Сліди вуглекислого газу ведуть вчених до потенційного інопланетного життя

Низький вміст вуглецю в планетарних атмосферах, який може виявити космічний телескоп Джеймса Вебба, може бути ознакою придатності для життя. Вчені з Массачусетського технологічного інституту , Бірмінгемського університету та інших країн кажуть, що найкращий шанс для астрономів знайти рідку воду і навіть життя на інших планетах полягає в тому, щоб шукати відсутність, а не присутність, хімічної особливості в їхній атмосфері.

Дослідники припускають, що якщо планета земної групи має значно менше вуглекислого газу в атмосфері порівняно з іншими планетами тієї ж системи, це може бути ознакою рідкої води — і, можливо, життя — на поверхні цієї планети.

Щобільше, цей новий підпис знаходиться в межах прицілу космічного телескопа Джеймса Вебба (JWST) НАСА . Незважаючи на те, що вчені запропонували інші ознаки придатності для проживання, ці особливості складно, якщо не неможливо, виміряти за допомогою сучасних технологій. Команда каже, що цей нова ознака, відносно збіднений вуглекислий газ, є єдиною ознакою придатності для проживання, яку можна виявити зараз.

«Священний Грааль у науці про екзопланети полягає в тому, щоб шукати придатні для життя світи та наявність життя, але всі особливості, про які досі говорили, були поза межами досяжності новітніх обсерваторій», — каже Жульєн де Віт, доцент кафедри планетарних наук в MIT. «Тепер у нас є спосіб дізнатися, чи є рідка вода на іншій планеті. І це те, до чого ми можемо прийти в найближчі кілька років».

Висновки команди були нещодавно опубліковані в Nature Astronomy. Де Віт керував дослідженням разом з Аморі Тріо з Бірмінгемського університету у Великобританії. Серед їхніх співавторів з Массачусетського технологічного інституту – Бенджамін Рекхем, Праджвал Ніраула, Ана Глідден, Олівер Джаґуц, Матей Печ, Януш Петковскі та Сара Сігер, а також Фрідер Кляйн з Океанографічного інституту Вудс-Хол (WHOI), Мартін Турбе з Еколь Політехніки у Франції та Франк Селсіс з Лабораторії астрофізики Бордо.

За межами мерехтіння

Наразі астрономи виявили понад 5200 світів за межами нашої Сонячної системи. За допомогою сучасних телескопів астрономи можуть безпосередньо виміряти відстань планети до її зірки та час, потрібний їй для завершення орбіти. Ці вимірювання можуть допомогти вченим зробити висновок, чи знаходиться планета в зоні проживання. Але не було жодного способу прямо підтвердити, чи справді планета придатна для життя, тобто чи існує рідка вода на її поверхні.

У всій нашій Сонячній системі вчені можуть виявити наявність рідких океанів, спостерігаючи за «блисками» — спалахами сонячного світла, які відбиваються від поверхонь рідини. Ці відблиски, або дзеркальні відбиття, спостерігалися, наприклад, на найбільшому супутнику Сатурна , Титані, що допомогло підтвердити наявність великих озер на Місяці.

Проте виявлення подібного мерехтіння на далеких планетах недосяжне за допомогою сучасних технологій. Але де Віт і його колеги зрозуміли, що неподалік від дому є ще один житловий елемент, який можна виявити у віддалених світах.

«Ідея прийшла до нас, коли ми спостерігали, що відбувається з планетами земної групи в нашій системі», — каже Тріо.

Венера, Земля та Марс мають схожість у тому, що всі три є скелястими та населяють відносно помірний регіон щодо Сонця. Земля — єдина планета з цієї трійки, на якій зараз є рідка вода. І команда відзначила ще одну очевидну відмінність: в атмосфері Землі значно менше вуглекислого газу.

«Ми припускаємо, що ці планети були створені подібним чином, і якщо зараз ми бачимо одну планету з набагато меншим вмістом вуглецю, вона, мабуть, кудись поділася», — говорить Тріо. «Єдиний процес, який може видалити стільки вуглецю з атмосфери, — це потужний водний цикл, що включає океани рідкої води».

Дійсно, океани Землі відіграють важливу й постійну роль у поглинанні вуглекислого газу. За сотні мільйонів років океани поглинули величезну кількість вуглекислого газу, майже рівну тій кількості, яка зберігається в атмосфері Венери сьогодні. Цей ефект планетарного масштабу залишив атмосферу Землі значно збідненою вуглекислого газу порівняно з її планетарними сусідами.

«На Землі велика частина вуглекислого газу в атмосфері була поглинена в морській воді та твердих породах протягом геологічного періоду часу, що допомогло регулювати клімат і придатність для життя протягом мільярдів років», — каже співавтор дослідження Фрідер Кляйн.

Команда подумала, що якби подібне зменшення вуглекислого газу було виявлено на далекій планеті відносно її сусідів, це було б надійним сигналом про рідкі океани та життя на її поверхні.

«Після ретельного перегляду літератури з багатьох галузей, від біології до хімії та навіть поглинання вуглецю в контексті зміни клімату, ми вважаємо, що справді, якщо ми виявимо виснаження вуглецю, це має хороші шанси бути сильною ознакою рідкої води та /або життя», — каже де Віт.

Дорожня карта до життя

У своєму дослідженні команда викладає стратегію виявлення населених планет шляхом пошуку сигнатур збідненого вуглекислого газу. Такий пошук найкраще працюватиме для систем «горох у стручку», в яких кілька планет земної групи приблизно однакового розміру обертаються відносно близько одна до одної, подібно до нашої Сонячної системи. Перший крок, який пропонує команда, полягає в тому, щоб підтвердити, що планети мають атмосфери, просто шукаючи наявність вуглекислого газу, який, як очікується, буде домінувати в більшості планетарних атмосфер.

«Вуглекислий газ є дуже сильним поглиначем інфрачервоного випромінювання, і його можна легко виявити в атмосферах екзопланет», — пояснює де Віт. «Сигнал вуглекислого газу може виявити наявність атмосфери екзопланети».

Коли астрономи визначать, що кілька планет у системі мають атмосферу, вони можуть перейти до вимірювання вмісту в них вуглекислого газу, щоб побачити, чи одна планета має значно менше, ніж інші. Якщо це так, планета, швидше за все, придатна для життя, тобто на її поверхні є значні масиви рідкої води.

Але придатні для життя умови не обов’язково означають, що планета заселена. Щоб перевірити, чи насправді може існувати життя, команда пропонує астрономам шукати іншу особливість атмосфери планети: озон.

На Землі дослідники відзначають, що рослини та деякі мікроби сприяють поглинанню вуглекислого газу, хоча й не так сильно, як океани. З усім тим, як частина цього процесу, форми життя виділяють кисень, який реагує з фотонами сонця, перетворюючись на озон — молекулу, яку набагато легше виявити, ніж сам кисень.

Дослідники кажуть, що якщо в атмосфері планети є ознаки як озону, так і збідненого вуглекислого газу, це, швидше за все, придатний для життя та населений світ.

«Якщо ми побачимо озон, досить висока ймовірність того, що він пов’язаний із вуглекислим газом, який споживається життям», — говорить Тріо. «І якщо це життя, то це чудове життя. Це були б не лише кілька бактерій. Це була б біомаса планетарного масштабу, яка здатна переробляти величезну кількість вуглецю та взаємодіяти з ним».

За оцінками команди, космічний телескоп НАСА імені Джеймса Вебба зможе вимірювати вуглекислий газ і, можливо, озон у сусідніх мультипланетних системах, таких як TRAPPIST-1 — система із семи планет, яка обертається навколо яскравої зірки, всього за 40 світлових років. із Землі.

«TRAPPIST-1 — одна з небагатьох систем, де ми могли б проводити дослідження земної атмосфери за допомогою JWST», — каже де Віт. «Тепер у нас є дорожня карта для пошуку населених планет. Якщо ми всі працюватимемо разом, протягом наступних кількох років можна буде зробити відкриття, які змінять парадигму».