Кислород на экзопланетах не всегда означает присутствие жизни

В поисках жизни на других планетах присутствие кислорода в атмосфере планеты является одним из потенциальных признаков биологической активности, которые могут быть обнаружены будущими телескопами. Новое исследование, однако, описывает несколько сценариев, в которых безжизненная скалистая планета вокруг звезды, подобной солнцу, может эволюционировать, чтобы иметь кислород в своей атмосфере.

Новые результаты, опубликованные в AGU Advances, подчеркивают необходимость телескопов следующего поколения, способных характеризовать планетарную среду и искать многочисленные линии доказательств существования жизни в дополнение к обнаружению кислорода.

«Это полезно, потому что показывает, что есть способы получить кислород в атмосфере без жизни, но есть и другие наблюдения, которые вы можете сделать, чтобы помочь отличить эти ложные срабатывания от реальной жизни», — сказал автор исследования Джошуа Криссансен. «Для каждого сценария мы пытаемся сказать, что должен был бы сделать ваш телескоп, чтобы отличить обычный кислород от биологического кислорода.»

В ближайшие десятилетия, возможно, к концу 2030-х годов, астрономы надеются получить телескоп, способный получать прямые изображения и спектры потенциально похожих на Землю планет вокруг солнцеподобных звезд.

Соавтор работы Джонатан Фортни, профессор астрономии и астрофизики и директор Лаборатории других миров Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, сказал, что идея состоит в том, чтобы нацелиться на планеты, достаточно похожие на Землю, чтобы на них могла возникнуть жизнь, и охарактеризовать их атмосферу.

«Было много дискуссий о том, является ли обнаружение кислорода «достаточным» признаком жизни», — сказал он. «Эта работа действительно доказывает необходимость знать контекст вашего обнаружения. Какие еще молекулы найдены помимо кислорода, или не найдены, и что это говорит вам об эволюции планеты?»

Это означает, что астрономам понадобится телескоп, чувствительный к широкому диапазону длин волн, чтобы обнаружить различные типы молекул в атмосфере планеты.

Исследователи основывали свои выводы на детальной, сквозной вычислительной модели эволюции скалистых планет, начиная с их расплавленного происхождения и проходя через миллиарды лет охлаждения и геохимического цикла. Варьируя начальный запас летучих элементов на своих модельных планетах, исследователи получили удивительно широкий диапазон результатов.

Кислород может начать накапливаться в атмосфере планеты, когда высокоэнергетический ультрафиолетовый свет расщепляет молекулы воды в верхних слоях атмосферы на водород и кислород. Легкий водород предпочтительно улетучивается в космос, оставляя кислород позади.

Другие процессы могут удалять кислород из атмосферы. Например, монооксид углерода и водород, выделяющиеся при дегазации из расплавленной породы, вступают в реакцию с кислородом, а выветривание породы также поглощает кислород. Это лишь некоторые из процессов, которые исследователи включили в свою модель геохимической эволюции скалистой планеты.

«Если вы запустите модель для Земли с тем, что, как мы думаем, было первоначальным запасом летучих веществ, вы надежно получите один и тот же результат каждый раз — без жизни вы не получаете кислород в атмосфере», — сказал Джошуа Криссансен. — Но мы также нашли несколько сценариев, когда можно получить кислород без жизни.»

Например, планета, которая в остальном похожа на Землю, но начинается с большего количества воды, в конечном итоге будет иметь очень глубокие океаны, которые оказывают огромное давление на кору. Это эффективно останавливает геологическую деятельность, включая все процессы, такие как плавление или выветривание горных пород, которые удаляют кислород из атмосферы.

В противоположном случае, когда планета начинается с относительно небольшого количества воды, магматическая поверхность первоначально расплавленной планеты может быстро затвердеть, пока вода остается в атмосфере. Эта «паровая атмосфера» помещает достаточно воды в верхние слои атмосферы, чтобы обеспечить накопление кислорода, когда вода распадается и водород выходит.

«Типичная последовательность состоит в том, что поверхность магмы затвердевает одновременно с конденсацией воды в океаны на поверхности», — сказал Джошуа Криссансен. «На Земле, когда вода конденсировалась на поверхности, скорость утечки была низкой. Но если вы сохраните паровую атмосферу после того, как расплавленная поверхность затвердеет, есть окно примерно в миллион лет, когда кислород может накапливаться, потому что в верхних слоях атмосферы высокая концентрация воды и нет расплавленной поверхности, чтобы потреблять кислород, образующийся при выходе водорода.»

Третий сценарий, который может привести к появлению кислорода в атмосфере, связан с планетой, которая в остальном похожа на Землю, но начинается с более высокого отношения углекислого газа к воде. Это приводит к неуправляемому парниковому эффекту, в результате чего вода становится слишком горячей, чтобы когда-либо конденсироваться из атмосферы на поверхность планеты.

«В этом сценарии, похожем на Венеру, все летучие вещества начинаются в атмосфере, и лишь немногие из них остаются в мантии, чтобы выделиться и поглотить кислород».

Ученые отметили, что предыдущие исследования были сосредоточены на атмосферных процессах, в то время как модель, используемая в этом исследовании, исследует геохимическую и тепловую эволюцию мантии и коры планеты, а также взаимодействие между корой и атмосферой.

AGU Advances. First published: 13 April 2021 doi.org/10.1029/2020AV000294