Ученые определили потенциальные биосигнатуры атмосферы экзопланет с примитивной жизнью

С запуском космических телескопов «Кеплер» и TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) ученые открыли тысячи экзопланет, большинство из которых были обнаружены и подтверждены косвенными методами. Но в последние годы, а также с запуском космического телескопа Джеймс Уэбб (JWST), эта область стала переходить к определению характеристик. В этом процессе ученые полагаются на спектры излучения атмосфер экзопланет для поиска химических признаков, которые связывают с жизнью (биосигнатуры).

Однако существуют некоторые разногласия относительно того, какие сигнатуры следует искать ученым. По сути, астробиология использует жизнь на Земле в качестве шаблона при поиске признаков внеземной жизни, подобно тому, как охотники за экзопланетами используют Землю в качестве стандарта для измерения «обитаемости».

Но, как отмечают многие ученые, жизнь на Земле и ее природная среда со временем значительно изменились. В недавней статье международная группа ученых продемонстрировала, как астробиологи могут искать жизнь на TRAPPIST-1e, основываясь на том, что существовало на Земле миллиарды лет назад.

Система TRAPPIST-1 была в центре внимания с тех пор, как астрономы подтвердили наличие трех экзопланет в 2016 году, а к следующему году их количество выросло до семи. Поскольку это одна из многих систем с холодной родительской звездой М-типа (красный карлик), существуют нерешенные вопросы о том, может ли какая-либо из ее планет быть обитаемой. Во многом это касается изменчивой и нестабильной природы красных карликов, которые склонны к резкой активности и могут не производить достаточного количества фотонов, необходимых для фотосинтеза.

Поскольку на орбитах красных карликов обнаружено так много каменистых планет, включая ближайшую к нам экзопланету (Проксиму b), многие астрономы считают, что эти системы были бы идеальным местом для поиска внеземной жизни.

В то же время они также подчеркнули, что эти планеты должны иметь плотную атмосферу, собственные магнитные поля, достаточные механизмы теплопередачи или все вышеперечисленное. Ожидается, что JWST и другие телескопы следующего поколения, такие как Чрезвычайно Большой Телескоп (ELT), позволят определить, есть ли на экзопланетах эти предпосылки для жизни.

Но даже с этими и другими инструментами следующего поколения все еще остается вопрос о том, какие биосигнатуры следует искать. Как уже отмечалось, наша планета, ее атмосфера и вся жизнь, какой мы ее знаем, значительно изменились за последние четыре миллиарда лет.

В архейскую эпоху (около 4-2,5 миллиардов лет назад) атмосфера Земли состояла преимущественно из углекислого газа, метана и вулканических газов, и в ней существовали лишь анаэробные микроорганизмы. Лишь в течение последних 1,62 миллиарда лет появилась первая многоклеточная жизнь, которая развилась до нынешней сложности.

Более того, количество эволюционных шагов (и их потенциальная сложность), необходимых для достижения более высоких уровней сложности, означает, что на многих планетах никогда не появится сложная жизнь. Это согласуется с гипотезой Великого фильтра, которая утверждает, что, хотя жизнь может быть обычным явлением во Вселенной, развитая жизнь — нет.

В результате наиболее распространенными могли быть простые микробные биосферы, подобные тем, что существовали в архее. Ключевым моментом в таком случае является проведение поисков, которые позволили бы выделить биосигнатуры, соответствующие примитивной жизни и условиям, которые были обычными для Земли миллиарды лет назад.

Для своего исследования ученые разработали модель, которая учитывала условия, подобные архейским, и то, как присутствие ранних форм жизни будет поглощать одни элементы и добавлять другие. Это привело к модели, в которой простые бактерии, живущие в океанах, потребляют такие молекулы, как водород (H) или окись углерода (CO), создавая углеводы в качестве источника энергии и метан (CH₄) в качестве отходов. Затем они рассмотрели, как будет происходить обмен газами между океаном и атмосферой, что приведет к более низким концентрациям H и CO и более высоким концентрациям CH₄.

«Считается, что архейские биосигнатуры требуют наличия метана, углекислого газа и водяного пара, а также отсутствия угарного газа. Это связано с тем, что водяной пар указывает на наличие воды, тогда как атмосфера, содержащая как метан, так и угарный газ, указывает на то, что атмосфера находится в неравновесии, а это означает, что оба этих вида не должны существовать вместе в атмосфере, поскольку химия атмосферы преобразует одно в другое, если только нет чего-то вроде жизни, которое поддерживает это неравновесие. Отсутствие угарного газа важно, поскольку считается, что жизнь быстро разовьет способ потребления этого источника энергии».

Когда концентрация газов в атмосфере выше, газ растворяется в океане, восполняя водород и окись углерода, потребляемые простыми формами жизни. По мере увеличения уровня биологически произведенного метана в океане он будет выбрасываться в атмосферу, где происходит дополнительная химия, и различные газы переносятся по планете. Благодаря этому ученые получили общий состав атмосферы, чтобы предсказать, какие биосигнатуры можно обнаружить.

«Мы обнаружили, что окись углерода, вероятно, присутствует в атмосфере архейской планеты, вращающейся вокруг М-карлика. Это потому, что звезда-хозяин управляет химическими процессами, которые приводят к более высоким концентрациям угарного газа по сравнению с планетой, вращающейся вокруг Солнца, даже если это [соединение] поглощает жизнь».

В течение многих лет исследователи размышляли над тем, как можно расширить околосолнечную обитаемую зону (CHZ), включив в нее условия, подобные земным, из предыдущих геологических периодов. Точно так же астробиологи работают над тем, чтобы более широко изучить типы биосигнатур, связанных с более древними формами жизни.

В этом последней работе исследователи установили ряд биосигнатур (вода, окись углерода и метан), которые могут привести к открытию жизни на скалистых планетах архейской эпохи, вращающихся вокруг солнцеподобных солнц и красных карликов.