Углеродная атмосфера может быть признаком наличия воды и жизни на других планетах земной группы, показало исследование Массачусетского технологического института | Новости Массачусетского технологического института

Ученые из Массачусетского технологического института, Бирмингемского университета и других стран говорят, что лучший шанс астрономов найти жидкую воду и даже жизнь на других планетах — это искать отсутствие, а не присутствие химических особенностей в их атмосферах.

Исследователи предполагают, что если в атмосфере планеты земной группы значительно меньше углекислого газа по сравнению с другими планетами в той же системе, это может быть признаком наличия жидкой воды — и, возможно, жизни — на поверхности этой планеты.

Более того, эта новая подпись находится в поле зрения космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА (JWST). Хотя ученые предложили и другие признаки обитаемости, эти характеристики сложно, если вообще возможно, измерить с помощью современных технологий. Команда говорит, что этот новый признак относительно обедненного углекислого газа является единственным признаком обитаемости, который можно обнаружить сейчас.

«Святой Грааль в науке об экзопланетах — это поиск обитаемых миров и наличие жизни, но все особенности, о которых говорилось до сих пор, были за пределами досягаемости новейших обсерваторий», — говорит Жюльен де Вит, доцент кафедры экзопланет. планетарные науки в Массачусетском технологическом институте. «Теперь у нас есть способ узнать, есть ли жидкая вода на другой планете. И это то, к чему мы можем прийти в ближайшие несколько лет».

Выводы команды опубликованы сегодня в Природа Астрономия. Де Вит руководил исследованием вместе с Амори Трио из Университета Бирмингема в Великобритании. В число их соавторов из Массачусетского технологического института входят Бенджамин Рэкхем, Прайвал Нираула, Ана Глидден, Оливер Ягуц, Матей Печ, Януш Петковски и Сара Сигер, а также Фридер Кляйн из Океанографического института Вудс-Хоул (WHOI), Мартин Тюрбет из Политехнической школы во Франции и Франк Селсис из Лаборатории астрофизики Бордо.

За пределами мерцания

На данный момент астрономы обнаружили более 5200 миров за пределами нашей солнечной системы. С помощью современных телескопов астрономы могут напрямую измерить расстояние планеты до 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.

По всей нашей солнечной системе ученые могут обнаружить наличие жидких океанов, наблюдая «блики» — вспышки солнечного света, которые отражаются 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 де Вит и его коллеги поняли, что рядом с домом есть еще один пригодный для жизни объект, который можно обнаружить в далеких мирах.

«Идея пришла к нам, когда мы посмотрели на то, что происходит с планетами земной группы в нашей собственной системе», — говорит 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 команда отметила 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», — говорит 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 была поглощена морской водой и твердыми породами в геологических временных масштабах, что помогло регулировать климат и обитаемость на протяжении миллиардов лет», — говорит соавтор исследования Фридер Кляйн.

Команда пришла к выводу, 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», — говорит де Вит.

Дорожная карта к жизни

В своем исследовании команда излагает стратегию обнаружения обитаемых планет путем поиска признаков обедненного 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 предлагает команда, — 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», — объясняет 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, команда предлагает астрономам поискать еще одну особенность в атмосфере планеты: озон.

Исследователи отмечают, что 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 солнечными фотонами и превращается в озон — молекулу, которую гораздо легче обнаружить, чем сам кислород.

Исследователи говорят, что если в атмосфере планеты присутствуют признаки как озона, так и обеднения углекислого газа, то, скорее всего, это обитаемый и обитаемый мир.

«Если мы увидим озон, то весьма высока вероятность того, что он связан с потреблением углекислого газа жизнью», — говорит 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 НАСА имени Джеймса Уэбба сможет измерять углекислый газ и, возможно, озон в близлежащих многопланетных системах, таких как TRAPPIST-1 — системе из семи планет, которая вращается вокруг яркой звезды всего в 40 световых годах от Земли.

«TRAPPIST-1 — одна из немногих систем, где мы могли бы проводить исследования земной атмосферы с помощью JWST», — говорит 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».