Обнаружение экзопланет сейчас почти обычное дело. Мы обнаружили более 5500 экзопланет, и следующим шагом является изучение их атмосфер и поиск биосигналов. Космический телескоп Джеймса Уэбба лидирует в этих усилиях. Но в атмосферах некоторых экзопланет молния может усложнить работу JWST, скрывая некоторые потенциальные биосигналы и усиливая другие. Обнаружение биосигналов в атмосферах отдаленных планет сопряжено с трудностями. Они не афишируют свое присутствие, а сигналы, которые мы получаем от атмосфер экзопланет, сложны. Новое исследование добавляет еще одно осложнение к усилиям. В нем говорится, что молния может маскировать присутствие таких веществ, как озон, что указывает на то, что на планете может существовать сложная жизнь. Это также может усилить присутствие таких соединений, как метан, который считается многообещающим биосигналом. Новое исследование называется "Влияние молнии на химический состав атмосферы экзопланет и потенциальные биосигналы", и оно было принято к публикации в журнале Astronomy and Astrophysics.
Оно доступно на сервере препринтов arXiv. Ведущим автором является Патрик Барт, научный сотрудник Института космических исследований Австрийской академии наук. Хотя мы обнаружили более 5500 экзопланет, только 69 из них находятся в потенциально обитаемых зонах вокруг своих звезд. Это скалистые планеты, которые получают достаточно энергии от своих звезд, чтобы потенциально поддерживать жидкую воду на своей поверхности. Наш поиск биосигнатур сосредоточен на этом небольшом числе планет. Важным следующим шагом является определение того, есть ли у этих планет атмосферы, а затем каков состав этих атмосфер. JWST - наш самый мощный инструмент для этих целей. Но для того, чтобы понять, что JWST показывает нам в отдаленных атмосферах, мы должны знать, о чем говорят нам его сигналы. Подобные исследования помогают ученым подготовиться к наблюдениям JWST, предупреждая их о потенциальных ложноположительных результатах и замаскированных биосигналах.
В своем исследовании авторы объединили лабораторные эксперименты с фотохимическим моделированием и моделированием переноса излучения. Атмосферы могут быть чрезвычайно сложными, и вряд ли две экзопланеты будут обладать одинаковыми атмосферными качествами. Но физика и химия диктуют, что может произойти, а модели фотохимического и радиационного переноса могут обрабатывать тысячи различных типов химических реакций в атмосферах. В лабораторных экспериментах искровой разряд заменял молнию. Исследователи сосредоточились на атмосферах, содержащих N2, CO2 и H2, и различных продуктах, производимых молнией. В других исследованиях проводилось то же самое, но эта работа отличается. Предыдущие исследования были сосредоточены либо на отдельных продуктах, либо только на небольшом количестве продуктов. Но Барт и его коллеги расширили эту работу. Они изучали производство более широкого спектра химических веществ.
Это позволило им "...исследовать тенденции в наших экспериментах, касающиеся степени окисления продуктов молнии и влияния водяного пара", - объясняют они. "В частности, нас интересовало влияние молнии на образование потенциальных (анти-)биосигналов в контексте текущих и предстоящих наблюдений за атмосферами экзопланет". Исследователи обнаружили, что влияние молнии на биосигналы зависит от типа атмосферы и количества молний. Они рассмотрели два основных типа атмосфер: восстановительную и окислительную. Восстановительная атмосфера не содержит кислорода или других окисляющих газов и не может производить никаких окисленных соединений. В окислительной атмосфере все наоборот. Она действительно содержит кислород, который образует окисленные соединения.
Их результаты показывают, что для планеты с поверхностной водой и пригодными для жизни условиями со слегка восстанавливающейся или слегка окисляющейся атмосферой вероятность ложных срабатываний молнии меньше. Авторы предсказывают, что "...для изучаемых здесь атмосфер молния не способна вызвать ложноположительную биосигнализацию NH3 или CH4". Они говорят, что также маловероятно, что молния могла вызвать ложноположительную биосигнализацию N2O. Но молния произвела некоторые соединения, включая CO и NO. Исследователи использовали уровни образования обоих химических веществ, чтобы рассчитать, как частота вспышек молний влияет на химический состав атмосферы. Затем они применили эту модель к планетам размером с Землю в обитаемых зонах Солнца и TRAPPIST-1 как для кислородных, так и для бескислородных атмосфер. Они провели моделирование этих сценариев на планетах с биосферами и без них. Они также рассчитали смоделированные спектры из этих миров, чтобы идентифицировать химические сигнатуры.
Их результаты? "Мы обнаружили, что молния не способна генерировать ложноположительную анти-биосигнатуру CO на обитаемой планете", - объясняют авторы. "Однако в атмосфере, богатой кислородом, частота молний, всего в несколько раз превышающая современную земную, может маскировать биосигнал O3 [озона]". Но в других ситуациях молния может предотвратить ложные срабатывания. В бескислородной атмосфере планеты, вращающейся вокруг старого красного карлика, молнии, более частые, чем земные, могут устранить один тип ложноположительных результатов. "Аналогичным образом, в бескислородной абиотической атмосфере планеты, вращающейся вокруг позднего М-карлика, молния с частотой вспышек в десять раз или более, чем у современной Земли, может удалить абиотический озон, образующийся в результате фотолиза CO2, предотвращая ложноположительное обнаружение биосигнала", - объясняют они. Сказать, что это сложно, значит ничего не сказать.
Есть еще один поворот. Молния может не предотвратить другие важные ложные срабатывания. "...молния, возможно, не сможет предотвратить все ложноположительные сценарии O2 для богатых CO2 планет земной группы, вращающихся вокруг ультрахолодных M-карликов", - пишут авторы. Те, у кого есть склонность к иронии, могут заметить здесь кое-что. Ученые почти уверены, что молния сыграла определенную роль в жизни на Земле, обеспечив энергетическую искру, которая привела все в движение. Но тот факт, что молния также может затруднить нам обнаружение жизни, несколько ироничен. Но ирония - это изобретение человека. Природе все равно. Она делает то, что делает, и нам предстоит разобраться в этом. "Таким образом, наша работа создает новые ограничения для полной характеристики атмосферных и поверхностных процессов на экзопланетах", - заключают авторы.
