Светимости звезды TRAPPIST-1 не хватит, чтобы поддержать биосферу Земли

В поисках внеземной жизни атмосферный кислород обсуждался экспертами как очевидная биосигнализация, которую можно было бы относительно легко обнаружить с помощью предстоящих объектов исследования экзопланет, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST).

Конечно, кислород, который составляет 20% нашей собственной атмосферы, даст инопланетным астрономам подсказки о жизни на Земле. Это связано с тем, что существует много способов его удаления (включая реакции с вулканическими газами, растворение в дождевой воде или окислительное выветривание континентальных пород), и только один простой способ его пополнения, через фотосинтез.

Масштаб фотосинтеза для поддержания такого присутствия кислорода в воздухе, которым мы дышим, возможен только благодаря обильному поступлению световой энергии от нашей звезды. Однако будущие объекты исследования экзопланет, такие как JWST, будут сосредоточены на гораздо более распространенных, но более низко-температурных M-карликовых звезд.

Планетарный ученый Оуэн Лемер задался вопросом, может ли карликовая звезда М-типа, такая, как TRAPPIST-1, поддерживать фотосинтезирующую биосферу достаточного масштаба, чтобы изменить атмосферу экзопланеты до такой степени, которую мы могли бы обнаружить.

На Земле, большинство растений используют для фотосинтеза свет с длинами волн между 400-750 nm, где более длинные волны значат более низкую энергию света.

Некоторые организмы могут использовать более длинные волны, до 1,020 нм, путем модификации процесса фотосинтеза, однако маловероятно, что это может быть процесс может зайти дальше, потому что лабораторные эксперименты не смогли обнаружить какие-либо жизненно важные электронные возбуждения, запускающие реакции фотосинтеза от фотонов за пределами 1,100 нм.

«Похоже, что организмы на Земле достигли такого же предела, что и в лаборатории», — говорит Лемер.

Это может быть проблемой, учитывая, что M-карликовые звезды, такие как TRAPPIST – 1, излучают в основном в менее энергичной инфракрасной и ближней инфракрасной части спектра с длинами волн между 700 нм -1000 нм.

Чтобы продолжить свое исследование, Лехмер и его коллеги взяли нашу Землю и «переместили» ее на 40 световых лет в сторону созвездия Водолея, поместив ее на орбиту вокруг звезды TRAPPIST-1.

Затем они использовали различные модели, в том числе одну из 1970-х годов, которая показала, почему растения на Земле зеленые, чтобы исследовать, как орбитальное расстояние и длина световой волны влияет на фотосинтез.

Команда рассмотрела четыре предела длины волны фотонов для производства кислорода — включая текущий самый высокий, найденный в природе, и более высокий лабораторный показатель для обнаруживаемых электронных переходов.

Затем они применили их к своей модели Земли, расположенной на разных орбитальных расстояниях вокруг TRAPPIST-1, и другим гипотетическим M-карликовым звездам различных температур.

Их результаты, опубликованные в «Астрофизическом журнале», показали, что более низкая энергия света в звезде M-карлике недостаточна для той, что требуется для поглощения фотонов для начала реакции фотосинтеза даже в самой эффективной эволюционной системе.

При моделирования TRAPPIST-1 команда ученых обнаружила, что все три планеты в ее обитаемой зоны будут иметь недостаточный свет для поддержания земной биосферы.

В то время как организмы, продуцирующие кислород на Земле, используют 8 фотонов в диапазоне 400-750 нм на молекулу СО2 во время фотосинтеза, организмы, настроенные на свет звезды, подобной TRAPPIST-1, могут потребовать до 24-36 фотонов на молекулу CO2, снижая свою способность к созданию питательных веществ и кислорода в качестве побочного продукта.

Это не значит, что фотосинтез не происходит вокруг м-карликов, говорит Лемер, или что жизнь не высвобождает энергию через какой-то другой процесс.

Однако, если вы ищете кислород как биосигнал, вы делаете предположение вокруг процесса, формирующего его, и статья Лемера предполагает, что световое излучение M-карликов ограничит способность фотосинтеза изменять атмосферу в той степени, в которой мы можем это заметить.

Лемер считает, что мы должны сосредоточиться на том, чтобы найти так называемые неравновесные биосигналы — доказательства наличия газов в атмосферах экзопланет, которые не должны сосуществовать, указывая на что-то пополняющее их.

Если мы посмотрим на Землю, мы найдем и метан, и кислород, которые не должны находиться вместе, но они присутствуют в атмосфере, потому что они постоянно пополняются живыми организмами.

Owen R. Lehmer et al. The Productivity of Oxygenic Photosynthesis around Cool, M Dwarf Stars. ApJ 859, 171; doi: 10.3847/1538-4357/aac104