磷化氢作为系外行星大气中的生物标志气体

系外行星研究的一个长期目标是识别并探测生物标志气体。除讨论最多的生物标志气体 O$_2$ 外，仅有少数气体被详细考虑过。在此我们评估磷化氢（PH$_3$）。在地球上，PH$_3$ 与厌氧生态系统相关，因此是缺氧系外行星上一种潜在的生物标志气体。我们模拟了以 CO$_2$ 和 H$_2$ 为主导的宜居类地行星大气。我们发现，根据大气成分和紫外通量，PH$_3$ 可在具有 $10^{10}$–$10^{14}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$ 表面产生通量（对应于数十 ppb 至数百 ppm 的表面浓度）的行星上累积到可探测浓度。尽管较高，此类表面通量与全球陆地 CH$_4$ 产生速率（$10^{11}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$）相当，且低于局地陆地 PH$_3$ 最大产生速率（$10^{14}$ cm$^{-2}$ s$^{-1}$）。与其他气体一样，PH$_3$ 更易在低紫外行星上累积，例如环绕宁静 M 型矮星的行星或具有光化学紫外屏蔽层的行星。若被探测到，PH$_3$ 是一种有前景的生物标志气体，因为在可产生探测所需高通量的类地行星上，它无已知的 abiotic 假阳性。PH$_3$ 还具有 3 个强光谱特征，使得在任何大气情形下，其中 1 个相对于其他主导光谱分子是独特的。PH$_3$ 作为生物标志气体的弱点是其高反应性，需要高通量脱气方可探测。我们估算探测 PH$_3$ 需数十小时 JWST 时间。然而，由于 PH$_3$ 与其他大气重要分子（如 H$_2$O 和 CH$_4$）在相同波长区域有光谱活性，对 PH$_3$ 的搜寻可在不增加观测成本的情况下与对其他系外行星宜居性相关分子的搜寻同时进行。