광합성 거주 가능성에 대한 불가지론적 머신러닝 모델

외계 행성 생체 신호(biosignatures) 탐색은 행성 환경이 광합성을 유지할 수 있는지 여부에 따라 가이드됩니다. 이에 따라, 최근 광합성 거주 가능 구역(Photosynthetic Habitable Zone, PHZ)이 제안되었는데, 이는 표준 거주 가능 구역과 항성 복사 조도가 광합성을 유도하기에 충분한 궤도 범위 사이의 중첩 영역을 의미합니다. 기존의 PHZ 추정치는 지구 피토플랑크톤(phytoplankton)의 경험적 빛-반응 곡선(light-response curves)에 의존하며, 따라서 암묵적인 지구 중심적 편향(Earth-centric biases)을 포함하고 있습니다. 우리는 모델 생물에 대한 참조 없이, 열역학 및 산화환원 화학(redox chemistry)에 기반한 광합성의 일반화된 모델로부터 도출된 불가지론적(agnostic) PHZ를 소개합니다. 이 모델은 광자 포획(photon capture)이 공여 분자의 산화와 CO2의 환원을 결합하는 일반적인 광화학 반응(photochemical reaction)을 바탕으로 구축되었습니다. 광학적 특성과 CO2 환원율은 자연 선택에 의한 진화를 모방하는 유전 알고리즘(genetic algorithm)을 사용하여, 주계열성(main-sequence stars)을 공전하는 외계 행성의 복사 스펙트럼(irradiance spectra)에 맞춰 최적화되었습니다. 우리의 시뮬레이션은 광합성 생명체가 더 큰 빛 수확 구조(light-harvesting structures)를 진화시킴으로써 감소된 플럭스(flux)를 보상할 것이라고 예측합니다. 그 결과, 항성 플럭스가 제곱에 비례하여 감소함에도 불구하고, 광합성 생존 가능성은 궤도 거리와 함께 선형적으로만 감소합니다. 따라서 이 불가지론적 PHZ는 이전의 지구 기반 추정치를 훨씬 넘어 확장됩니다. 지구와 유사한(가시광선) 산소 발생 광합성(oxygenic photosynthesis)은 차가운 M-왜성(M-dwarf stars)의 외곽 거주 가능 구역에서 플럭스 제한(flux-limited)을 받습니다. 그러나 무산소 광합성(anoxygenic photosynthesis)과 가설적인 근적외선(NIR) 구동 산소 발생 광합성 모두 M, K, G형 항성의 전체 거주 가능 구역에서 생존 가능합니다. 이는 M-왜성 외계 행성이 강력한 산소 발생 광합성을 유지할 수 있음을 시사하지만, 이는 지구에서 발견되는 것과는 다를 것이며, 가시광선보다는 근적외선(NIR) 대역에서 반사 생체 신호(reflectance biosignatures)를 나타낼 것입니다.