Pomimo tysięcy egzoplanet odkrytych przez astronomów w ostatnich latach, ustalenie, czy któreś z nich nadają się do zamieszkania, jest dużym wyzwaniem. Ponieważ nie możemy badać tych planet bezpośrednio, naukowcy zmuszeni są szukać pośrednich wskazań. Są one znane jako biosignatury, które składają się z chemicznych produktów ubocznych, które kojarzymy z życiem organicznym pojawiających się w atmosferze planety.
Nowe badanie przeprowadzone przez zespół naukowców z NASA proponuje nową metodę wyszukiwania potencjalnych oznak życia poza naszym Układem Słonecznym. Kluczowe jest, jak zalecają, wykorzystanie częstych burz gwiezdnych ze strony chłodnych, młodych gwiazd karłów. Burze te zrzucają ogromne chmury materiału gwiezdnego i promieniowanie w przestrzeń, oddziałując z atmosferami egzoplanet i wytwarzając biosignatury, które można wykryć.
Badanie zatytułowane „Atmosferyczne sygnalizatory życia z egzoplanet wokół gwiazd G i K” pojawiło się niedawno w Raporty naukowe dotyczące przyrody. Zespół kierowany przez Vladimira S. Airapetiana, starszego astrofizyka z Heliophysics Science Division (HSD) w NASA Goddard Space Flight Center, zespół obejmował członków z NASA Langley Research Center, Science Systems and Applications Incorporated (SSAI) oraz American University .
Tradycyjnie naukowcy szukali oznak tlenu i metanu w atmosferach egzoplanetowych, ponieważ są to dobrze znane produkty uboczne procesów organicznych. Z czasem gazy te kumulują się, osiągając ilości, które można wykryć za pomocą spektroskopii. Takie podejście jest jednak czasochłonne i wymaga od astronomów spędzania dni na obserwowaniu widm z odległej planety.
Jednak według Airapetian i jego współpracowników możliwe jest szukanie ostrzejszych podpisów na potencjalnie zamieszkałych światach. Takie podejście opierałoby się na istniejących technologiach i zasobach i zajmowałoby znacznie mniej czasu. Jak wyjaśnił Airapetian w komunikacie prasowym NASA:
„Szukamy cząsteczek powstałych z podstawowych warunków życia - w szczególności azotu cząsteczkowego, który stanowi 78 procent naszej atmosfery. Są to podstawowe cząsteczki, które są biologicznie przyjazne i mają silną moc emitującą podczerwień, zwiększając nasze szanse na ich wykrycie. ”
Wykorzystując życie na Ziemi jako szablon, Airapetian i jego zespół opracowali nową metodę wyszukiwania lub oznaczania produktów ubocznych pary wodnej, azotu i tlenu w atmosferze egzoplanet. Prawdziwą sztuczką jest jednak wykorzystanie ekstremalnych zjawisk pogodowych w przestrzeni kosmicznej, które występują przy aktywnych gwiazdach karłowatych. Wydarzenia te, które narażają atmosferę planet na wybuchy promieniowania, powodują reakcje chemiczne, na które astronomowie mogą wpływać.
Jeśli chodzi o gwiazdy takie jak nasze Słońce, żółty karzeł typu G, takie zdarzenia pogodowe są powszechne, gdy są jeszcze młode. Jednak inne żółte i pomarańczowe gwiazdy pozostają aktywne przez miliardy lat, wytwarzając burze energetycznie naładowanych cząstek. A gwiazdy typu M (czerwony karzeł), najczęstszy typ we Wszechświecie, pozostają aktywne przez całe swoje życie, okresowo poddając swoje planety mini-rozbłyskom.
Kiedy osiągają one egzoplanetę, reagują z atmosferą i powodują chemiczne dysocjacje azotu (N²) i tlenu (O²) na pojedyncze atomy, a pary wodnej na wodór i tlen. Rozbity atom azotu i tlenu powoduje następnie kaskadę reakcji chemicznych, które wytwarzają hydroksyl (OH), więcej tlenu cząsteczkowego (O) i tlenek azotu (NO) - co naukowcy nazywają „latarniami atmosferycznymi”.
Kiedy światło gwiazd uderza w atmosferę planety, te cząsteczki nawigacyjne absorbują energię i emitują promieniowanie podczerwone. Badając poszczególne długości fal tego promieniowania, naukowcy są w stanie określić, jakie pierwiastki chemiczne są obecne. Siła sygnału tych pierwiastków wskazuje również na ciśnienie atmosferyczne. Podsumowując, te odczyty pozwalają naukowcom określić gęstość i skład atmosfery.
Przez dziesięciolecia astronomowie używali również modelu do obliczania, w jaki sposób ozon (O³) powstaje w atmosferze ziemskiej z tlenu wystawionego na promieniowanie słoneczne. Korzystając z tego samego modelu - i łącząc go z kosmicznymi zjawiskami pogodowymi, które są oczekiwane od chłodnych, aktywnych gwiazd - Airapetian i jego koledzy starali się obliczyć, ile tlenku azotu i hydroksylu powstanie w atmosferze podobnej do Ziemi i ile ozonu zostanie zniszczonych .
Aby to osiągnąć, sprawdzili dane z misji NASA Thermosphere Ionosphere Mesoshere Energetics Dynamics (TIMED), która od lat bada powstawanie sygnałów nawigacyjnych w ziemskiej atmosferze. W szczególności wykorzystali dane z jego sondowania atmosfery za pomocą instrumentu szerokopasmowej radiometrii emisyjnej (SABRE), co pozwoliło im symulować, w jaki sposób obserwacje w podczerwieni tych latarni mogą pojawiać się w atmosferach egzoplanetowych.
Jak powiedział Martin Mlynczak, główny badacz SABRE w Langley Research Center NASA i współautor artykułu:
„Biorąc to, co wiemy o promieniowaniu podczerwonym emitowanym przez ziemską atmosferę, chodzi o przyjrzenie się egzoplanetom i sprawdzenie, jakie sygnały możemy wykryć. Jeśli znajdziemy sygnały egzoplanety w prawie takiej samej proporcji jak sygnały Ziemi, możemy powiedzieć, że planeta jest dobrym kandydatem do życia ”.
Odkryli, że częstotliwość intensywnych burz gwiezdnych była bezpośrednio związana z siłą sygnałów cieplnych pochodzących z nadajników atmosferycznych. Im więcej burz występuje, tym więcej powstaje cząsteczek nawigacyjnych, generując sygnał wystarczająco silny, aby można go było zaobserwować z Ziemi za pomocą teleskopu kosmicznego, i na podstawie zaledwie dwóch godzin czasu obserwacji.
Odkryli również, że ten rodzaj metody może wyeliminować egzoplanety, które nie posiadają ziemskiego pola magnetycznego, które naturalnie oddziałują z naładowanymi cząsteczkami ze Słońca. Obecność takiego pola gwarantuje, że atmosfera planety nie zostanie usunięta, a zatem jest niezbędna do zamieszkania. Jak wyjaśnił Airapetian:
„Planeta potrzebuje pola magnetycznego, które osłania atmosferę i chroni planetę przed burzami gwiazd i promieniowaniem. Jeśli wiatry gwiezdne nie są tak ekstremalne, aby ściskać pole magnetyczne egzoplanety blisko jej powierzchni, pole magnetyczne zapobiega ucieczce atmosferycznej, więc w atmosferze jest więcej cząstek i mocniejszy wynikowy sygnał podczerwieni ”.
Ten nowy model jest istotny z kilku powodów. Z jednej strony pokazuje, w jaki sposób badania, które umożliwiły szczegółowe badania atmosfery ziemskiej i jej interakcji z pogodą kosmiczną, są teraz kierowane na badania egzoplanet. Jest to również ekscytujące, ponieważ może pozwolić na nowe badania możliwości egzystencji egzoplanet wokół pewnych klas gwiazd - od wielu rodzajów gwiazd żółtych i pomarańczowych po chłodne gwiazdy czerwonych karłów.
Czerwone karły są najczęstszym rodzajem gwiazd we Wszechświecie, odpowiadając za 70% gwiazd w galaktykach spiralnych i 90% w galaktykach eliptycznych. Co więcej, na podstawie ostatnich odkryć astronomowie szacują, że gwiazdy czerwonych karłów najprawdopodobniej będą miały układ planet skalistych. Zespół badawczy przewiduje również, że instrumenty kosmiczne nowej generacji, takie jak Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, zwiększą prawdopodobieństwo znalezienia planet nadających się do zamieszkania przy użyciu tego modelu.
Jak powiedział William Danchi, starszy astrofizyk Goddard i współautor badania:
„Nowe spojrzenie na potencjał życia na egzoplanetach zależy krytycznie od badań interdyscyplinarnych, w których wykorzystuje się dane, modele i techniki z czterech działów naukowych NASA Goddard: heliofizyki, astrofizyki, nauk planetarnych i ziemskich. Ta mieszanka tworzy unikalne i potężne nowe ścieżki dla badań egzoplanet. ”
Do czasu, gdy będziemy mogli badać egzoplanety bezpośrednio, każdy rozwój, który sprawia, że biosignatury są bardziej widoczne i łatwiejsze do wykrycia, jest niezwykle cenny. W nadchodzących latach Project Blue i Breakthrough Starshot mają nadzieję przeprowadzić pierwsze bezpośrednie badania systemu Alpha Centauri. Ale tymczasem ulepszone modele, które pozwalają nam badać niezliczone inne gwiazdy pod kątem potencjalnie mieszkalnych egzoplanet, są złote!
Nie tylko znacznie poprawią nasze zrozumienie tego, jak powszechne są takie planety, ale mogą po prostu skierować nas w kierunku jednej lub więcej Ziem 2.0!
