В июне астрономы сообщили о разочаровывающем открытии: космический телескоп Джеймса Уэбба не смог обнаружить плотную атмосферу вокруг скалистой планеты TRAPPIST-1 C, экзопланеты в одной из самых манящих планетных систем в поисках инопланетной жизни.
Это открытие последовало за аналогичными новостями о соседней планете TRAPPIST-1 B, еще одной планете в системе TRAPPIST-1. Вокруг тусклой красной звезды планеты расположены семь скалистых миров, некоторые из которых находятся в обитаемой зоне — на таком расстоянии от звезды, где на их поверхности может существовать жидкая вода и процветать потусторонняя жизнь.
Что потребуется, чтобы обнаружить эту жизнь, если она существует, вопрос не новый. Но благодаря JWST это наконец-то стало практичным. В ближайшие несколько лет телескоп сможет увидеть атмосферы нескольких многообещающих планет, вращающихся вокруг далеких звезд. В химическом составе этих атмосфер могут быть скрыты первые намеки на жизнь за пределами нашей Солнечной системы. Это представляет собой сложную проблему: что можно считать истинным химическим признаком жизни?
«Вы пытаетесь взять очень мало информации о планете и сделать потенциально весьма глубокий вывод, меняющий наш взгляд на всю Вселенную», — говорит планетолог Джошуа Криссансен-Тоттон из Вашингтонского университета.
Чтобы обнаружить такую биосигнатуру, ученые должны найти умные способы работы с ограниченной информацией, которую они могут получить, наблюдая за экзопланетами.
Химические вещества в контексте
Даже самые мощные телескопы, включая JWST, почти никогда не «видят» экзопланеты — по большому счету, астрономы знают эти далекие миры только по мерцанию их звезд.
Вместо того, чтобы наблюдать за планетами напрямую, астрономы направляют свои телескопы на звезды и ждут, пока планеты «пройдут транзитом» или пройдут между их Солнцем и телескопом. Когда планета проходит транзитом, немного звездного света проникает через ее атмосферу и затемняет звезду на определенных длинах волн, в зависимости от химических веществ в атмосфере. Результирующие провалы и пики яркости звезды подобны химическому штрих-коду транзитной планеты.
Когда планета находится перед своей звездой, часть звездного света поглощается молекулами в атмосфере планеты. Телескоп, наведенный на звезду, наблюдает свет, который не поглощается; это создает спектр с провалами, в которых свет отсутствует. Выше каждый провал — это подпись конкретной молекулы в спектре гипотетической экзопланеты, похожей на Землю.
Возможно, самый интуитивный способ найти биосигнатуру в этом штрих-коде — поискать в нем газ, который явно был произведен жизнью. Какое-то время ученые считали, что кислород, которого на Земле много в результате фотосинтеза, служит отдельной биосигнатурой. Но кислород может возникнуть в результате других процессов: например, солнечный свет может расщеплять воду в атмосфере планеты.
И эта проблема не уникальна для кислорода — большинство газов, которые производят живые существа, могут возникать и без жизни. Поэтому вместо того, чтобы рассматривать отдельные газы как самостоятельные биосигнатуры, сегодня ученые склонны рассматривать их в контексте.
Метан, например, может производиться как с жизнью, так и без нее. Сама по себе эта биосигнатура не будет убедительной. Но обнаружение вместе метана и кислорода «было бы чрезвычайно интересно», говорит ученый-планетолог Робин Вордсворт из Гарвардского университета; очень трудно создать такую комбинацию без жизни. Аналогичным образом, работа Криссансен-Тоттон и его коллег недавно показала, что обнаружение метана вместе с нужным количеством других газов, таких как углекислый газ, было бы трудно объяснить без жизни.
Наблюдение за тем, как атмосфера экзопланеты меняется с течением времени, также может предоставить ценный контекст, который может усилить слабые в противном случае биосигнатуры. Например, сезонные колебания концентрации озона могут быть отпечатком жизни, сообщили ученые в 2018 году.
Сюрпризы, а не предположения
«Конечно, если вы ищете отдельные газы, такие как кислород или метан, то в это встроены предположения о том, какой тип жизни существует где-то еще», — говорит Криссансен-Тоттон. «Поэтому некоторые ученые разрабатывают агностические биосигнатуры, которые не предполагают, что биохимия инопланетян будет чем-то похожа на биохимию Земли».
Одной из возможных агностических биосигнатур является степень химической «удивительности» атмосферы экзопланеты — то, что ученые называют химическим неравновесием.
Атмосфера, близкая к равновесию, была бы химически неинтересна, что-то вроде закрытой колбы с газом в лаборатории. Конечно, нет такой скучной планеты, как лабораторная колба. Химические реакции в атмосфере планеты могут вызываться ее звездами, а геологические процессы, такие как вулканическая активность, могут усиливать неравновесие и, таким образом, увеличивать химическую удивительность атмосферы.
Жизнь также может выводить планеты из равновесия. И если предположить, что инопланетная жизнь производит какие-то газы, они могут отодвинуть атмосферу планеты гораздо дальше от равновесия, чем это было бы в противном случае. Однако неравновесие само по себе «не является однозначным показателем».
В 2016 году Криссансен-Тоттон и его коллеги рассчитали тепловое неравновесие атмосферы каждой планеты Солнечной системы и спутника Сатурна Титана. По этому показателю атмосфера Земли выделялась как экстремальная, но только если в расчеты были включены океаны. Если игнорировать взаимодействие с океаном, атмосфера Земли на самом деле ближе к равновесию, чем атмосфера Марса.
«Тем не менее, даже если это не может указывать на биологию, обнаружение атмосферы экзопланеты, далекой от равновесия, подскажет астрономам, что происходит что-то интересное», — говорит Криссансен-Тоттон. «Что-то, что драматично изменяет атмосферу, и нам нужно это понять».
ARSTechnica
Источник
