Самый верный и легко заметный признак жизни на Земле может быть космическим отвлекающим маневром вокруг других миров.
В поисках жизни за пределами Солнечной системы имеет смысл искать мир, похожий на наш. Мы давно надеялись найти мир размером с Землю вокруг звезды, подобной Солнцу, на правильном расстоянии для жидкой воды в качестве нашего первого шага, и, имея уже тысячи планет в нашей казне, мы очень близки. Но не в каждом мире с правильными физическими свойствами будет жизнь; нам нужна дополнительная информация, чтобы знать, действительно ли потенциально обитаемый мир населен.
Следующим шагом будет анализ атмосферы планеты на предмет земных признаков: потенциальных признаков жизни. Земная комбинация атмосферных газов кислород, водяной пар, углекислый газ и многое другое - по атмосферным газам . Но новое исследование, проведенное командой планетолога доктора Сары Хёрст, ставит это под сомнение. Даже миры, богатые кислородом, могут не стать прибежищем для инопланетян, а самозванцем, способным обмануть всех нас.
Научная история о том, как достичь этой точки, увлекательна и ближе к тому, чтобы стать реальностью, чем когда-либо прежде. Мы можем понять, как это происходит, представив себя инопланетянами, смотрящими на наше Солнце с большого расстояния и пытающимися определить, есть ли на нем обитаемый мир.
Измеряя небольшие изменения частоты солнечного света в течение длительных периодов времени, мы могли бы сделать вывод о гравитационном влиянии планет на них. Этот метод обнаружения известен либо методом лучевой скорости, либо методом звездного колебания, и может сообщить нам информацию о массе планеты и периоде обращения. Большинство ранних (до Кеплера) экзопланет были обнаружены с помощью этой техники, и это до сих пор лучший из имеющихся у нас методов как для определения массы планет, так и для подтверждения существования экзопланет-кандидатов.
Нам также необходимо знать размер планеты. Только по звездному колебанию мы будем знать только то, какова масса мира относительно угла наклона его орбиты. Мир с массой Земли мог бы хорошо подходить для жизни, если бы у него была земная атмосфера, но он мог бы быть катастрофическим для жизни, если бы это был железоподобный мир без атмосферы вообще или с низкой плотностью, пухлый мир с большой газовой оболочкой.
Транзитный метод, при котором планета проходит перед своей родительской звездой, является нашим самым продуктивным методом измерения радиуса планеты. Подсчитав, сколько света родительской звезды она блокирует, когда пересекает луч нашего зрения, мы можем определить ее размер. Инопланетную цивилизацию, чья линия прямой видимости была правильно совмещена с Землей, вращающейся вокруг Солнца, мы смогли бы обнаружить с помощью технологии, которая всего на 20% более чувствительна, чем Кеплер.
Это примерно то, где мы находимся сегодня. Мы обнаружили сотни миров, которые, как мы подозреваем, вращаются вокруг своих звезд, и многие из них размером с Землю. Для большей части из них мы измерили их массу, радиус и период обращения, при этом небольшой процент находится на правильном орбитальном расстоянии, чтобы иметь температуру, близкую к земной.
Большинство из них вращаются вокруг красных карликов - самого распространенного класса звезд во Вселенной - что означает, что силы должны приливно блокировать их: одна и та же сторона всегда должна быть обращена к звезде. Эти звезды часто вспыхивают, создавая опасность для любой потенциальной атмосферы на этих мирах.
Но значительная их часть будет вращаться вокруг звезд класса K, G или F, где они могут вращаться вокруг своей оси, поддерживать атмосферу и иметь потенциал для земной жизни. Вот где мы хотим искать.
И именно к этому нас надеются технологии будущего. Если бы более крупный кеплероподобный телескоп был оснащен соответствующими инструментами, мы могли бы разделить свет, проходящий через атмосферу экзопланеты во время транзита, и определить его атомный и молекулярный состав. Если бы мы смотрели на Землю, мы могли бы определить, что она состоит из азота, кислорода, аргона, водяного пара и углекислого газа, а также других следов.
Даже без идеального выравнивания будет возможна прямая визуализация. Потенциальные флагманские миссии НАСА, такие как HabEx или LUVOIR (со звездной тенью или коронографом), могут блокировать свет родительской звезды и напрямую обнаруживать свет от планеты, вращающейся по орбите. Этот свет можно снова разбить на отдельные длины волн, определяя его молекулярный состав.
Будь то из поглощения (переход) или излучения (прямая визуализация), мы могли бы узнать, из чего состоит атмосфера потенциального близнеца Земли.
А что, если мы найдем мир, богатый кислородом? Никакие другие известные нам планеты, карликовые планеты, луны или другие объекты не содержат даже 1% кислорода. Атмосфера Земли трансформировалась почти за 2 миллиарда лет, прежде чем содержание кислорода в ней стало сравнимо с современным, и именно анаэробные жизненные процессы создали нашу современную атмосферу, богатую молекулярным кислородом. Из-за того, как легко кислород разрушается ультрафиолетовым светом и как трудно производить его в больших количествах с помощью неорганических химических процессов, кислород долгое время считался единственной биосигнатурой, на которую мы могли положиться, чтобы указать на живой мир.
Если бы и там были обнаружены органические молекулы, это казалось бы верным признаком того, что жизнь действительно должна зародиться на такой планете.
И здесь в игру вступают новые открытия лаборатории Хёрста. В статье, только что опубликованной в журнале ACS Earth and Space Chemistry, специально сконструированная камера, имитирующая среду туманной атмосферы экзопланеты, показала, что молекулярный кислород (O2) может быть создан в ряде условий окружающей среды, которые, вероятно, происходят естественным образом, без жизни. необходимо для его создания.
Гениальный метод заключался в том, чтобы создать газовую смесь, которая соответствовала бы тому, что, как мы ожидаем, могло бы содержаться в земной или суперземной среде. Затем эту смесь поместили в специально сконструированную камеру и подвергли воздействию различных температур, давлений и условий подачи энергии, которые, вероятно, имитировали бы активность, которая могла бы происходить на реальных экзопланетах.
В общей сложности использовалось девять различных газовых смесей при температурах от 27 °C (80 °F) до примерно 370 °C (700 °F), что соответствует диапазону температур, ожидаемому в естественных условиях. Инжекция энергии происходила в двух разных формах: от ультрафиолетового света и от разрядов плазмы, которые представляют собой естественные условия, которые, вероятно, вызваны солнечным светом или молниеносной активностью.
Результаты? Было несколько сценариев, которые приводили к производству как органических молекул (таких как предшественники сахара и аминокислот), так и кислорода, но для их получения вообще не требовалось никакой жизни. По словам первого автора Чао Хэ,
Люди предполагали, что совместное присутствие кислорода и органических веществ указывает на существование жизни, но мы создали их абиотически в нескольких симуляциях. Это говорит о том, что даже совместное присутствие общепринятых биосигнатур может быть ложноположительным для жизни.
Эксперимент также не был тщательно подобранным планом, чтобы попытаться получить такой ложноположительный результат. Газы внутри камеры были спроектированы так, чтобы имитировать содержимое известных экзопланетных атмосфер, а инжекция ультрафиолетовой энергии предназначена для имитации солнечного света. Эксперименты моделировали различные атмосферные среды (богатые водородом, водой и углекислым газом), и все они создавали частицы дымки и производили органические молекулы, такие как цианистый водород, ацетилен и метанимин.
Множественные среды генерировали органические молекулы, пребиотические молекулы-предшественники и кислород одновременно при температурах, близких к земным, а также при гораздо более высоких температурах. В самой статье основной вывод излагается очень кратко:
Наши лабораторные результаты показывают, что сложная атмосферная фотохимия может происходить в различных атмосферах экзопланет и приводить к образованию новых газообразных продуктов и частиц дымки, включая соединения (O2 и органические вещества), которые могут быть ложно идентифицированы как биосигнатуры.
Количество молекулярного кислорода, произведенного в этих экспериментах, по некоторым показателям было относительно небольшим; Сама Хёрст не назвала бы атмосферу, созданную в лаборатории, «богатой кислородом». Но, тем не менее, возможно, что эти процессы вылились бы в богатую кислородом атмосферу на экзопланете при наличии правильных условий и достаточного времени. На данный момент кажется возможным, что обнаружение присутствия как органического, так и молекулярного кислорода может быть связано исключительно с абиотическими, нежизненными процессами.
Это не означает, что найти мир, похожий на Землю, с богатой кислородом атмосферой не будет невероятно интересно; точно будет. Это не означает, что обнаружение органических молекул, совпадающих с кислородом, не будет убедительным; это будет открытием, достойным восхищения. Это даже не означает, что это не будет свидетельствовать о жизни; мир с кислородом и органическими молекулами вполне может быть переполнен живыми организмами. Но это означает, что мы должны быть осторожны.
Исторически, когда мы смотрели в небо в поисках свидетельств жизни за пределами Земли, мы руководствовались надеждой и тем, что мы знаем о Земле. Теории о динозаврах на Венере или о каналах на Марсе все еще остаются в нашей памяти, и мы должны быть осторожны, чтобы следы внеземного кислорода не привели нас к ложно оптимистичным выводам. Теперь мы знаем, что как абиотические процессы, так и процессы, зависящие от жизни, могут создавать богатую кислородом атмосферу.
Сложной проблемой будет распутывание потенциальных причин, когда мы на самом деле найдем нашу первую богатую кислородом экзопланету, похожую на Землю. Нашей наградой, если мы добьемся успеха, будет знание того, действительно ли мы нашли жизнь вокруг другой звезды.