Nadchodzą supertelescopy, ogromne naziemne i kosmiczne obserwatoria, które pozwolą nam bezpośrednio obserwować atmosferę odległych światów. Wiemy, że na Ziemi istnieje życie, a nasza atmosfera opowiada tę historię, więc czy możemy zrobić to samo z planetami pozasłonecznymi? Okazuje się, że wymyślenie jednego biosignatury, substancji chemicznej w atmosferze, która mówi ci, że tak, absolutnie, życie na tym świecie jest naprawdę trudne.
Muszę przyznać, że byłam z tego powodu bardzo zła. W starych odcinkach Astronomy Cast i Cotygodniowym Hangoucie Kosmicznym, nawet tutaj w Przewodniku po kosmosie, powiedziałem, że jeśli moglibyśmy po prostu spróbować atmosfery odległego świata, moglibyśmy z przekonaniem powiedzieć, czy jest tam życie.
Po prostu wykryj ozon w atmosferze, metan, a nawet zanieczyszczenia, a możesz powiedzieć „tam jest życie”. Przyszły Fraser jest tutaj, by poprawić przeszłość Frasera. Choć podziwiam jego naiwny entuzjazm w poszukiwaniu kosmitów, okazuje się, że jak zawsze rzeczy będą trudniejsze, niż wcześniej sądziliśmy.
Astrobiologowie tak naprawdę starają się znaleźć biosignaturę z jednym pistoletem do palenia, której można by użyć do stwierdzenia, że istnieje życie. A to dlatego, że naturalne procesy wydają się mieć sprytne sposoby na oszukanie nas.
Jakie są potencjalne biosignatury, dlaczego są problematyczne i co trzeba zrobić, aby uzyskać to potwierdzenie?
Zacznijmy od świata blisko domu: Marsa.
Przez prawie dwie dekady astronomowie wykryli duże chmury metanu w atmosferze Marsa. Tutaj na Ziemi metan pochodzi od żywych stworzeń, takich jak bakterie i pierdzące krowy. Co więcej, metan jest łatwo rozkładany przez światło słoneczne, co oznacza, że nie jest to starożytny metan pozostały z miliardów lat temu. Niektóre procesy na Marsie stale go uzupełniają.
Ale co?
Cóż, oprócz życia, metan może tworzyć się naturalnie przez wulkanizm, kiedy skały wchodzą w interakcje z podgrzaną wodą.
NASA próbowała dotrzeć do sedna tego pytania z łazikami Spirit i Opportunity, i oczekiwano, że Ciekawość powinna mieć narzędzia na pokładzie, aby znaleźć źródło metanu.
W ciągu kilku miesięcy Curiosity wykryło tam podbicie metanu na powierzchni, ale nawet to wywołało kontrowersje. Okazuje się, że sam łazik miał metan i mógł zanieczyścić okolicę. Być może wykryty przez niego metan pochodzi z niego samego. Możliwe jest również, że skalisty meteoryt spadł w pobliżu i uwolnił gaz, który zanieczyścił wyniki.
Misja ExoMars Europejskiej Agencji Kosmicznej dotarła na Marsa w październiku 2016 r. Chociaż lądownik Schiaparelli został zniszczony, Trace Gas Orbiter przetrwał podróż i zaczął szczegółowo mapować atmosferę Marsa, szukając miejsc, w których mógłby wydobywać się metan itd. daleko nie mamy rozstrzygających wyników.
Innymi słowy, mamy na Marsie flotę orbiterów i lądowników, wyposażoną w instrumenty zaprojektowane do wykrywania najdelikatniejszego powiewu metanu na Marsie.
Istnieją naprawdę intrygujące wskazówki na temat tego, jak poziomy metanu na Marsie wydają się rosnąć i spadać wraz z porami roku, wskazując na życie, ale astrobiologowie nadal się z tym nie zgadzają.
Roszczenia nadzwyczajne wymagają nadzwyczajnych dowodów i tak dalej.
Niektóre teleskopy mogą już mierzyć atmosferę planet krążących wokół innych gwiazd. Przez ostatnią dekadę Spitzer Space Telescope NASA mapował atmosferę różnych światów. Na przykład, oto mapa gorącego Jowisza HD 189733b
. To miejsce jest do bani, ale wow, aby zmierzyć atmosferę innej planety, jest to dość spektakularne.
Dokonują tego, dokonując pomiaru chemikaliów gwiazdy, gdy planeta przechodzi przed nią, a następnie mierzą ją, gdy nie ma planety. To mówi ci, jakie chemikalia planeta przynosi na imprezę.
Byli również w stanie zmierzyć atmosferę HAT-P-26b, który jest stosunkowo małym światem wielkości Neptuna krążącym wokół pobliskiej gwiazdy, i byli zaskoczeni, gdy znaleźli parę wodną w atmosferze planety.
Czy to znaczy, że jest życie? Gdziekolwiek znajdziemy wodę na Ziemi, znajdziemy życie. Nie, możesz całkowicie zdobyć wodę bez życia.
Po uruchomieniu w 2019 r. Kosmiczny teleskop James Webb Jamesa NASA przeniesie tę atmosferyczną atmosferę na wyższy poziom, umożliwiając astronomom badanie atmosfery wielu innych światów o znacznie wyższej rozdzielczości.
Jednym z pierwszych celów dla Webba będzie system TRAPPIST-1 z jego pół tuzinem planet krążących w strefie zamieszkiwanej przez gwiazdę czerwonego karła. Webb powinien być w stanie wykryć ozon, metan i inne potencjalne biosignatury na całe życie.
Co trzeba zrobić, aby móc zobaczyć odległy świat i mieć pewność, że tam jest życie.
Astrobiolog John Lee Grenfell z niemieckiego centrum kosmicznego niedawno stworzył raport, analizując wszystkie egzoplanetarne biosignatury, które mogą tam być, i przejrzał je pod kątem prawdopodobieństwa, że będą one oznaką życia na innym świecie.
Pierwszym celem będzie tlen cząsteczkowy lub O2. Oddychasz teraz. W każdym razie 21% każdego oddechu. Tlen przetrwa w atmosferze innego świata przez tysiące lat bez źródła.
Jest wytwarzany tutaj na Ziemi w wyniku fotosyntezy, ale jeśli świat jest obijany przez swoją gwiazdę i traci atmosferę, wówczas wodór jest wydmuchiwany w przestrzeń kosmiczną i może pozostać tlen cząsteczkowy. Innymi słowy, tak czy inaczej nie możesz być pewien.
Co powiesz na ozon, znany również jako O3? O2 jest przekształcany w O3 w procesie chemicznym w atmosferze. Brzmi jak dobry kandydat, ale problem polega na tym, że istnieją naturalne procesy, które również mogą wytwarzać ozon. Na Wenus jest warstwa ozonowa, jedna na Marsie, a nawet wykryto je wokół lodowych księżyców w Układzie Słonecznym.
Jest podtlenek azotu, znany również jako gaz rozweselający. Jest produkowany jako bakteria w glebie i pomaga w cyklu ziemskim azotu. I są dobre wieści, Ziemia wydaje się być jedynym światem w Układzie Słonecznym, który ma podtlenek azotu w swojej atmosferze.
Ale naukowcy opracowali również modele tego, jak ten związek chemiczny mógł być generowany we wczesnej historii Ziemi, gdy jego bogaty w siarkę ocean wchodził w interakcje z azotem na planecie. W rzeczywistości zarówno Wenus, jak i Mars mogły przejść podobny cykl.
Innymi słowy, możesz widzieć życie lub młodą planetę.
Potem jest metan, substancja chemiczna, o której tyle czasu rozmawialiśmy. I jak wspomniałem, metan jest wytwarzany przez życie tutaj na Ziemi, ale także na Marsie, a na Tytanie są płynne oceany metanu.
Astrobiologowie zasugerowali inne węglowodory, takie jak etan, izopren, ale mają one również swoje własne problemy.
Co z zanieczyszczeniami emitowanymi przez zaawansowane cywilizacje? Astrobiologowie nazywają te „technosignatury” i mogą obejmować takie rzeczy, jak chlorofluorowęglowodory lub opad nuklearny. Ale znowu te chemikalia byłyby trudne do wykrycia za lat świetlnych stąd.
Astronomowie zasugerowali, że powinniśmy szukać martwych ziem, aby ustalić linię bazową. Byłyby to światy znajdujące się w strefie zamieszkałej, ale najwyraźniej życie nigdy się nie rozwijało. Po prostu kamień, woda i niebiańska atmosfera.
Problem polega na tym, że prawdopodobnie nie możemy nawet znaleźć sposobu na potwierdzenie, że świat jest martwy. Rodzaje chemikaliów, których można się spodziewać w atmosferze, takie jak dwutlenek węgla, mogą zostać wchłonięte przez oceany, więc nie można nawet zrobić negatywnego potwierdzenia.
Jedna metoda może w ogóle nie obejmować skanowania atmosfery. Roślinność tutaj na Ziemi odbija bardzo specyficzną długość fali światła w obszarze 700–750 nanometrów. Astrobiologowie nazywają to „czerwoną krawędzią”, ponieważ zobaczysz 5-krotny wzrost współczynnika odbicia w porównaniu do innych powierzchni.
Chociaż nie mamy dzisiaj teleskopów, aby to zrobić, istnieją naprawdę sprytne pomysły, takie jak patrzenie na to, jak światło z planety odbija się na pobliskim księżycu i analizowanie tego. Poszukiwanie egzoplanetowego blasku ziemi.
W rzeczywistości, we wczesnej historii Ziemi, wyglądałby bardziej fioletowo z powodu bakterii archaejskich.
W sieci pojawia się cała flota statków kosmicznych i obserwatoriów naziemnych, które pomogą nam przejść dalej do tego pytania.
Misja Gaia ESA polega na zmapowaniu i scharakteryzowaniu 1% gwiazd Drogi Mlecznej, mówiąc nam, jakie rodzaje gwiazd są tam dostępne, a także wykryć tysiące planet do dalszej obserwacji.
Transiting Exoplanet Space Survey, czyli TESS, rozpocznie się w 2018 roku i znajdzie wszystkie tranzytowe egzoplanety wielkości Ziemi i większe w naszym sąsiedztwie.
Misja PLATO 2 znajdzie skaliste światy w strefie zamieszkałej, a James Webb będzie mógł badać ich atmosferę. Rozmawialiśmy także o masywnym teleskopie LUVOIR, który mógłby pojawić się w Internecie w latach 30. XX wieku i przenieść te obserwacje na wyższy poziom.
W pracach znajduje się znacznie więcej kosmicznych i naziemnych obserwatoriów.
Gdy następna runda teleskopów pojawi się w Internecie, tych, które są w stanie bezpośrednio zmierzyć atmosferę ziemskiego świata krążącego wokół innej gwiazdy, astrobiologowie będą walczyć o znalezienie biosignatury, która zapewni wyraźny znak, że tam jest życie.
Zamiast pewności wygląda na to, że będziemy musieli zmierzyć się z tym, co widzimy. Astronomowie będą się ze sobą nie zgadzać, opracowując nowe techniki i nowe narzędzia w celu odpowiedzi na nierozwiązane pytania.
To zajmie trochę czasu, a niepewność będzie trudna do opanowania. Pamiętaj jednak, że jest to prawdopodobnie najważniejsze pytanie naukowe, które każdy może zadać: czy jesteśmy sami we Wszechświecie?
Na odpowiedź warto poczekać.
Źródło: John Lee Grenfell: Przegląd eksplanetarnych biosignatur.
Czapka dla dr Kimberly Cartier za skierowanie mnie do tego artykułu. Śledź jej pracę w EOS Magazine.
