|
Питательные вещества для жизни на экзопланетах
|
|
|
|
Жизнь на Земле зависит от шести важнейших элементов: углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы. Эти элементы называются CHNOPS, и, наряду с несколькими микроэлементами и жидкой водой, они необходимы для жизни. Ученые приступают к поиску экзопланет, которые могут быть достаточно теплыми, чтобы на их поверхности была жидкая вода, что является основным признаком пригодности для жизни. Но теперь они хотят улучшить свою игру, обнаружив CHNOPS в атмосферах экзопланет. Мы только начинаем понимать, как экзопланеты могут поддерживать жизнь. Чтобы углубить наше понимание, нам нужно понять наличие CHNOP в атмосферах планет. В новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv, рассматривается этот вопрос. Она называется "Ограничения обитаемости, обусловленные доступностью питательных веществ в атмосферах скалистых экзопланет". Ведущий автор - Оливер Херборт из департамента астрофизики Венского университета и аспирант АРИЭЛЯ. Статья была принята Международным журналом астробиологии (International Journal of Astrobiology).
|
|
|
|
На нашем нынешнем технологическом уровне мы только начинаем изучать атмосферу экзопланет. JWST - наш основной инструмент для решения этой задачи, и он хорош в этом. Но JWST занят другими задачами. В 2029 году Европейское космическое агентство (ЕКА) запустит ARIEL - программу дистанционного зондирования атмосферы, предназначенную для исследования экзопланет в инфракрасном диапазоне. ARIEL будет сосредоточен исключительно на изучении атмосфер экзопланет. В преддверии запуска этого телескопа Херборт и его коллеги-исследователи готовятся к получению результатов и их влиянию на пригодность для жизни. "Детальное понимание самих планет становится важным для интерпретации наблюдений, особенно для обнаружения биосигналов", - пишут они. В частности, они тщательно изучают идею воздушных биосфер. "Мы стремимся понять присутствие этих питательных веществ в атмосферах, которые свидетельствуют о наличии конденсата в виде водяных облаков, что потенциально позволяет существование воздушных биосфер".
|
|
|
Поверхность нашей планеты-сестры Венеры непригодна для жизни. Экстремальная жара и давление делают поверхность планеты непригодной для жизни по любым доступным нам показателям. Но некоторые ученые предположили, что в атмосфере Венеры может существовать жизнь, основываясь в основном на обнаружении фосфина, возможного индикатора жизни. Это пример того, как может выглядеть воздушная биосфера. "Эта концепция воздушных биосфер расширяет возможности потенциальной обитаемости от наличия жидкой воды на поверхности до всех планет с облаками жидкой воды", - объясняют авторы. Авторы рассмотрели идею воздушных биосфер и то, как на них влияет обнаружение CHNOPS. Они представили концепцию уровней доступности питательных веществ в атмосферах экзопланет. В их рамках наличие воды требуется независимо от наличия других питательных веществ. "Мы рассматривали любую атмосферу, в которой нет конденсата воды, как непригодную для жизни", - пишут они, подчеркивая главенство воды. Исследователи определили различные уровни пригодности для жизни, основываясь на присутствии и количестве питательных веществ, содержащихся в CHNOPS.
|
|
|
|
Чтобы изучить структуру доступности питательных веществ, исследователи обратились к моделированию. В моделируемых атмосферах содержались различные уровни питательных веществ, и исследователи применили свою концепцию доступности питательных веществ. Их результаты направлены на понимание не пригодности для обитания, а химического потенциала для этого. Атмосфера планеты может быть радикально изменена жизнью, и это исследование направлено на то, чтобы понять потенциал атмосферы для жизни. "Наш подход напрямую направлен не на понимание биосигналов и атмосфер обитаемых планет, а на изучение условий, в которых может происходить пребиотическая химия", - пишут они. В их работе минимальная концентрация питательного вещества в атмосфере, которая должна быть доступна, составляет 109, или один миллиард на миллион (часть на миллиард).
|
|
|
|
"Мы обнаружили, что в большинстве атмосфер в точках (p-газ, T-газ), где жидкая вода стабильна, молекулы, содержащие CNS, присутствуют в концентрациях выше 109", - пишут они. Они также обнаружили, что углерод, как правило, присутствует в любой смоделированной атмосфере, и что наличие серы увеличивается с повышением температуры поверхности. При более низких температурах на поверхности количество азота (N2, NH3) увеличивается. Но при более высоких температурах на поверхности азот может истощаться. Фосфор - это другое дело. "Ограничивающим элементом среди элементов CHNOPS является фосфор, который в основном содержится в планетарной коре", - пишут они. Авторы отмечают, что в прошлые времена дефицит фосфора в атмосфере Земли ограничивал биосферу.
|
|
|
|
Воздушная биосфера - интересная идея. Но это не главная цель усилий ученых по обнаружению атмосфер экзопланет. Жизнь на поверхности - это их святой грааль. Неудивительно, что, учитывая все обстоятельства, все сводится к жидкой воде. "Как и в предыдущей работе, наши модели предполагают, что ограничивающим фактором для обитаемости на поверхности планеты является наличие жидкой воды", - пишут авторы. В их работе, когда была доступна поверхностная вода, ЦНС была доступна в нижних слоях атмосферы вблизи поверхности. Но поверхностные воды играют несколько ролей в химическом составе атмосферы. При определенных обстоятельствах они могут связываться с некоторыми питательными веществами, делая их недоступными, а при других обстоятельствах они могут сделать их доступными.
|
|
|
|
"Если на поверхности есть вода, элементы, отсутствующие в газовой фазе, накапливаются в конденсатах земной коры", - пишут авторы. Химическое выветривание может затем сделать их доступными в качестве питательных веществ. "Это открывает путь к преодолению недостатка атмосферного фосфора и металлов, которые используются в ферментах, управляющих многими биологическими процессами". Это усложняет ситуацию на планетах, покрытых океанами. Пребиотические молекулы могут быть недоступны, если вода и горные породы не будут взаимодействовать с атмосферой. "Если действительно удастся доказать, что жизнь может формироваться в водном океане без какой-либо открытой суши, это ограничение ослабнет, и потенциальная обитаемость поверхности станет в основном вопросом стабильности воды", - пишут авторы. Некоторые модели удивляют наличием в атмосфере жидкой воды. "Многие модели показывают наличие зоны жидкой воды в атмосфере, которая отделена от поверхности. Эти регионы могут представлять интерес для формирования жизни в формах воздушных биосфер", - пишут Херборт и его коллеги.
|
|
|
|
Если и есть что-то, что показывают подобные исследования, так это то, что атмосферы планет чрезвычайно сложны и могут кардинально изменяться с течением времени, иногда из-за самой жизни. Это исследование имеет определенный смысл в попытке понять все это. Сложность подчеркивает тот факт, что исследователи не учитывали звездное излучение в своей работе. Включение этого вопроса сделало бы работу слишком громоздкой. Проблема пригодности для жизни сложна и осложняется отсутствием ответов на фундаментальные вопросы. Обязательно ли, чтобы кора планеты соприкасалась с водой и атмосферой, чтобы питательные вещества были доступны для человека? На Земле существует временная воздушная биосфера. Могут ли воздушные биосферы быть важной частью обитаемости экзопланет? Но помимо всех симуляций и моделей, какими бы мощными они ни были, ученым больше всего нужно больше данных. Когда ARIEL запустится, у ученых будет гораздо больше данных для работы. Подобные исследования помогут ученым понять, что обнаружила АРИЭЛЬ.
|
|
|
|
Источник
|
