Жизнь легче всего найти на экзопланетах типа ранней Земли
Мы все ближе и ближе приближаемся к надежному обнаружению биосигнатур на далеких планетах. Основное внимание уделяется определению того, какие химические вещества указывают на присутствие жизни. Но жизнь также может создавать в системе свободную энергию, а избыток энергии может привести к химическому неравновесию. Вот что произошло на Земле, когда жизнь зародилась. Может ли химическое неравновесие быть биосигнатурой? Когда в системе имеется избыточная энергия, это проявляется как химическое равновесие. Каждая планета представляет собой систему, и жизнь может генерировать избыточную энергию. Итак, если мы обнаруживаем химическое равновесие, обнаруживаем ли мы биосигнатуру? Обнаруживаем ли мы жизнь? Может быть. Особенно, если мы смотрим на экзопланету, очень похожую на раннюю Землю. Новое исследование решает этот вопрос. Название исследования — «Выявление биосигнатур химического неравновесия для протерозойских экзопланет земного типа». Ведущий автор — Эмбер Янг с факультета астрономии и планетарных наук Университета Северной Аризоны. Статью можно найти на сервере препринтов arXiv.
«При попытке сделать вывод, населен ли далекий мир, химическое неравновесие является потенциальным индикатором жизни, которая имеет долгую историю изучения в планетарной среде Солнечной системы», — пишут авторы в своей статье. Когда в атмосфере присутствуют метан (CH4) и кислород (O2), это признак того, что жизнь работает. Это потому, что в кислородной среде метан сохраняется всего около 10 лет. Его присутствие указывает на неравновесие. Чтобы он присутствовал, его необходимо постоянно пополнять в количествах, которые может произвести только жизнь. Концепция свободной энергии Гиббса пытается уловить эту идею. Когда система достигает химического равновесия, термодинамический потенциал минимизируется. Чем дальше от химического равновесия находится система, тем больше в ней свободной энергии Гиббса. «Основной показатель для количественной оценки химического неравновесия включает в себя расчет разницы в химической энергии, связанной с наблюдаемой системой, и теоретическим равновесным состоянием этой системы», — объясняют авторы. Исследователи изучают, как они могут использовать свободную энергию Гиббса для понимания миров в нашей солнечной системе. Что еще более важно, исследователи работают над тем, чтобы понять, как это можно применить к истории Земли.
Это исследование сосредоточено на протерозойском эоне, третьем из четырех эонов Земли. Он варьировался от 2,5 миллиардов лет назад до 541 миллиона лет назад и охватывает два критических события в истории Земли. Свободный кислород появляется в атмосфере Земли в начале протерозоя, а протерозой заканчивается незадолго до появления сложной жизни. Камнем преткновения при использовании метрики Гиббса в качестве биосигнатуры является то, что мы не знаем, каковы неопределенности наблюдений, когда пытаемся понять ее на экзопланетах, подобных Земле. В этом исследовании термин «землеподобный» означает «океанический мир размером с Землю с поверхностным давлением и температурой, аналогичными земным, а также с атмосферой, в которой преобладают N2, H2O и CO2, со следами CH4 и различными уровнями O2». поясняют авторы. Ученые довольно много знают о Земле во времена протерозоя, хотя, конечно, остается много вопросов без ответов. Пытаясь понять некоторые неопределенности наблюдений, исследователи смоделировали два разных сценария для Земли и один для Марса. Каждый сценарий содержит разное количество свободной атмосферной энергии. Затем они исследовали, как атмосфера каждой из этих смоделированных планет будет отражать свет в различных сценариях: с высоким, средним и низким уровнем биосигнатуры газов в атмосферах.
Результатом стали световые спектры, которые мы могли бы наблюдать в атмосферах экзопланет, которые имитируют три различных случая протерозойской Земли. «Ограничение доступной свободной энергии Гиббса является многообещающей стратегией определения характеристик, которая хорошо сочетается с признанными методами обнаружения биосигнатурных газов», - заключают авторы. Но чтобы реализовать этот потенциал, нам нужны более совершенные телескопы с лучшим соотношением сигнал/шум (SNR). И они, надеюсь, уже в пути. «Для космического телескопа класса 6 м с шумовыми свойствами, смоделированными на основе концепции LUVOIR-B, исследованные здесь случаи с высоким ОСШ могут быть достигнуты для цели земного типа вокруг солнечной звезды на расстояниях 5–7 пк (16–16 пк). 23 световых года) с затратами от двух до четырех недель наблюдения», — объясняют авторы. Хотя это может показаться большим временем наблюдений, оно соответствует ожидаемому целевому времени наблюдения в рамках концепции телескопа HabEx. А потенциальная экзопланета, подобная Земле, в протерозое — это ценная цель, достойная такого пристального времени для наблюдений.
Есть ли что-то еще, что космические телескопы должны поставить в приоритет? Скорее всего, не. «С точки зрения наблюдений, характеристика содержания CH4 и O2 важна для вывода о сигнале химического неравновесия в атмосфере аналогов Земли на протяжении большей части ее эволюционной истории», — пишут авторы. Хотя мы склонны приводить в норму все, что видим вокруг себя, нынешнее состояние Земли вряд ли можно назвать «нормальным». На протяжении большей части своей истории Земля сильно отличалась. Имеет смысл искать планеты, похожие на то, какой была Земля в протерозое. Протерозой длился два миллиарда лет, и жизнь на протяжении всего периода активно формировала его атмосферу. Если нам посчастливится когда-либо обнаружить еще одну экзопланету, поддерживающую жизнь, то по чистой случайности она, скорее всего, будет больше похожа на протерозойскую Землю, чем на современную Землю.
