Что нужно, чтобы найти жизнь? Поиски биосигнатур во Вселенной⁠⁠

Грядет новое поколение супертелескопов - строятся огромные наземные и космические обсерватории, которые позволят нам непосредственно наблюдать атмосферы отдаленных миров. Мы знаем, что на Земле есть жизнь, и мы видим доказательства этому в ее атмосфере. Можем ли мы сделать то же самое с внесолнечными планетами? Оказывается, выбрать единую биосигнатуру, химическое вещество в атмосфере, которое абсолютно точно говорит о том, что в этом мире есть жизнь, действительно тяжело.

Астробиологи изо всех сил пытаются разобраться и найти единственную биосигнатуру, которая может быть использована, чтобы сказать, что там есть жизнь. Но естественные процессы, похоже, имеют хитрые способы обмануть нас.

Экзопланета HD 189733 в представлении художника:

Каковы некоторые потенциальные биосигнатуры, почему они сомнительны, и что потребуется, чтобы доказать их значениее?

Начнем с мира, близкого к нам: Марс. Почти два десятилетия назад астрономы обнаружили выбросы метана в атмосфере Марса. У нас, на Земле, метан производят живые существа, такие как бактерии и, например, коровы. Кроме того, метан легко разрушается солнечным светом, а это означает, что это не древний метан, накопившийся миллиарды лет назад. Какие-то процессы на Марсе постоянно пополняют его.

Но что это за процессы?

Следует отметить, что метан может образоваться не биологическим путем, а в процессе вулканической деятельности.

NASA попыталось разобраться с этим вопросом с помощью марсоходов, Curiosity имеет инструменты на борту, чтобы найти источник метана.

В течение нескольких месяцев Curiosity обнаружил повышение метана на поверхности, но это вызвало споры. Оказывается, сам ровер несет метан и может загрязнить область вокруг себя. Возможно, обнаруженный метан исходил именно от него. Также возможно, что рядом упал метеорит и высвободил некоторое количество газа, который загрязнил результаты.

Миссия Европейского космического агентства и Роскосмоса ExoMars прибыла на Марс в октябре 2016 года. Хотя посадочный модуль Schiaparelli погиб, орбитальный аппарат Trace Gas Orbiter пережил путешествие и начал подробно описывать атмосферу Марса, ища места, которые могли бы выделять метан.

Таким образом, у нас есть флотилия орбитальных и посадочных аппаратов на Марсе, оснащенная инструментами, призванными вынюхивать самый слабый запах метана на Красной планете.

Есть некоторые намеки на то, что уровень метана на Марсе, кажется, поднимается и падает в зависимости от времен года, что может указывать на жизнь, но астробиологи все еще сомневаются в этом. Нужны убедительные доказательства.

Некоторые телескопы уже могут изучать атмосферы планет, вращающихся вокруг других звезд. В течение последнего десятилетия космический телескоп Spitzer собирал «образчики» атмосферы разных миров. Например карту "горячего юпитера" HD 189733b.

Это, конечно, жуткое местечко. Но главное – мы можем довольно эффективно изучить его атмосферу, С помощью очень точных измерений, определяются химические вещества в спектре звезды, когда планета проходит перед ней, а затем – когда планеты на диске звезды нет. Это показывает, какие химические вещества принадлежат атмосфере планеты.

Карта температур HD 189733b по данным телескопа "Спитцер" (NASA):

Удалось также изучить атмосферу HAT-P-26b, относительно небольшой нептуноподобной планеты, также вращающейся очень близко к своей звезде. Ученые были удивлены, обнаружив водяной пар в ее атмосфере.

Означает ли это, что там есть жизнь? На Земле вода – основа и постоянный спутник жизни. Но вы легко можете получить жидкую воду, не имея жизни.

Готовящийся к запуску NASA в 2019 году космический телескоп им. Джеймса Уэбба (JWST) должен поднять эти исследования на новый уровень, позволяя астрономам изучать атмосферы многих других миров с гораздо более высоким разрешением.

Одной из первых целей для него будет система TRAPPIST-1 с ее полудюжинами планет, вращающихся в обитаемой зоне красной карликовой звезды. JWST будет иметь возможность обнаруживать озон, метан и другие потенциальные биосигнатуры.

Поверхность экзопланеты TRAPPIST-1f в представлении художника:

Итак, что же требуется для того, чтобы иметь возможность смотреть на далекий мир и точно знать, что там есть жизнь?

Астробиолог Джон Ли Гренфелл из Немецкого аэрокосмического центра недавно рассмотрел все возможные биосигнатуры и проанализировал вероятность того, что они будут свидетельством жизни в другом мире.

Первым кандидатом на эту роль будет молекулярный кислород, или O2. Вы дышите им прямо сейчас. Он составляет 21% каждого вдоха. Кислород продержится в атмосфере другого мира в течение тысяч лет без источника.

Он производится здесь, на Земле, в процессе фотосинтеза, но если планета подвергается сильному действию звездного ветра, теряя атмосферу, тогда водород сдувается в космос, а молекулярный кислород может оставаться, хотя атмосфера не будет пригодна для дыхания. Другими словами, вы не можете быть уверены в любом случае.

Ну а, например, озон, то есть O3? O2 превращается в O3 через химические процессы в атмосфере. Он тоже выглядит хорошим кандидатом, но проблема в том, что существуют естественные небиологические процессы, которые также могут привести к образованию озона. На Венере есть озоновый слой, как и на Марсе, и даже вокруг ледяных лун в Солнечной системе.

Следующий кандидат - закись азота, также известная как «веселящий газ». Она производится бактериями в почве и участвует в круговороте азота в природе Земли. И Земля, кажется, единственный мир Солнечной системы, который имеет закись азота в своей атмосфере. Но ученые также разработали модели, в которых это химическое вещество могло образоваться в ранней истории Земли, когда ее богатый серой океан взаимодействовал с азотом. Фактически, и Венера, и Марс могли пройти аналогичный цикл. Другими словами, закись азота в атмосфере может означать как признаки жизни, так и просто молодую планету.

Разобрав, как было описано выше, случай с метаном, астробиологи предложили как варианты другие углеводороды, такие как этан, изопрен, но у них тоже есть свои проблемы.

Море Лигеи на Титане, спутнике Сатурна. Оно заполнено жидкими углеводородами, такими как метан и этан:

Еще один возможный вариант для поиска - загрязнения, производимые технически развитыми цивилизациями. Астробиологи называют это «техносигнатурами», и они могут включать такие вещи, как хлорфторуглероды или ядерные осадки. Но опять же, эти химические вещества будет трудно обнаружить на расстоянии многих световых лет.

Может быть, следует тогда искать мертвые планеты, чтобы установить базовый уровень, точку отсчета? Это были бы планеты, расположенные в обитаемой зоне, но так и не развившие жизнь. Просто камень, вода и небиологически созданная атмосфера.

Проблема в том, что мы, вероятно, даже не можем понять, как подтвердить, что мир мертв. Химические вещества, которые вы ожидаете увидеть в атмосфере такой планеты, например углекислый газ, могут поглощаться океанами, поэтому вы даже не можете сделать отрицательное подтверждение.

Один возможный метод поиска может даже не включать исследование атмосферы планеты. Растительность здесь на Земле отражает обратно очень специфическую длину волны света в области 700-750 нанометров – она соответствует ближнему инфракрасному излучению. Астробиологи называют это «красным краем» или «красным барьером фотосинтеза»,

Хотя сегодня у нас еще нет столь мощных телескопов, есть еще некоторые действительно умные идеи на будущее, например, посмотреть на то, как свет от планеты отражается на ее луне, и анализировать это. То есть - искать экзопланетный пепельный свет.

Фактически, еще в ранней истории Земли это явление выглядело бы более фиолетовым из-за архейских бактерий.

Большая группа космических аппаратов и наземных обсерваторий могут помочь нам продвинуться дальше в этом вопросе. Так, миссия Gaia от ESA собирается изучить и описать 1% звезд в Млечном Пути, а также обнаруживать тысячи планет для дальнейшего наблюдения. Работа транзитного космического телескопа TESS начнется в 2018 году и призвана найти в нашем районе все транзитные экзопланеты возле ярких звезд. Миссия PLATO 2 найдет скалистые миры в обитаемой зоне, и JWST сможет изучить их атмосферу. Мы также надеемся на гигантский космический телескоп LUVOIR, который может появиться в 2030-х годах, и вывести эти наблюдения на новый уровень.

Предполагаемый вид транзитного космического телескопа TESS:

В разработке есть еще много космических и наземных обсерваторий.

Когда следующее поколение телескопов вступит в строй и мы будем способны непосредственно изучать атмосферу земель, обращающихся вокруг других звезд, астробиологи будут изо всех сил пытаться найти биосигнатуры, которые четко укажут на существование там жизни.

Вместо уверенности, похоже, у нас будет такая же борьба, чтобы понять, что мы видим. Астрономы будут не соглашаться друг с другом, разрабатывая новые методы и новые инструменты для ответа на нерешенные вопросы.

Это займет какое-то время, и неопределенность тоже будет долгой. Но помните, это, наверное, самый важный научный вопрос, который каждый может задать: одиноки ли мы во Вселенной?

Ответа стоит ждать.

Источник: https://vk.com/space_live

Пост висит там уже давно, удивило, что сюда его еще никто не скинул. Или я просто не нашел