Поиск экзопланет в настоящее время переживает сейсмический сдвиг. С помощью космического телескопа "Кеплер" и спутника Transiting Exoplanet Survey (TESS) ученые обнаружили тысячи экзопланет, большинство из которых были обнаружены и подтверждены косвенными методами. Но в последние годы, с запуском космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), в этой области наметился сдвиг в сторону определения характеристик. В этом процессе ученые полагаются на спектры излучения атмосфер экзопланет для поиска химических признаков, которые мы ассоциируем с жизнью (биосигналы). Однако существуют некоторые разногласия относительно того, какие признаки следует искать ученым. По сути, астробиология использует жизнь на Земле в качестве шаблона при поиске признаков внеземной жизни, подобно тому, как охотники за экзопланетами используют Землю в качестве стандарта для измерения "обитаемости". Но, как отмечают многие ученые, жизнь на Земле и ее природная среда значительно эволюционировали с течением времени. В недавней статье, размещенной на сервере препринтов arXiv, международная команда ученых продемонстрировала, как астробиологи могут искать жизнь на TRAPPIST-1e, основываясь на том, что существовало на Земле миллиарды лет назад.
Команда состояла из астрономов и астробиологов из Института глобальных систем, а также из факультетов физики и астрономии, математики и статистики и естественных наук Эксетерского университета. К ним присоединились исследователи из Школы наук о Земле и океане Университета Виктории и Музея естественной истории в Лондоне. Статья, в которой описываются их результаты, "Биосигналы жизни на TRAPPIST-1e, существовавшей до фотосинтеза кислорода", будет опубликована в ежемесячных уведомлениях Королевского астрономического общества. Система TRAPPIST-1 была в центре внимания с тех пор, как в 2016 году астрономы подтвердили наличие трех экзопланет, число которых к следующему году выросло до семи. Поскольку это одна из многих систем с малой массой и более холодной родительской звездой типа M (красный карлик), остаются нерешенными вопросы о том, может ли какая-либо из ее планет быть пригодной для жизни. Во многом это связано с изменчивой и нестабильной природой красных карликов, которые склонны к вспышечной активности и могут не производить достаточного количества необходимых фотонов для обеспечения фотосинтеза.
Поскольку вокруг красных карликов вращается так много скалистых планет, включая ближайшую к нашей Солнечной системе экзопланету (Проксима b), многие астрономы считают, что эти системы были бы идеальным местом для поиска внеземной жизни. В то же время они также подчеркнули, что эти планеты должны были бы обладать плотной атмосферой, собственными магнитными полями, достаточными механизмами теплопередачи или всем вышеперечисленным. Ожидается, что JWST и другие телескопы следующего поколения, такие как предлагаемый ESO Чрезвычайно большой телескоп (ELT), позволят определить, есть ли на экзопланетах эти предпосылки для жизни. Но даже с этими и другими приборами нового поколения все еще остается вопрос о том, какие биосигналы нам следует искать. Как уже отмечалось, наша планета, ее атмосфера и все живое, каким мы его знаем, значительно эволюционировали за последние 4 миллиарда лет.
В архейскую эпоху (около 4-2,5 миллиардов лет назад) атмосфера Земли состояла преимущественно из углекислого газа, метана и вулканических газов, и в ней существовали лишь анаэробные микроорганизмы. Только за последние 1,62 миллиарда лет появилась первая многоклеточная жизнь, которая развилась до своей нынешней сложности. Более того, количество эволюционных шагов (и их потенциальная сложность), необходимых для перехода на более высокие уровни сложности, означает, что на многих планетах, возможно, никогда не разовьется сложная жизнь. Это согласуется с гипотезой Великого фильтра, которая гласит, что, хотя жизнь может быть распространена во Вселенной, развитая жизнь - нет. В результате, наиболее распространенными могут быть простые микробные биосферы, подобные тем, которые существовали во времена архея. Таким образом, ключевым моментом является проведение поисков, которые позволили бы выделить биосигналы, соответствующие примитивной жизни и условиям, которые были характерны для Земли миллиарды лет назад.
Как объяснил Universe Today по электронной почте доктор Джейк Игер-Нэш, научный сотрудник Университета Виктории и ведущий автор исследования: "Я думаю, что история Земли дает много примеров того, как могут выглядеть обитаемые экзопланеты, и важно понимать биосигналы в контексте истории Земли, поскольку у нас нет других примеров того, как могла бы выглядеть жизнь на других планетах. В архейский период, когда, как полагают, впервые возникла жизнь, был период продолжительностью около миллиарда лет, прежде чем развился фотосинтез, производящий кислород, и он стал доминирующим первичным источником, концентрация кислорода была действительно низкой. Таким образом, если обитаемые планеты движутся по траектории, сходной с траекторией Земли, они могут долгое время находиться в подобном периоде без биосигналов кислорода и озона, поэтому важно понять, как выглядят биосигналы, подобные архейским".
Для своего исследования команда разработала модель, которая учитывала условия, подобные архейским, и то, как присутствие ранних форм жизни потребляло одни элементы, добавляя другие. В результате была получена модель, в которой простые бактерии, живущие в океанах, потребляют такие молекулы, как водород (H) или монооксид углерода (CO), создавая углеводы в качестве источника энергии и метан (CH4) в качестве отходов. Затем они рассмотрели, как будет происходить газообмен между океаном и атмосферой, что приведет к снижению концентраций H и CO и увеличению концентрации CH4. Сказал Эгер-Нэш: "Считается, что биосигналы, подобные архейским, требуют присутствия метана, углекислого газа и водяного пара, а также отсутствия монооксида углерода. Это происходит потому, что водяной пар указывает на наличие воды, в то время как атмосфера, содержащая как метан, так и монооксид углерода, указывает на то, что атмосфера находится в неравновесном состоянии, а это означает, что оба этих вида не должны существовать вместе в атмосфере, поскольку химический состав атмосферы преобразует все одно в другое, если только там нет чего-то еще., как и жизнь, которая поддерживает это неравновесие. Отсутствие монооксида углерода важно, поскольку считается, что жизнь быстро найдет способ потреблять этот источник энергии".
Когда концентрация газов в атмосфере становится выше, газ растворяется в океане, восполняя запасы водорода и окиси углерода, потребляемые простыми формами жизни. По мере увеличения уровня метана, образующегося в океане биологическим путем, он будет попадать в атмосферу, где возникают дополнительные химические процессы, и различные газы разносятся по планете. Исходя из этого, команда получила общий состав атмосферы, чтобы предсказать, какие биосигналы могут быть обнаружены. "Мы обнаружили, что монооксид углерода, вероятно, присутствует в атмосфере планеты, подобной архейской, вращающейся вокруг М-карлика", - сказал Эгер-Нэш. "Это происходит потому, что звезда-хозяин управляет химическими процессами, которые приводят к более высокой концентрации монооксида углерода по сравнению с планетой, вращающейся вокруг Солнца, даже если у вас есть это [соединение], потребляющее жизнь".
В течение многих лет ученые рассматривали вопрос о том, как можно расширить околосолнечную обитаемую зону (CHZ), включив в нее условия, подобные земным, существовавшим в предыдущие геологические периоды. Аналогичным образом, астробиологи работают над более широким изучением типов биосигналов, связанных с более древними формами жизни (такими как организмы, занимающиеся фотосинтезом сетчатки). В этом последнем исследовании Эгер-Нэш и его коллеги установили ряд биосигналов (вода, монооксид углерода и метан), которые могут привести к обнаружению жизни на каменистых планетах архейской эры, вращающихся вокруг солнцеподобных и красных карликов.
