CO₂ как индикатор обитаемости экзопланет для телескопов будущего

Ещё несколько десятилетий назад поиск обитаемых миров за пределами Солнечной системы казался утопией. Сегодня, с открытием тысяч экзопланет, наука переходит от их обнаружения к детальному изучению. Главный вопрос заключается в том, как отличить обитаемые планеты от безжизненных. Ученые ищут универсальные методы, позволяющие анализировать целые популяции экзопланет, а не тратить ресурсы на каждую в отдельности.

Один из ключевых инструментов — изучение атмосферного CO₂. На Земле уровень углекислого газа регулируется естественным «термостатом» — карбонатно-силикатным циклом (Cb-Si), который поддерживает климатическую стабильность и делает планету пригодной для жизни. Новое исследование предлагает использовать CO₂ как маркер обитаемости на уровне целых популяций экзопланет.

Карбонатно-силикатный цикл: природный термостат Земли

Cb-Si цикл представляет собой механизм, который на протяжении миллионов лет регулирует содержание CO₂ в атмосфере. Процесс начинается с повышения уровня углекислого газа, что приводит к потеплению климата и усилению испарения, а также количества осадков. Дождевая вода, соединяясь с CO₂, образует слабую угольную кислоту, которая разрушает силикатные породы. Высвобожденный углерод вымывается в океаны, где морские организмы, такие как планктон, используют его для построения раковин. Со временем углерод оседает на дне в виде карбонатных отложений, а тектоника плит возвращает его в мантию. Вулканы завершают цикл, снова выбрасывая CO₂ в атмосферу.

Этот механизм предотвращает экстремальные перегревы или похолодания, поддерживая условия для жизни. Если аналогичные процессы происходят на других планетах, их можно обнаружить по специфическим колебаниям CO₂.

Методология: моделирование популяций экзопланет

Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха смоделировали популяции землеподобных экзопланет (EEC — Earth-like Exoplanet Candidates) вокруг звезд F, G и K-типов, которые являются аналогами Солнца. В симуляциях учитывались различные уровни парциального давления CO₂, а также разные сценарии качества спектральных данных, включая отношение сигнал/шум и разрешение. Кроме того, рассматривались как биотические процессы, предполагающие участие жизни, так и абиотические, основанные исключительно на геохимических реакциях.

Ключевой задачей было определение возможности выявления обитаемости по статистическим данным CO₂ в атмосферах групп из 30 и более планет.

Результаты: CO₂ как индикатор жизни

Анализ показал, что при размере популяции, превышающем 30 экзопланет-кандидатов, тенденции изменения CO₂ можно выявить даже при умеренном качестве данных, включая отношение сигнал/шум от 10 до 20 и спектральное разрешение от 50 до 100. Это означает, что будущие телескопы, такие как миссия LIFE (Large Interferometer for Exoplanets), смогут определять обитаемость на статистическом уровне, не изучая каждую планету по отдельности. Метод работает как для биотических, так и для абиотических сценариев, но в случае наличия жизни колебания CO₂ могут демонстрировать специфические закономерности.

Ограничения и перспективы

Хотя метод выглядит многообещающим, существуют определенные ограничения. Упрощенная модель атмосферы, учитывающая только H₂O, CO₂ и N₂, не отражает всего разнообразия реальных условий. Для более точных результатов необходимо включение дополнительных компонентов, таких как метан (CH₄) и озон (O₃), которые влияют на тепловые структуры и условия на поверхности. Кроме того, систематические погрешности в измерениях CO₂ могут искажать выводы.

Это исследование открывает путь к масштабной статистической оценке обитаемости. Вместо трудоемкого анализа отдельных миров ученые смогут отбирать перспективные планеты по общим тенденциям в их атмосферах.

Как отмечают авторы, следующий шаг — тестирование метода в более сложных условиях. Если он подтвердит свою эффективность, человечество получит мощный инструмент для ответа на один из главных вопросов науки: одиноки ли мы во Вселенной?

Исследование доступно в препринте на arXiv.