Кузены Земли: будущие миссии будут искать "биосигнатуры" в атмосферах близлежащих миров

Ответы на некоторые вопросы о том, каким образом будущие миссии собираются искать жизнь на землеподобных экзопланетах.

Об этом говорится в пресс-релизе Вашингтонского университета.

Учеными обнаружены тысячи экзопланет, включая десятки планет земной группы – скалистые миры – в жилых зонах вокруг их родительских звезд. Перспективным подходом к поиску признаков жизни в этих мирах является исследование атмосфер экзопланет на "биосигнатуры" – необычности химического состава, которые являются сигнальными признаками жизни. Например, благодаря фотосинтезу наша атмосфера почти на 21% состоит из кислорода, гораздо выше, чем ожидалось, учитывая состав Земли, орбиту и родительскую звезду.

Поиск биосигнатур – не простая задача. Чтобы узнать об атмосферах экзопланет, ученые используют данные о том, как атмосферы экзопланет взаимодействуют со светом своей родительской звезды. Но информация, или спектры, которые они могут собрать с помощью сегодняшних наземных или космических телескопов, слишком ограничена для непосредственного измерения атмосфер или выявления биосигнатур.

Исследователи экзопланет, такие как профессор астрономии из Вашингтонского университета Виктория Медоуз, сосредоточены на том, как будущие обсерватории, такие как космический телескоп Джеймса Вебба (JWST), могли бы проводить измерения в атмосферах экзопланет. Виктория Медоуз, являющаяся также директором Виртуальной планетарной обсерватории Вашингтонского университета, рассказывает, какие данные смогут собирать эти новые обсерватории и что они смогут раскрыть об атмосферах планет земной группы, землеподобных экзопланетах:

Какие изменения происходят в сфере исследования экзопланет?

В следующие пять-десять лет мы потенциально будем иметь первый шанс наблюдать за атмосферами планет земной группы. Это связано с тем, что появятся новые обсерватории, в том числе космический телескоп Джеймса Вебба и наземные обсерватории, такие как Чрезвычайно большой телескоп. Большая часть наших недавних работ в Виртуальной планетарной лаборатории, а также работы коллег из других учреждений, были сосредоточены на моделировании того, как будут «выглядеть» землеподобные экзопланеты с JWST и наземных телескопов. Это позволяет нам понять спектры, которые будут получать эти телескопы, и что те данные скажут, а что не скажут нам о атмосферы тех экзопланет.

Какие типы экзопланетных атмосфер смогут охарактеризовать JWST и другие миссии?

Наши цели – это, на самом деле, избранная группа экзопланет, находящихся поблизости – в пределах 40 световых лет – и вращающихся вокруг очень маленьких, прохладных звезд. Для справки, миссия Кеплера идентифицировала экзопланеты вокруг звезд, находящихся на расстоянии более 1000 световых лет. Меньшие звезды-носители также помогают нам получать лучшие сигналы о том, с чего созданы планетарные атмосферы, поскольку тонкий слой планетарной атмосферы может блокировать больше света меньшей звезды.

Поэтому, существует несколько экзопланет, на которых мы сосредотачиваемся, чтобы искать признаки обитаемости и жизни. Все они были идентифицированы наземными исследованиями, такими как TRAPPIST и его преемник, SPECULOOS – оба управляемые Льежским университетом, – так и проект MEarth, которым руководит Гарвардский университет. Самые известные экзопланеты этой группы - это, скорее, семь планет земной группы, вращающиеся вокруг TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 - это звезда М-карлик – одна из самых маленьких из тех, которые могут быть звездами и остаются ими, – и семь ее экзопланет, которые простираются вглубь жилой зоны и за ее пределы, из них три – в жилой зоне.

Мы определили TRAPPIST-1 как лучшую систему для изучения, поскольку эта звезда является настолько малой, что мы можем получать достаточно большие и информативные сигналы из атмосферы этих миров. Все они – кузены Земли, но с совершенно другой родительской звездой, поэтому будет очень интересно посмотреть, какая у них атмосфера.

Что вы уже узнали о атмосферах экзопланет TRAPPIST-1?

Астрономическое сообщество проводило наблюдение за системой TRAPPIST-1, но мы не увидели ничего, кроме "невыявления". Это, все еще, может нам многое сказать. Например, наблюдения и модели позволяют предположить, что в атмосферах этих экзопланет реже доминирует водород, самый легкий элемент. Это означает, что они либо вообще не имеют атмосферы, или имеют относительно высокую плотность, как Земля.

Атмосферы вообще нет? Что могло это вызвать?

Звезды M-карлики имеют совсем другую историю, чем наше собственное Солнце. После своего детства, солнцеподобные звезды со временем светлеют по мере того, как они подвергаются синтезу.

M-карлики становятся большими и яркими, когда они гравитационно разрушаются до того размера, который они будут иметь в течение большей части своей жизни. Поэтому, планеты вокруг М-карликов могли подвергаться высокоинтенсивной светимости в течение длительных периодов времени – возможно, в течение миллиарда лет. Это может лишить планету ее атмосферы, но вулканическая активность также может пополнять атмосферу. Исходя из их плотности, мы знаем, что во многих мирах TRAPPIST-1, вероятно, есть резервуары соединений – на гораздо более высоких уровнях, чем на Земле, – которые могут пополнять атмосферу. Первыми значимыми результатами JWST для TRAPPIST-1 будут: Какие миры сохранили атмосферу? И какие это типы атмосферы?

Я спокойно и оптимистично отношусь к тому, что у них действительно есть атмосфера через те резервуары, которые мы все еще обнаруживаем. Но я готова удивиться данным.

Какие типы сигналов будет искать JWST и другие обсерватории в атмосферах экзопланет TRAPPIST-1?

Наверное, самым простым для поиска сигналом будет наличие углекислого газа.

Является ли CO2 биосигнатом?

Не сам по себе, и не только с одного сигнала. Я всегда говорю своим ученикам – смотрите справа, смотрите налево. И Венера, и Марс имеют атмосферу с высоким содержанием CO2, но жизни на них нет.

В атмосфере Земли уровень CO2 регулируется в зависимости от сезонов года. Весной уровень снижается, когда вырастают растения и выводят СО2 из атмосферы. Осенью растения погибают и СО2 поднимается. Поэтому, если вы видите сезонные циклы, это может быть биосигнатурой. Но сезонные наблюдения очень маловероятны с JWST.

Зато JWST может искать другую потенциальную биосигнатуру – метан в присутствии СО2. Метан, как правило, имеет короткий срок жизни в присутствии CO2. Поэтому, если мы обнаружим обоих вместе, возможно, что-то активно вырабатывает метан. На Земле большая часть метана в нашей атмосфере производится жизнью.

Что насчет выявления кислорода?

Кислород сам по себе не является биосигнатурой. Он зависит от своих уровней и того, что еще находится в атмосфере. У вас может образоваться богатая кислородом атмосфера, например, от потери океана: свет разбивает молекулы воды на водород и кислород. Водород попадает в космос, а кислород накапливается в атмосфере.

JWST, вероятно, не будет непосредственно улавливать кислород от кислородного фотосинтеза – биосферы, к которому мы сейчас привыкли. Чрезвычайно большой телескоп и связанные с ним обсерватории, возможно, смогут это сделать, потому что они будут смотреть на волны других длин, чем JWST, где они будут иметь больше шансов увидеть кислород. JWST будет лучшим для выявления биосфер, аналогичным тем, что мы имели на Земле миллиарды лет назад, и для разграничения различных типов атмосфер.

Каковы некоторые из различных типов атмосфер, которые могут иметь экзопланеты TRAPPIST-1?

Фаза высокой светимости М-карлика может привести планету к атмосфере с убегающим парниковым эффектом, как у Венеры. Как я уже говорила ранее, вы можете потерять океан и иметь атмосферу, богатую кислородом. Третья возможность – иметь нечто более подобное Земле.

Давайте поговорим об этой второй возможности. Как JWST может обнаружить атмосферу, богатую кислородом, если он не может обнаружить кислород непосредственно?

Красота JWST в том, что он может улавливать процессы, которые происходят в атмосфере экзопланеты. Он уловит сигнатуры столкновений между молекулами кислорода, которые чаще случатся в богатой кислородом атмосфере. Поэтому мы, скорее всего, не сможем увидеть количество кислорода, связанного с фотосинтетической биосферой. Но если в результате потери океана осталось гораздо большее количество кислорода, мы сможем увидеть столкновения кислорода в спектре, и это, вероятно, признак того, что экзопланета потеряла океан.

Итак, JWST вряд ли даст нам убедительные доказательства биосигнатур, но может предоставить определенные намеки, требующие дальнейших действий и – двигаясь вперед – размышления о новых миссии за пределами JWST. NASA уже рассматривает новые миссии. Какими мы хотели бы, чтобы были их возможности?

Это также подводит меня к очень важному моменту: наука о экзопланетах в значительной степени является междисциплинарной. Понимание окружающей среды этих миров требует учета орбиты, состава, истории и звезды-хозяина – и требует труда астрономов, геологов, ученых-атмосферников, звездных ученых. Чтобы понять планету, нужно целый городок.

Читайте еще интересные новости о космосе.