Астрономы нашли новый способ обнаружения водных океанов и инопланетной жизни на скалистых экзопланетах

Планеты, расположенные слишком близко к своей звезде, слишком горячие (например, Венера), слишком далекие — слишком холодные (например, Марс), тогда как планеты в обитаемой зоне — самое подходящее место. Хотя было приложено много усилий для идентификации планет в теоретически обитаемых зонах их звезд, до сих пор не было способа узнать, действительно ли на них есть жидкая вода. Теперь астрономы из Университета Бирмингема, Массачусетского технологического института и других стран показали, что если экзопланета имеет меньшее количество углекислого газа в атмосфере по сравнению с соседними планетами, это предполагает наличие жидкой воды на поверхности этой планеты.

На данный момент астрономы обнаружили более 5200 внесолнечных миров. С помощью современных телескопов они могут напрямую измерить расстояние планеты до ее звезды и время, необходимое ей для завершения оборота по орбите.

Эти измерения могут помочь ученым сделать вывод, находится ли планета в обитаемой зоне.

Но не было возможности напрямую подтвердить, действительно ли планета пригодна для жизни, а это означает, что на ее поверхности существует жидкая вода.

В нашей Солнечной системе астрономы могут обнаружить наличие жидких океанов, наблюдая блики — вспышки солнечного света, отражающиеся от жидких поверхностей.

Эти блики или зеркальные отражения наблюдались, например, на крупнейшем спутнике Сатурна, Титане, что помогло подтвердить наличие на Луне больших озер.

Однако обнаружение подобного мерцания на далеких планетах недостижимо с помощью современных технологий.

Но астроном Массачусетского технологического института Жюльен де Вит, астроном Бирмингемского университета Амори Трио и их коллеги поняли, что рядом с домом есть еще одна обитаемая особенность, которую можно обнаружить в далеких мирах.

«Идея пришла к нам, когда мы посмотрели на то, что происходит с планетами земной группы в нашей собственной системе», — сказал доктор Трио.

Венера, Земля и Марс имеют сходство в том, что все три скалистые и обитают в относительно умеренном регионе по отношению к Солнцу.

Земля — единственная планета из этой тройки, на которой в настоящее время имеется жидкая вода. И исследователи отметили еще одно очевидное различие: в атмосфере Земли значительно меньше углекислого газа.

«Мы предполагаем, что эти планеты были созданы одинаковым образом, и если мы сейчас увидим одну планету с гораздо меньшим количеством углерода, то она, должно быть, куда-то делась», — сказал доктор Трио.

«Единственный процесс, который может удалить такое количество углерода из атмосферы, — это сильный круговорот воды, включающий океаны жидкой воды».

Действительно, океаны Земли играют важную и устойчивую роль в поглощении углекислого газа.

За сотни миллионов лет океаны поглотили огромное количество углекислого газа, почти равное тому, которое сохраняется в атмосфере Венеры сегодня.

Этот эффект планетарного масштаба привел к тому, что атмосфера Земли значительно обеднела углекислым газом по сравнению с ее планетарными соседями.

«На Земле большая часть атмосферного углекислого газа поглощалась морской водой и твердыми породами в геологических временных масштабах, что помогало регулировать климат и обитаемость на протяжении миллиардов лет», — сказал доктор Фридер Кляйн, исследователь Океанографического института Вудс-Хоул. .

Астрономы рассудили, что если бы подобное истощение углекислого газа было обнаружено на далекой планете по сравнению с ее соседями, это было бы надежным сигналом о наличии жидких океанов и жизни на ее поверхности.

«После тщательного изучения литературы по многим областям, от биологии до химии и даже связывания углерода в контексте изменения климата, мы считаем, что действительно, если мы обнаружим истощение углерода, это, скорее всего, будет явным признаком жидкой воды и /или жизнь», — сказал доктор де Вит.

В ходе исследования ученые излагают стратегию обнаружения обитаемых планет путем поиска признаков обеднения углекислого газа.

Такой поиск лучше всего сработал бы для систем типа «горошек в стручке», в которых несколько планет земной группы, примерно одинакового размера, вращаются относительно близко друг к другу, подобно нашей Солнечной системе.

Первый шаг, который предлагают ученые, — подтвердить наличие у планет атмосферы, просто проверив наличие углекислого газа, который, как ожидается, будет доминировать в атмосфере большинства планет.

«Углекислый газ является очень сильным поглотителем инфракрасного излучения, и его можно легко обнаружить в атмосферах экзопланет», — сказал доктор де Вит.

«Сигнал углекислого газа может затем выявить наличие атмосфер экзопланет».

Как только астрономы определят, что на нескольких планетах в системе есть атмосфера, они смогут перейти к измерению содержания углекислого газа, чтобы увидеть, значительно ли меньше его содержание на одной планете, чем на других.

Если это так, то планета, скорее всего, пригодна для жизни, а это означает, что на ее поверхности находятся значительные объемы жидкой воды.

Но пригодные для жизни условия не обязательно означают, что планета обитаема. Чтобы увидеть, может ли на самом деле существовать жизнь, авторы предлагают астрономам поискать еще одну особенность в атмосфере планеты: озон.

На Земле растения и некоторые микробы способствуют поглощению углекислого газа, хотя и не так сильно, как океаны. Тем не менее, в рамках этого процесса формы жизни выделяют кислород, который вступает в реакцию с фотонами Солнца и превращается в озон — молекулу, которую гораздо легче обнаружить, чем сам кислород.

Если в атмосфере планеты присутствуют признаки как озона, так и обеднения углекислого газа, скорее всего, это обитаемый и обитаемый мир.

«Если мы увидим озон, весьма высока вероятность того, что он связан с углекислым газом, потребляемым жизнью», — сказал доктор Трио.

«И если это жизнь, то это славная жизнь. Это было бы не просто несколько бактерий. Это будет биомасса планетарного масштаба, способная перерабатывать огромное количество углерода и взаимодействовать с ним».

По оценкам команды, космический телескоп Джеймса Уэбба NASA/ESA/CSA сможет измерять углекислый газ и, возможно, озон в близлежащих многопланетных системах, таких как TRAPPIST-1, системе из семи планет, вращающейся вокруг яркой звезды, находящейся всего в 40 световых лет от Земли.

«TRAPPIST-1 — одна из немногих систем, где мы могли бы проводить исследования земной атмосферы с помощью Уэбба», — сказал доктор де Вит.

«Теперь у нас есть план поиска обитаемых планет. Если мы все будем работать вместе, открытия, способные изменить парадигму, могут быть сделаны в течение следующих нескольких лет».

изучать был опубликован в журнале Природа Астрономия.

_____

AHMJ Трио и другие. Истощение углерода в атмосфере как индикатор водных океанов и биомассы на экзопланетах земной группы с умеренным климатом. Нат Астрон, опубликовано в Интернете 28 декабря 2023 г.; дои: 10.1038/s41550-023-02157-9