In this work, the viability of the detection of methane produced by microbial activity in low-temperature hydrothermal vents on an Archean-Earth-like exoplanet in the habitable zone is explored via a simplified bottom-up approach using a toy model. By simulating methanogens at hydrothermal vent sites in the deep ocean, biological methane production for a range of substrate inflow rates was determined and compared to literature values. These production rates were then used, along with a range of ocean floor vent coverage fractions, to determine likely methane concentrations in the simplified atmosphere. At maximum production rates, a vent coverage of 4-15 × 10-4 % (roughly 2000-6500 times that of modern Earth) is required to achieve 0.25% atmospheric methane. At minimum production rates, 100% vent coverage is not enough to produce 0.25% atmospheric methane. NASA's Planetary Spectrum Generator was then used to assess the detectability of methane features at various atmospheric concentrations. Even with future space-based observatory concepts (such as LUVOIR and HabEx), our results show the importance of both mirror size and distance to the observed planet. Planets with a substantial biomass of methanogens in hydrothermal vents can still lack a detectable, convincingly biological methane signature if they are beyond the scope of the chosen instrument. This work shows the value of coupling microbial ecological modeling with exoplanet science to better understand the constraints on biosignature gas production and its detectability.

中文翻译：

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将低温热液喷口系统中的甲烷生成与行星光谱联系起来：太古宙类地系外行星上的甲烷生物特征。

在这项工作中，通过使用玩具模型的简化的自下而上方法，探索了在可居住区类地太古宙系外行星的低温热液喷口中检测微生物活动产生的甲烷的可行性。通过模拟深海热液喷口处的产甲烷菌，确定了一系列底物流入率的生物甲烷产量，并与文献值进行了比较。然后使用这些生产率以及一系列海底喷口覆盖率来确定简化大气中可能的甲烷浓度。在最大生产率下，要达到 0.25% 的大气甲烷含量，需要 4-15 × 10-4 % 的喷口覆盖率（大约是现代地球的 2000-6500 倍）。在最低生产率下，100% 的通风口覆盖率不足以产生 0。25% 大气甲烷。NASA 的行星光谱发生器随后被用于评估各种大气浓度下甲烷特征的可探测性。即使采用未来的天基天文台概念（例如 LUVOIR 和 HabEx），我们的结果也显示了反射镜尺寸和与被观测行星的距离的重要性。在热液喷口中具有大量产甲烷生物量的行星，如果它们超出了所选仪器的范围，仍然可能缺乏可检测的、令人信服的生物甲烷特征。这项工作展示了将微生物生态模型与系外行星科学相结合的价值，以更好地理解对生物特征气体生产及其可检测性的限制。然后使用行星光谱发生器评估各种大气浓度下甲烷特征的可检测性。即使采用未来的天基天文台概念（例如 LUVOIR 和 HabEx），我们的结果也显示了反射镜尺寸和与被观测行星的距离的重要性。在热液喷口中具有大量产甲烷生物量的行星，如果它们超出了所选仪器的范围，仍然可能缺乏可检测的、令人信服的生物甲烷特征。这项工作展示了将微生物生态模型与系外行星科学相结合的价值，以更好地理解对生物特征气体生产及其可检测性的限制。然后使用行星光谱发生器评估各种大气浓度下甲烷特征的可检测性。即使采用未来的天基天文台概念（例如 LUVOIR 和 HabEx），我们的结果也显示了反射镜尺寸和与被观测行星的距离的重要性。在热液喷口中具有大量产甲烷生物量的行星，如果它们超出了所选仪器的范围，仍然可能缺乏可检测的、令人信服的生物甲烷特征。这项工作展示了将微生物生态模型与系外行星科学相结合的价值，以更好地理解对生物特征气体生产及其可检测性的限制。在热液喷口中具有大量产甲烷生物量的行星，如果它们超出了所选仪器的范围，仍然可能缺乏可检测的、令人信服的生物甲烷特征。这项工作展示了将微生物生态模型与系外行星科学相结合的价值，以更好地理解对生物特征气体生产及其可检测性的限制。在热液喷口中具有大量产甲烷生物量的行星，如果它们超出了所选仪器的范围，仍然可能缺乏可检测的、令人信服的生物甲烷特征。这项工作展示了将微生物生态模型与系外行星科学相结合的价值，以更好地理解对生物特征气体生产及其可检测性的限制。