华作为潜在的时间生物特征反射光变曲线，可以间接产生的结果，强大的潮汐力。
2018-07-23 astro-ph.EP
Exogeoscience and Its Role in Characterizing Exoplanet Habitability and the Detectability of Life
寻找系外行星生命必须包括反映在系外行星大气层中的复杂地质过程，否则我们就有可能报告误报和漏报。要做到这一点，我们必须培育“外地球科学”这一新生学科，使天文学家、天体物理学家、地球科学家、海洋学家、大气化学家和生物学家充分融合。增加对跨学科研究项目的资助，支持现有和未来的多学科研究节点，以及开发研究孵化器，是将真正的外地球科学从愿望转变为现实的关键。
2020-07-24 astro-ph.EP astro-ph.IM
Possibilities for an Aerial Biosphere in Temperate Sub Neptune-Sized Exoplanet Atmospheres
通过探测系外行星大气生物特征气体寻找生命迹象的工作正在取得进展。然而，只有少数岩石系外行星的大气层适合用计划中的下一代望远镜进行观测。为了拓宽前景，我们描述了一个空中的，液态水云为基础的生物圈在亚海王星大小的温带系外行星的大气层中的可能性，那些接收类似地球的辐射从他们的主恒星。已知有一颗这样的行星（K2- 18 b），其他候选者正在跟踪。亚海王星比岩石系外行星更常见，也更容易观测研究，因为它们的体积更大，密度更低，大气层或包层更大。然而，正如我们所知，海王星下缺乏任何固体表面，因此值得考虑它们的大气层是否能够支持空中生物圈。我们回顾，综合，并建立在现有的研究。被动的微生物类生命粒子必须在有液态水云的地区持续足够长的时间进行代谢、繁殖和传播，然后才能向下运输到较低的海拔，那里可能太热，任何种类的生命都无法生存。需要动力学研究来充实生命粒子停留时间的定量细节。子海王星需要成为具有不稳定小行星带的行星系的一部分，以便陨石物质提供营养，尽管生命也需要有效地重复使用和回收金属。生命的起源可能是最严峻的限制性挑战。不管不确定性如何，我们可以对寻找生物特征气体保持开放的态度，作为对亚海王星系外行星的一般观测研究的一部分。
2021-06-14 astro-ph.EP
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE): IX. Assessing the Impact of Clouds on Atmospheric Retrievals at Mid-Infrared Wavelengths with a Venus-Twin Exoplanet
本文评估了系外行星大型干涉仪（LIFE）在观测金星孪生系外行星时云层对中红外大气反演的影响，发现现有最低分辨率和信噪比要求可表征云层上方大气，但需更高质量光谱才能推断云层存在与结构。
2023-03-21 astro-ph.EP astro-ph.IM
Origins of Life on Exoplanets
本文提出利用系外行星环境检验生命起源假说，以紫外线驱动的氰硫化物假说为例，展示检验方法已否定部分版本，并预测生命普遍性上限及生物特征分布。
2023-05-08 astro-ph.EP
Disequilibrium biosignatures over Earth history and implications for detecting exoplanet life
行星大气中的化学不平衡已被提出作为通过远程光谱检测系外行星上的生命的通用方法。在太阳系具有丰富大气的行星中，现代地球由于生命的存在而具有最大的热力学化学不平衡。然而，这种不平衡是如何随着时间的推移而变化的，特别是在缺氧的太古代或缺氧较少的元古宙中保持的生物不平衡是未知的。我们计算的大气-海洋不平衡在前寒武纪使用保守的代理和模型为基础的估计早期大气和海洋成分。我们省略了地壳固体，因为地下成分在系外行星上是不可检测的，不像地表以上的挥发物。我们发现：（i）不平衡随时间的推移而增加，（ii）由于O $_{2}$、N $_{2}$和液态水的共存，元古宙和中生代都可能存在可远程检测的生物不平衡;太古宙具有由N $_2$、CH $_4$、CO $_2$和液态水共存引起的生物不平衡，对于一个系外行星的孪生兄弟来说，可能是远程可探测的。在这种不平衡的基础上，我们认为，同时检测到丰富的CH $_{4}$和CO $_{2}$在一个可居住的系外行星的大气是一个潜在的生物签名。具体而言，我们表明，甲烷混合比大于0.001是潜在的生物，而那些超过0.01可能是生物的，由于难以维持大的非生物甲烷通量，以支持高甲烷水平缺氧的气氛。生物原性将因缺乏丰富的CO而得到加强，这在生物情景中不应共存。
2018-01-24 astro-ph.EP
Which Stars can see Earth as a Transiting Exoplanet?
迄今为止，凌日观测已经发现了大多数系外行星。对凌日和日食的光谱观测是表征系外行星大气的最常用工具，将用于寻找生命。然而，一颗系外行星的轨道必须与我们的视线对准，才能观察到凌日。在这里，我们要问，从哪个恒星的有利位置，一个遥远的观察者能够以同样的方式在地球上寻找生命？我们使用TESS输入目录和来自盖亚DR 2的数据来确定可以将地球视为凌日系外行星的最近恒星：我们在100秒差距内确定了1，004颗主序星，其中508颗保证了对地球凌日的至少10小时观测。我们的恒星列表包括大约77%的M型，12%的K型，6%的G型，4%的F型和1%的A型恒星靠近黄道。SETI的搜索，如突破倾听倡议，已经集中在这一部分的天空。我们的目录现在为这个搜索提供了一个目标列表。作为扩展任务的一部分，NASA的TESS还将在黄道上寻找凌日行星，以找到可以在凌日地球上探测到生命的行星。
2020-10-19 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Exoplanet Biosignatures: Future Directions
系外行星科学有望在不久的将来继续快速积累新的观测结果，从而推动理解和解释即将到来的大量数据，以确定我们太阳系以外的生命迹象。系外行星样本的大量统计数据，结合我们对生命及其签名的普遍性质的理解的模糊性，需要一个生物签名评估的定量框架。在这里，我们引入了一个贝叶斯框架，用于指导未来的生命检测方向，它允许我们的搜索策略超越已知生命的生物签名的可能性。贝叶斯方法提供了一种语言来定量地定义未来生命检测的条件概率和置信水平，重要的是，可以约束有或没有阳性检测的先验生命概率。我们描述了必要的经验和理论工作，以限制相关的可能性，包括那些出现从恒星和行星的背景下，进化历史的偶然性和物理和化学的普遍性。我们讨论了贝叶斯框架如何指导我们的搜索策略，包括确定观测波长或在有针对性的搜索或更大，更低分辨率的调查之间做出决定。我们的目标是提供一个定量的框架，而不是夹带到生命或其签名的具体定义，它集成了必要的自信地检测外星生命的不同学科的观点。
2017-08-08 astro-ph.EP
A procedure for observing rocky exoplanets to maximize the likelihood that atmospheric oxygen will be a biosignature
在这里，我们提倡一种观测策略，以帮助优先考虑系外行星观测。它从更容易获得的观测数据开始，并根据避免氧气是假阳性甚至是不确定的生命特征的行星的可能性，对系外行星进行更困难的后续观测。我们发现，氧气是一个强大的生物特征，土地和地表水必须存在。没有陆地的系外行星的地球化学循环要慢得多，因此，虽然这些行星上可能存在光合作用的产氧生命，但它不能以与非生物速率（如光解）竞争的速率产生氧气。这些适合居住的行星，其生命将无法检测到，应该避免。
2018-01-22 astro-ph.EP
A Statistical Comparative Planetology Approach to the Hunt for Habitable Exoplanets and Life Beyond the Solar System
寻找太阳系以外的宜居系外行星和生命是我们这个时代最引人注目的科学机会之一。然而，建设能够解决这一问题的设施的高昂成本以及公众对这类研究结果的浓厚兴趣，要求我们严格开发实验，以便在我们的理解方面取得决定性的进展。到目前为止，这一领域的大多数工作都集中在"系统科学"的方法上，即获取和解释单个行星的综合数据，以说明它们的可居住性和存在生命的可能性。这一战略具有挑战性，因为观测到的和预期的系外行星多种多样，而且天文仪器所能获得的信息有限。在这里，我们提出了一个补充的方法，是基于执行调查的关键行星的特征，并使用统计边缘化来回答更广泛的问题，可以解决一个小样本的对象。这种比较行星学方法的基本原则是通过广泛应用每种测量方法来最大限度地提高可以从每种测量方法中学到的东西，而不是要求对单个物体进行多种观测。作为一个概念的证明，我们概述了地球系外行星大气水和二氧化碳丰度的调查，将测试宜居带假设，并导致更深入的了解宜居行星的频率。我们还讨论了额外的调查，可以开发测试其他基本假设是这一领域的想法。
2017-05-17 astro-ph.EP
Exoplanet Biosignatures: A Review of Remotely Detectable Signs of Life
在未来的几年和几十年里，先进的太空和地面观测站将提供前所未有的机会来探测可能适合居住的系外行星的大气层和表面，以寻找生命的迹象。地球上的生命，通过其气态产物以及反射和散射特性，在我们星球的光谱上留下了自己的指纹。在物理和化学定律的普遍性的帮助下，我们转向地球生物圈，无论是在现在还是在地质时期，寻找有助于在其他地方寻找生命的模拟签名。考虑到从现代和古代地球获得的见解，以及更广泛的假设系外行星的可能性，我们已经编制了一份关于我们目前对潜在系外行星生物特征的理解的最新概述，包括气体，表面和时间生物特征。我们还调查了生物光谱特征，这些特征在专业文献中是众所周知的，但尚未在系外行星生物特征的背景下得到有力的审查。我们简要地回顾了评估生物特征的可行性，包括新的方法来确定化学不平衡，从远程可获得的数据和评估工具，以确定所需的最低生物量为一个给定的大气签名。我们特别关注自Des Marais et al.（2002）的开创性综述以来所取得的进展。这项工作的目的不是提出新的生物签名策略，这是本系列中的配套论文的目标，而是回顾当前的文献，在看似不同的领域之间建立有意义的联系，并为前进的道路扫清道路。
2018-06-25 astro-ph.EP
Laboratory studies on the viability of life in H$_2$-dominated exoplanet atmospheres
在下一代空间和地面望远镜能力的推动下，通过大气“生物特征气体”寻找系外行星生命的理论和观测正在加速。最容易观测到的岩石行星大气层是那些以分子氢气为主的大气层，因为H $_2$ -气体的低密度导致了大气层的膨胀。然而，生命承受这种外来环境的能力还没有在这种情况下得到检验。我们证明，单细胞微生物（$\textit{E. coli}$和酵母），通常不栖息H $_2$为主的环境中可以生存和生长在100% H $_2$的气氛。我们还描述了由$\textit{E. coli}$产生的数十种不同气体的惊人多样性，包括许多已经被提出作为潜在生物特征气体的气体（例如，一氧化二氮、氨、甲硫醇、二甲硫、硫化羰和异戊二烯）。这项工作证明了实验室实验的实用性，可以更好地确定哪些类型的外星环境可以容纳某种形式的可能可检测的生命。
2020-05-07 astro-ph.EP astro-ph.IM q-bio.QM
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE): XIII. The Value of Combining Thermal Emission and Reflected Light for the Characterization of Earth Twins
本研究评估了HWO和LIFE两项空间任务分别及协同表征无云类地孪生行星的潜力，发现联合反演可精准约束大气参数与生物标志物，最大化科学产出，助力系外生命搜寻。
2024-06-18 astro-ph.EP astro-ph.IM
The Viability of Life in Helium-Dominated Exoplanet Atmospheres
Massachusetts Institute of Technology（麻省理工学院）；Wroclaw University of Science and Technology（弗罗茨瓦夫科技大学）；JJ Scientific（JJ科学）
该研究通过实验室证据论证，以氦为主的大气是岩质系外行星上可行的生命环境，还能增强生物特征的光谱可探测性。
2026-08-18 astro-ph.EP
The Futility of Exoplanet Biosignatures
本文论证了在缺乏生命基础理论的情况下，通过共有特征探测系外行星生物特征信号是徒劳的，并提出四个研究领域以识别生命的明确特征。
2022-05-16 astro-ph.EP astro-ph.IM q-bio.OT
Risks for life on habitable planets from superflares of their host stars
我们探讨了地球、太阳系其他行星和系外行星演化史上超级耀斑的一些后果。我们认为，最强大的超级耀斑可以作为灭绝事件的合理驱动因素，它们的周期性可能对应于陆地化石多样性记录中的某些模式。另一方面，较弱的超级耀斑可能在通过形成关键有机化合物实现生命起源方面发挥积极作用。超级耀斑也可能被证明对当今火星和M矮星和K矮星宜居带中的系外行星上复杂生命的进化非常有害。我们的结论是，超级耀斑带来的风险还没有得到足够的重视，人类可能会在未来$\sim 10^3$年目睹超级耀斑事件，导致毁灭性的经济和技术损失。鉴于与我们的分析相关的许多不确定性和假设，我们建议应谨慎看待这些结果。
2017-10-16 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
Magnetodynamo Lifetimes for Rocky, Earth-Mass Exoplanets with Contrasting Mantle Convection Regimes
我们使用了一个铁的核心的热模型来计算在地球质量的岩石行星，以确定发电机的寿命和强度与不同的地幔构造制度，地面温度，和核心属性的行星的敏感性magnetodynamo演化。在核幔边界（CMB）的热流来自于地幔对流的数值模型与粘性/假塑性流变学，捕捉板状构造的现象。我们的热演化模型预测了地球的长寿命（~8 Gyr）场和具有板块构造的地球质量系外行星的类似发电机演化。升高的地面温度和压力依赖的地幔粘度都降低了CMB热流，但只产生稍微长寿命的发电机（~8-9.5 Gyr）。具有相对较低CMB热流的单板（“停滞盖”）行星产生长寿命（~10.5 Gyr）发电机。这些较弱的发电机可以停止数十亿年，随后由于与内核增长相关的额外熵产生而重新激活，这可能解释了今天金星上没有磁场。我们还表明，发电机的操作是敏感的初始温度，大小和固相线的行星的核心。这些依赖性将严重挑战任何试图根据磁场的存在或不存在来区分具有板块构造和停滞盖的系外行星的尝试。
2013-04-09 astro-ph.EP
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE): VI. Detecting rocky exoplanets in the habitable zones of Sun-like stars
虽然以前的研究表明，人们强烈倾向于未来的中红外调零干涉仪太空任务，以探测M矮星周围HZ范围内的行星，在这里，我们将重点放在一个更保守的方法来实现可居住性的概念，并给出两个恒星样本的产额估计，这些恒星样本由邻近的（d <20 pc）类太阳恒星组成（4800 - 6300 K）和附近的FGK型恒星（3940 - 7220 K）。我们的产量估计是基于最近从开普勒任务和我们的LIFE系外行星观测模拟工具LIFEsim中得出的岩石行星的出现率，其中包括所有主要的天体物理噪音源，但尚未有仪器噪音源。根据开普勒结果的悲观或乐观推断，我们发现在2.5年的搜索阶段，LIFE可检测约10 - 16（平均）或约5 - 34（包括1个$σ$不确定性）岩石行星（0.5 - 1.5 R ${}_\rm{Earth}$），在类太阳恒星的乐观HZ范围内，在~4 - 6（平均）或~1 - 13之间（包括1个$σ$不确定性）外地球候选者（EEC），假设四个收集器航天器装备有2 m反射镜，保守的仪器吞吐量为5%。对于D = 3.5 m或1 m的反射镜，产率$Y$变化强烈，近似遵循$Y \propto D^{3/2}$。随着FGK型恒星样本的增加，在乐观的HZ和~5 - 8（平均）EEC范围内，产量增加到~16 - 22（平均）岩石行星。此外，我们发现，除了镜子的直径，产量强烈依赖于总吞吐量，但只有微弱的exozodia…
2022-10-19 astro-ph.EP astro-ph.IM
Observing spatial and temporal variations in the atmospheric chemistry of rocky exoplanets: prospects for mid-infrared spectroscopy
University of Bern（伯尔尼大学）；SETI Institute（SETI研究所）；Blue Marble Space Institute of Science（蓝大理石空间科学研究所）；ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）
研究LIFE望远镜检测类地系外行星大气4D变化的能力，通过合成观测探讨不同自转轨道共振状态下的大气特征及光谱变化，强调相位分辨光谱对可靠参数推断的重要性。
2025-12-18 astro-ph.EP
Exoplanets - search methods, discoveries, and prospects for astrobiology
尽管太阳系拥有火星和木卫二，是我们所知的寻找化石/现存生命的最佳候选者--基于复杂的碳化合物和液态水--但截至2008年9月15日，已知围绕其他恒星的263个（非脉冲星）行星系可能拥有更多可能存在生命的行星。此外，这些系外行星系统的数量正在稳步增长，随着这种增长，可能承载碳-液态水生命的行星数量也在增加。在这篇简短的评论中，概述了发现系外行星的主要方法，然后介绍了迄今为止的发现。然后讨论了可居住性，并概述了如何从远处研究行星以确定它是否适合居住，以及它是否确实有人居住。这篇评论是针对天体生物学社区，它跨越了许多学科，其中很少涉及系外行星。因此，它处于基本水平，集中于主要专题。
2009-01-14 astro-ph.EP
Estimating survival probability using the terrestrial extinction history for the search for extraterrestrial life
到目前为止已经发现了几颗系外行星，下一步是寻找地外生命。然而，很难估计有生命的系外行星的数量，因为我们唯一的模板是基于地球上的生命。本文介绍了一种新的方法，估计的概率，地球上的生命已经生存从出生到现在的基础上，其陆地灭绝的历史。用对数正态函数有效地模拟了显生宙灭绝强度的直方图，支持了陆地灭绝是一个随机倍增过程的观点。假设拟合的函数是单位时间灭绝强度的概率密度函数，估计地球上生命从生命开始到现在的生存概率为~0.15。这个值可以是德雷克方程中$f_i$的一个约束，有助于估计有生命的系外行星的数量。
2020-07-20 astro-ph.EP physics.pop-ph
Possibilities of life around Alpha Centauri B
我们对半人马座阿尔法星B周围潜在的岩石系外行星的可居住性进行了初步评估。我们使用了几个指数：地球相似性指数，光合作用的数学模型和生物生产力模型。考虑到系外行星的大气层与当前地球的大气层相似，我们发现地球相似性指数和生物生产力模型的预测一致。光合作用的数学模型显然失败了，因为它没有明确考虑温度。对于半人马座阿尔法B的情况，几次模拟运行给出了11颗行星在宜居带。应用上述指标，我们选择了五个更容易光合生命的系外行星;表明其中两个原则上比地球有更好的条件适合这种生命。
2014-01-10 astro-ph.EP q-bio.OT
How to Characterize Habitable Worlds and Signs of Life
对围绕其他恒星运行的系外行星的探测彻底改变了我们对宇宙的看法。初步结果表明，它充满了迷人的岩石行星多样性，包括那些在宜居带。即使是离我们最近的恒星，比邻星，也在它的宜居带中拥有一颗小行星，比邻星b。有了下一代望远镜，我们将能够窥视岩石行星的大气层，并瞥见其他世界。使用我们自己的星球及其广泛的生物群作为罗塞塔石碑，我们探索如何在星际距离上探测系外行星的可居住性和生命迹象。目前的望远镜还没有强大到足以描述可居住的系外行星，但已经建造的下一代望远镜将有能力描述附近的可居住世界。关于是什么使行星成为栖息地以及如何探测生命迹象的讨论很活跃。这篇评论将展示最新的结果，如何识别和描述这些可居住世界的挑战，以及不久的将来望远镜将如何彻底改变该领域。在人类历史上，我们第一次开发出了探测潜在宜居世界的技术。发现数以千计的系外行星已经把比较行星学的领域带到了太阳系之外。
2019-11-11 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Precise Transit Photometry Using TESS: Updated Physical Properties for 28 Exoplanets Around Bright Stars
本文利用TESS观测对28颗围绕亮星的系外行星进行高精度光度测量，通过小波去噪和高斯过程回归技术提升信噪比，获得更精确的物理特性数据。
2023-06-05 astro-ph.EP astro-ph.SR
Life on Exoplanets In the Habitable Zone of M-Dwarfs?
在M型矮星周围的宜居带中运行的系外行星一直是寻找生命的主要目标，这是因为主恒星的寿命很长，这些恒星在银河系中的突出性，以及在M型矮星周围发现的明显过多的类地行星。然而，M矮星的恒星活动增强，以及这些系统中经常被潮汐锁定的行星，引发了对这些行星可居住性的质疑。在这封信中，我们研究了可能存在的另一个重大挑战：这些系统似乎缺乏将小行星运送到可居住的类地行星所必需的架构，小行星撞击可能在生命起源中发挥关键作用。产生稳定的小行星带和气体盘消散后小行星的晚期释放的最广泛接受的机制需要在雪线半径之外有一颗巨大的行星。我们发现，没有一个观测到的系统中的行星在其恒星的宜居带也包含一个巨大的行星，因此不太可能有稳定的小行星带。我们认为观测到的巨行星相对于雪线半径的位置是恒星质量的函数，并发现在M矮星周围的雪线半径之外有一群巨行星。因此，M矮星周围的小行星带的形成通常是可能的。然而，我们发现M-矮星周围的多行星系结构可能与大质量恒星周围的结构有很大的不同。
2022-09-06 astro-ph.EP
The Receding Cosmic Shoreline of Mid-to-Late M Dwarfs: Measurements of Active Lifetimes Worsen Challenges for Atmosphere Retention by Rocky Exoplanets
本研究更新了中晚型M矮星的历史XUV注量估算，发现其值更高，仅最大型的这类行星可能保留大气层，还提出了大气保留指标ARM以辅助JWST的目标遴选与结果解读。
2025-05-19 astro-ph.EP astro-ph.SR
The Fate of Exoplanets and the Red Giant Rapid Rotator Connection
我们计算了主序星周围的系外行星同伴的命运，以探索红巨星分支演化过程中其宿主恒星摄入行星的频率。利用已发表的系外行星系统的性质，结合恒星演化模型和Zahn的潮汐摩擦理论，我们模拟了行星轨道随着其宿主恒星的演化而发生的潮汐衰减。大多数目前在其恒星2天文单位内运行的行星预计将在其恒星的红巨星分支上升结束时被吞噬。我们的模型证实，许多凌日行星足够接近它们的母恒星，它们将在恒星的主序星寿命期间被吸积。我们还发现，行星吸积可能在解释神秘的红巨星快速旋转体中发挥重要作用，尽管合适的行星系统似乎不足以解释所有这样的快速旋转体。我们将我们的模型快速旋转和幸存的行星系统与现实生活中的对应系统进行比较，并讨论这项工作对更广泛的系外行星领域的影响。
2010-12-08 astro-ph.EP astro-ph.SR
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE): III. Spectral resolution, wavelength range and sensitivity requirements based on atmospheric retrieval analyses of an exo-Earth
温带类地系外行星可能是常见的天体，但它们的发现和表征非常具有挑战性。正在研究克服这些挑战的优化空间飞行任务的概念。LIFE倡议侧重于开发天基中红外调零干涉仪，探测大量系外行星的热辐射。我们得出的信号噪声比（S/N），光谱分辨率（R），和波长的LIFE要求的第一个估计。使用地球孪生系外行星作为参考案例，我们量化如何以及行星/大气属性可以约束不同质量的MIR光谱。我们模拟的生命观测的地球双胞胎绕着一个G2 V恒星在10 pc的太阳与不同水平的exozodiacal尘埃排放。我们结合了一个无云的一维辐射传输模式和嵌套采样算法，从不同的波长覆盖范围，R，和S/N的输入光谱反演行星/大气的属性。我们发现，如果S/N $\geq$ 10（不确定度$\leq\pm1.0$ dex），H2O、CO2和O3是可检测的。我们发现上限N2 O（丰度$\leq10^{-3}$）。CO、N2和O2在所有情况下均不受约束。CH 4检测限为R $= 50$，S/N $=10$。我们进一步正确地确定了系外行星的半径（不确定度$\leq\pm10\%$），表面温度（不确定度$\leq\pm20$ K）和表面压力（不确定度$\leq\pm0.5$ dex）。采用当前的LIFE设计，达到规定的S/N所需的观测时间为$\sim7$周，孔径为4x 2米。我们得出结论，需要$4-18.5μ$ m的最小波长覆盖，R为50，S/…
2022-03-03 astro-ph.EP astro-ph.IM
Large Interferometer For Exoplanets (LIFE): XII. The Detectability of Capstone Biosignatures in the Mid-Infrared -- Sniffing Exoplanetary Laughing Gas and Methylated Halogens
本文利用 LIFE 任务概念和 LIFEsim 模拟器，研究在中红外波段探测系外行星大气中 N₂O、CH₃Cl 和 CH₃Br 等关键生物标志物所需的观测时间，并据此定义任务科学要求，证明多数场景下这些标志物可被探测。
2024-01-16 astro-ph.EP astro-ph.IM
Finding Signs of Life on Earth-like Planets: High-resolution Transmission Spectra of Earth through time around FGKM stars
在宇宙中寻找生命主要使用现代地球作为模板。然而，我们知道地球的大气成分在地质演化过程中发生了重大变化。最近的发现表明，过境的、可能类似地球的系外行星绕着广泛的宿主恒星运行，这强烈影响着它们的大气成分和远程可探测的光谱。因此，在不同的地质时期围绕不同的宿主恒星过境的陆地系外行星的数据库是支持观测搜索系外行星大气中生命迹象的关键要素。在这里，我们提出了第一个高分辨率的传输光谱数据库的类地行星，围绕着广泛的宿主恒星，在地球历史的四个代表性阶段。这些对应于一个生物前的高二氧化碳世界-大约在地球历史上的39亿年前-和三个时代，通过氧气从0.2%上升到现代大气水平的21%。我们证明，光谱生物特征对O2 + CH 4和O3 + CH 4在大气中过境类地行星将显示一个远程观察员，生物圈存在约1%的现代地球的氧浓度-对应于约1至20亿年前在地球的历史上-所有的宿主恒星。完整的模型和高分辨率透射光谱数据库，覆盖0.4至20微米，用于过境系外行星-从年轻的生命前世界到现代地球-类似物-绕着广泛的宿主恒星运行。它可以作为一种工具来规划和优化我们的观测策略，训练检索方法，并解释即将到来的地面和空间望远镜观测。
2020-10-05 astro-ph.EP astro-ph.SR
Polarized Scattering and Biosignatures in Exoplanetary Atmospheres
在系外行星的背景下计算了行星大气中的偏振散射。偏振辐射转移的问题解决了一般情况下的吸收和散射，而瑞利和米氏偏振散射被认为是最相关的例子。结果表明：（1）单次散射和多次散射的相对贡献依赖于恒星辐射和行星大气中的不透明度;（2）云（3）分子波段的偏振散射增加了系外行星探测的可靠性;（4）在可见光偏振光谱中可以探测到其他行星上的光合生命，灵敏度高。这些例子证明了旋光光谱法在系外行星研究和寻找宇宙生命方面的作用。
2016-07-23 astro-ph.EP physics.ao-ph
Finding Signs of Life in Transit: High-resolution Transmission Spectra of Earth-like Planets around FGKM Host Stars
已经发现了数千颗凌日系外行星围绕着广泛的宿主恒星运行，其中包括第一颗可能与地球相似的行星。即将到来的极大望远镜和詹姆斯韦伯太空望远镜将首次在过境系外行星大气层中寻找生命的特征。在这里，我们量化了过境光谱特征的强度，这些特征可能表明在绕着一个广泛的宿主恒星（F0到M8）的有效温度在2，500到7，000 K之间的系外行星上有一个类似于现代地球的生物圈：由于宿主恒星的大小不同，过境深度在大约6，000 ppm（M8宿主）到30 ppm（F0宿主）之间变化。CO2在0.4 ~ 20 μ m波段具有最强的光谱特征。大气生物特征对O2+ CH 4和O3+ CH 4-确定地球是一颗活行星-在现代地球类似物的凌日光谱中，对于类太阳和较冷的宿主恒星最为突出。评估这些行星上的生物特征和水，即使对于高分辨率观测来说，也是极具挑战性的。所有高分辨率的凌日光谱和模型剖面都可以在线获得：它们为观测者提供了一种工具，可以优先考虑系外行星的透射光谱，测试大气检索算法，并优化观测策略以发现宇宙中的生命。在宇宙中寻找生命的过程中，凌日行星提供了第一个发现我们是否孤独的机会，这个数据库是优化搜索策略的关键之一。
2021-02-24 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Photobombing for the Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). A new criterion for target confusion and application to a MIR rotating nulling interferometer
本文针对LIFE干涉仪提出基于简约性原则的目标混淆与抵消新判据，发现其空间分辨率等效于600米口径传统望远镜，并估算出平均73.4颗宜居行星中71.3颗不受光谱污染。
2025-04-09 astro-ph.EP astro-ph.IM
Mass-loss rates for transiting exoplanets
离其主星轨道距离很小的系外行星受到强烈的高能辐射、X射线和极紫外线的照射。根据行星的质量和密度以及大气加热效率，恒星能量输入可能导致大气质量损失。这些蒸发过程在行星凌日期间的紫外线中可以观察到。目前工作的目的是量化质量损失率（dm/dt）、加热效率（eta）和整个凌日系外行星样本的寿命，现在包括热木星、热海王星和热超级地球。质量损失率和寿命是根据系外行星的“能量图”估算的，该图将行星的引力势能与沉积在大气中的恒星X/EUV能量进行比较。我们估计，在各种保守的假设下，所有探测到的凌日行星的质量损失率都在10^6到10^13 g/s之间。高的加热效率意味着像气体巨星WASP-12 b和WASP-17 b这样的热系外行星可以在1 Gyr内完全蒸发。我们进一步表明，当dm/dt是从观测推断和恒星的X/EUV光度是已知的加热效率可以受到限制。这使我们认为，热木星HD 209458 b的大气中的eta约为100%，而HD 189733 b的eta可能更低。必须同时观测紫外线和X射线的凌日现象，以进一步限制系外行星的外大气层特性。
2011-02-28 astro-ph.EP astro-ph.SR
Earth as an Exoplanet
地球是已知的唯一有生命存在的行星，因此，在太阳系以外寻找可居住和有人居住的行星通常集中在我们星球的类似物上。然而，地球的大气层和地表环境在过去45亿年中发生了巨大的变化。对我们星球的原位地质和地球化学建模研究相结合，提供了对环境的一瞥，虽然在技术上属于我们的地球，但似乎是外星世界。对于现代地球，地面设施，卫星和航天器的观测已经产生了丰富的数据，可用于在系外行星表征的背景下有效地观察我们的星球。然后，将行星和系外行星遥感技术应用于这些数据集，就能够开发探测其他世界上可居住性和生命特征的方法。此外，一系列模型已被用于模拟遥远地球的类外行星数据集，从而提供的见解往往是对现有观测的补充。了解地球可居住和有人居住的无数方式，再加上在遥远的地球上磨练的遥感方法，为识别其他行星系中潜在的生命环境提供了关键指南。
2019-10-16 astro-ph.EP
Starting Life and Searching for Life on Rocky Planets
研究地球上的生命起源和寻找其他行星上的生命是密切相关的。生命起源前的化学情景可以帮助优先考虑行星作为我们所知的生命搜索目标，并可以提供信息丰富的先验知识，帮助我们评估特定光谱特征是生命证据的可能性。起源场景本身的先决条件预测光谱特征。起源研究和寻找地外生命之间的相互作用必须从指导太阳系探索冒险的实验室工作开始，而太阳系的发现则为未来的系外行星观测和实验室研究提供信息。随后的系外行星研究将反过来为关于生命的性质和起源的结论提供统计背景。
2021-08-18 astro-ph.EP
An Information Theory Approach to Identifying Signs of Life on Transiting Planets
本文提出利用信息论分析模拟系外行星透射光谱，作为诊断工具识别类地行星的生命特征，为观测者评估系外行星宜居性提供框架。
2023-10-14 astro-ph.EP astro-ph.IM
