Кузени Землі: майбутні місії шукатимуть "біосигнатури" в атмосферах довколишніх світів

Відповіді на деякі питання щодо того, яким чином майбутні місії збираються шукати життя на земле-подібних екзопланетах.

Про це говориться в прес-релізі Вашингтонського університету.

Вченими виявлено тисячі екзопланет, включаючи десятки планет земної групи – скелястих світів – в жилих зонах навколо їхніх батьківських зірок. Перспективним підходом до пошуку ознак життя у цих світах є дослідження атмосфер екзопланет на "біосигнатури" – незвичності хімічного складу, що є сигнальними ознаками життя. Наприклад, завдяки фотосинтезу наша атмосфера майже на 21% складається з кисню, що набагато вище, ніж очікувалося, враховуючи склад Землі, орбіту та батьківську зірку.

Пошук біосигнатур – не проста задача. Щоб дізнатися про атмосфери екзопланет, вчені використовують дані про те, як атмосфери екзопланет взаємодіють зі світлом своєї батьківської зірки. Але інформація, або спектри, які вони можуть зібрати за допомогою сьогоденних наземних чи космічних телескопів, занадто обмежена для безпосереднього вимірювання атмосфер або виявлення біосигнатур.

Дослідники екзопланет, такі як професор астрономії з Вашингтонського університету Вікторія Медоуз, зосереджені на тому, як майбутні обсерваторії, такі як космічний телескоп Джеймса Вебба (JWST), могли б проводити вимірювання в атмосферах екзопланет. Вікторія Медоуз, яка також є директором Віртуальної планетарної обсерваторії Вашингтонського університету, розповідає, які дані зможуть збирати ці нові обсерваторії та що вони зможуть розкрити щодо атмосфер планет земної групи, земле-подібних екзопланет:

Які зміни відбуваються у сфері дослідження екзопланет?

В наступні п’ять-десять років ми потенційно матимемо перший шанс спостерігати за атмосферами планет земної групи. Це пов’язано з тим, що з’являться нові обсерваторії, у тому числі космічний телескоп Джеймса Вебба та наземні обсерваторії, такі як Надзвичайно великий телескоп. Більша частина наших нещодавніх робіт у Віртуальній планетарній лабораторії, а також роботи колег з інших установ, були зосереджені на моделюванні того, як «виглядатимуть» земле-подібні екзопланети з JWST та наземних телескопів. Це дозволяє нам зрозуміти спектри, які отримуватимуть ці телескопи, і що ті дані скажуть, а що не скажуть нам про атмосфери тих екзопланет.

Які типи екзопланетних атмосфер зможуть охарактеризувати JWST та інші місії?

Наші цілі – це, насправді, обрана група екзопланет, які знаходяться поблизу – в межах 40 світлових років – і обертаються навколо дуже маленьких, прохолодних зірок. Для довідки, місія Кеплера ідентифікувала екзопланети навколо зірок, які знаходяться на відстані понад 1000 світлових років. Менші зірки-носії також допомагають нам отримувати кращі сигнали про те, з чого створені планетарні атмосфери, оскільки тонкий шар планетарної атмосфери може блокувати більше світла меншої зірки.

Тож, існує кілька екзопланет, на яких ми зосереджуємося, щоби шукати ознаки життєпридатності та життя. Всі вони були ідентифіковані наземними дослідженнями, такими як TRAPPIST та його наступник, SPECULOOS – обидва керовані Льєжським університетом, – так і проект MEarth, яким керує Гарвардський університет. Найвідоміші екзопланети цієї групи – це, скоріше, сім планет земної групи, що обертаються навколо TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 – це зірка М-карлик – одна з найменших з тих, що можуть бути зірками і залишаються ними, – та сім її екзопланет, які простягаються вглиб жилої зони та за її межі, з них три – в жилій зоні.

Ми визначили TRAPPIST-1 як найкращу систему для вивчення, оскільки ця зірка є настільки малою, що ми можемо отримувати достатньо великі та інформативні сигнали з атмосфери цих світів. Всі вони – кузени Землі, але із зовсім іншою батьківською зіркою, тому буде дуже цікаво подивитися, яка у них атмосфера.

Що ви вже дізналися про атмосфери екзопланет TRAPPIST-1?

Астрономічне співтовариство проводило спостереження за системою TRAPPIST-1, але ми не побачили нічого, окрім "невиявлення". Це, все ще, може нам багато чого сказати. Наприклад, спостереження та моделі дозволяють припустити, що в атмосферах цих екзопланет рідше домінує водень, найлегший елемент. Це означає, що вони або взагалі не мають атмосфери, або мають відносно високу щільність, як Земля.

Атмосфери взагалі немає? Що могло це спричинити?

Зірки M-карлики мають зовсім іншу історію, ніж наше власне Сонце. Після свого дитинства, сонце-подібні зірки з часом світлішають у міру того, як вони піддаються синтезу.

M-карлики стають великими та яскравими, коли вони гравітаційно руйнуються до того розміру, який вони матимуть протягом більшої частини свого життя. Отже, планети навколо М-карликів могли піддаватися високо-інтенсивній світності впродовж тривалих періодів часу – можливо, впродовж мільярду років. Це може позбавити планету її атмосфери, але вулканічна активність також може поповняти атмосферу. Виходячи з їх щільності, ми знаємо, що в багатьох світах TRAPPIST-1, ймовірно, є резервуари сполук – на набагато вищих рівнях, ніж на Землі, – які можуть поповнювати атмосферу. Першими значущими результатами JWST для TRAPPIST-1 будуть: Які світи зберегли атмосферу? Та які це типи атмосфери?

Я спокійно оптимістично відношуся до того, що у них дійсно є атмосфера через ті резервуари, які ми все ще виявляємо. Але я готова здивуватися даним.

Які типи сигналів шукатимуть JWST та інші обсерваторії в атмосферах екзопланет TRAPPIST-1?

Напевно, найпростішим для пошуку сигналом буде наявність вуглекислого газу.

Чи CO2 є біосигнатом?

Не сам по собі, і не лише з одного сигналу. Я завжди кажу своїм учням – дивіться праворуч, дивіться ліворуч. І Венера, і Марс мають атмосферу з високим вмістом CO2, але життя на них немає.

В атмосфері Землі рівень CO2 регулюється залежно від сезонів року. Навесні рівень знижується, коли виростають рослини і виводять СО2 з атмосфери. Восени рослини гинуть і СО2 піднімається. Тож, якщо ви бачите сезонні цикли, це може бути біосигнатурою. Але сезонні спостереження є дуже малоймовірними із JWST.

Натомість JWST може шукати іншу потенційну біосигнатуру – метан у присутності СО2. Метан, зазвичай, має короткий термін життя в присутності CO2. Тож, якщо ми виявимо обох разом, можливо, щось активно виробляє метан. На Землі більша частина метану в нашій атмосфері виробляється життям.

Що стосовно виявлення кисню?

Кисень сам по собі не є біосигнатурою. Він залежить від своїх рівнів і того, що ще знаходиться в атмосфері. У вас може утворитися багата на кисень атмосфера, наприклад, від втрати океану: світло розбиває молекули води на водень і кисень. Водень потрапляє в космос, а кисень накопичується в атмосфері.

JWST, ймовірно, не буде безпосередньо вловлювати кисень від кисневого фотосинтезу – біосфери, до якої ми зараз звикли. Надзвичайно великий телескоп та пов’язані з ним обсерваторії, можливо, зможуть це зробити, тому що вони будуть дивитись на хвилі інших довжин, ніж JWST, де вони матимуть більше шансів побачити кисень. JWST буде кращим для виявлення біосфер, аналогічних тим, що ми мали на Землі мільярди років тому, та для розмежування різних типів атмосфер.

Якими є деякі з різноманітних типів атмосфер, що можуть мати екзопланети TRAPPIST-1?

Фаза високої світимості М-карлика може привести планету до атмосфери із втікаючим парниковим ефектом, як у Венери. Як я вже казала раніше, ви можете втратити океан і мати атмосферу, багату киснем. Третя можливість – мати дещо більш подібне Землі.

Давайте поговоримо про цю другу можливість. Як JWST може виявити атмосферу, багату киснем, якщо він не може виявити кисень безпосередньо?

Краса JWST в тому, що він може вловлювати процеси, які відбуваються в атмосфері екзопланети. Він вловить сигнатури зіткнень між молекулами кисню, які частіше трапляться в багатій на кисень атмосфері. Тож ми, скоріш за все, не зможемо побачити кількість кисню, пов’язаного з фотосинтетичною біосферою. Але якщо внаслідок втрати океану залишилося набагато більша кількість кисню, ми зможемо побачити зіткнення кисню в спектрі, і це, ймовірно, знак того, що екзопланета втратила океан. 

Отже, JWST навряд чи надасть нам переконливі докази біосигнатур, але може надати певні натяки, що потребують подальших дій та – рухаючись вперед – роздуми про нові місії поза межами JWST. NASA вже розглядає нові місії. Якими ми хотіли б, щоб були їхні можливості?

Це також підводить мене до дуже важливого моменту: наука про екзопланети у значній мірі є міждисциплінарною. Розуміння навколишнього середовища цих світів вимагає врахування орбіти, складу, історії та зірки-господаря – і потребує праці астрономів, геологів, вчених-атмосферників, зоряних вчених. Щоб зрозуміти планету, потрібне ціле містечко.

Читайте ще цікаві новини про космос.