Кислород и метан - признаки обитаемости экзопланеты
В поисках жизни во Вселенной (в области, известной как астробиология) ученые полагаются на Землю как на образец биологических и эволюционных процессов. Это включает в себя поиск аналогов Земли, каменистых планет, которые вращаются в пределах обитаемой зоны (HZ) своей родительской звезды и имеют атмосферу, состоящую из азота, кислорода и углекислого газа. Однако атмосфера Земли со временем значительно изменилась из-за токсичного шлейфа азота, углекислого газа и следов вулканического газа. Со временем появление фотосинтезирующих организмов вызвало переход, который привел к созданию атмосферы, которую мы видим сегодня. Последние 500 миллионов лет, известные как фанерозойский эон, были особенно важны для эволюции земной атмосферы и наземных видов. В этот период произошло значительное повышение содержания кислорода и появление животных, динозавров и эмбриофитов (наземных растений). К сожалению, полученные спектры пропускания отсутствуют в наших поисках признаков жизни в атмосферах экзопланет. Чтобы устранить этот пробел, группа исследователей из Корнелла создала симуляцию атмосферы во время фанерозойского эона, что может иметь важные последствия для поиска жизни на внесолнечных планетах.
Исследование провели Ребекка Пейн и Лиза Калтенеггер, научный сотрудник и доцент Института Карла Сагана при Корнелльском университете (соответственно). Статья, описывающая их результаты, «Кислородная щедрость для экзопланет земного типа: спектры Земли в фанерозое», была недавно опубликована в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества: письма». Они разместили в Интернете полную модель и спектры высокого разрешения, которые предоставляют инструмент для планирования, оптимизации и интерпретации наблюдений с помощью наземных и космических телескопов. В настоящее время изучение экзопланет переживает переходный период. Поскольку на сегодняшний день подтверждено 5528 экзопланет и еще 9899 кандидатов ожидают подтверждения, процесс переходит от открытия к описанию. Этому переходу способствовали наземные и космические телескопы нового поколения, способные получать спектры непосредственно из атмосфер экзопланет. Это процесс, при котором свет анализируется с помощью спектрометров для выявления особенностей поглощения, соответствующих различным химическим соединениям, что позволяет получить важные данные о составе атмосферы экзопланеты.
Это можно сделать с помощью метода прямой визуализации, при котором астрономы исследуют свет, отраженный от атмосферы (или поверхности) планеты. Другой метод включает получение спектров пропускания, при котором астрономы анализируют свет, проходящий через атмосферу экзопланеты, когда он проходит перед своей звездой относительно наблюдателя (транзиты). Благодаря обсерваториям, таким как Космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы наконец могут получить спектры передачи от небольших скалистых планет, которые вращаются ближе к своим солнцам, где, как полагают, находятся потенциально обитаемые планеты, подобные Земле. Как сказал профессор Кальтенеггер Universe Today по электронной почте: «На сегодняшний день нам известно около 35 скалистых экзопланет, кружащихся в обитаемых зонах своих звезд. Хотя технические возможности космического телескопа Джеймса Уэбба НАСА находятся на грани, анализ атмосферы некоторых из этих экзопланет теперь возможен. Но ученым необходимо чтобы знать, что искать. Наши модели идентифицируют планеты, подобные фанерозойской Земле, как действительно многообещающие цели для поиска жизни в космосе, конечно, эта жизнь ни в коем случае не должна быть динозаврами».
Несмотря на множество открытых и охарактеризованных экзопланет, существует нехватка аналогов Земли, атмосфера которых находится на разных стадиях эволюции. Это особенно верно в отношении фанерозойского эона, нынешнего и самого позднего из четырех геологических эонов, которым предшествовали протерозойский, архейский и гадеонский эоны. Этот период был особенно важен для эволюции наземных форм жизни из-за множества важных событий, произошедших на протяжении всего периода. Сюда входит кембрийский взрыв, характеризующийся появлением в летописи окаменелостей большинства современных видов животных. Сюда также входил девон, когда бесчисленные водные виды приспособились к жизни на суше; триасовый и юрский периоды, которые начались и закончились крупными событиями вымирания (пермско-триасовое и триасово-юрское вымирание соответственно); мел-палеогеновое вымирание, вымирание динозавров; и неоген, когда млекопитающие и птицы продолжали развиваться в современные формы, а в геологических летописях появились первые современные люди. По словам Кальтенеггера, чтобы предсказать, как будет выглядеть атмосфера этого Эона, они создали модель, которая объединила существующие модели с новыми симуляциями атмосферы:
«Наши модели имитировали спектры передачи, генерируемые планетой, атмосфера которой пересекает луч нашего зрения к ее звезде, транзитной. Атмосфера планеты поглощает некоторые цвета звездного света, но пропускает другие, создавая «световой отпечаток», который ученые используют его для определения состава атмосферы и наличия признаков жизни в этой атмосфере. фанерозоя, эпохи, когда биосфера диверсифицировалась и леса получили широкое распространение, изменив смесь кислорода и других газов в воздухе». Ключом к их моделированию было содержание кислорода в атмосфере, которое выросло примерно с 10% в начале фанерозоя (кембрийский период) до 35% к концу (неоген). По их словам, возникший в результате более высокий уровень кислорода, возможно, был предпосылкой для эволюции сложной жизни, включая динозавров, млекопитающих и гоминидов (что в конечном итоге привело к появлению современных людей). Тем не менее, «световой отпечаток», созданный их моделированием, будет выделяться даже больше, чем у современной Земли, из-за более высокого содержания кислорода.
«Анализируя последние 540 миллионов лет эволюции Земли, фанерозойский эон, мы обнаружили, что химические признаки жизни в атмосфере экзопланеты, похожей на Землю, более выражены, чем на современной Земле», — сказал Калтенеггер. «Во время фанерозоя, который включает в себя времена динозавров (245–66 миллионов лет назад), две ключевые пары биосигнатур — кислород и метан, а также озон и метан — проявились сильнее около 300 миллионов лет назад, когда уровень кислорода был значительно выше. " Это исследование подкрепляется еще одним недавним исследованием, проведенным командой из Дартмутского колледжа (соавтором которого был Калтенеггер). В своей статье, которая была принята к публикации в «Ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества» и доступна на сервере препринтов arXiv («Информационный подход к выявлению признаков жизни на транзитных планетах»), команда описала, как они смоделировали диапазона спектров пропускания для создания алгоритма выявления потенциальных биосигнатур на земных аналогах. Они протестировали этот алгоритм на трех эпохах эволюции атмосферы планет земного типа, вращающихся вокруг ряда родительских звезд.
По их словам, полученный диагностический инструмент может быть применен к будущим наблюдениям, чтобы ограничить обитаемость планет. Это исследование и модель, созданная Пейном и Калтенеггером, могут иметь решающие последствия для астробиологии, предоставив шаблон для поиска планет на различных стадиях обитаемости. Как резюмировал Калтенеггер: «Итак, для выявления потенциально обитаемых миров было время, когда этот отпечаток жизни был даже более выраженным, чем сейчас, — и это было во времена правления динозавров. Таким образом, хотя найти жизнь в космосе невероятно сложно ", возможно, все оказалось немного проще, чем мы думали. Миры юрского периода с их большой и сложной жизнью могут дать нам шанс найти это немного проще. И кто знает, может быть, нам повезет, и есть другие динозавры ждут, чтобы их нашли».
