Способен ли недавно запущенный орбитальный телескоп выявить зарождение жизни на далекой планете? Новое исследование дает утвердительный ответ. «Джеймс Уэбб» может обнаружить не менее десяти многообещающих признаков. Naked Science рассказывает, какие именно признаки сможет зафиксировать телескоп и как интерпретировать такие открытия.
Как выявить признаки жизни на экзопланете? Отложим в сторону предположения о внеземных цивилизациях, транслирующих радиосигналы или хотя бы освещают ночью свои города. Возможно ли обнаружение жизни, не обладающей разумом? И, что еще важнее, можно ли выявить зарождающиеся формы жизни?
Современные телескопы пока не способны различить на отдаленных планетах леса, степи или острова, состоящие из плавучих водорослей. Однако, они позволяют получить информацию о составе атмосферы этих миров.
Около 70% известных экзопланет были обнаружены методом транзитов. Транзит представляет собой «микрозатмение», возникающее, когда планета, движущаяся по своей орбите, оказывается между звездой и наблюдателем, заслоняя часть ее света. При этом свет звезды проходит через атмосферу экзопланеты, позволяя буквально «просвечивать» ее.
Свет и инфракрасное излучение поглощаются атмосферными газами на конкретных частотах, которые формируют спектральные линии. Каждое вещество характеризуется своим уникальным спектром, подобно индивидуальным отпечаткам пальцев. Анализ спектра света звезды во время прохождения планеты перед ней позволяет определить состав её атмосферы. Naked Science подробно рассказывал о сильных и слабых сторонах этого метода.
Признаки жизни
Газы, которые могут указывать на наличие жизни, в английском языке называются biosignatures. Термин «signature» можно интерпретировать как «признак», «отличительная черта» или даже «подпись», однако biosignatures обычно называют биосигнатурами».
Кислород и озон, трехатомная форма кислорода, являются наиболее востребованными индикаторами для исследователей биосигнатур. Эти соединения отличаются высокой реакционной способностью и склонны к быстрому потреблению в химических процессах. Присутствие кислорода в атмосфере предполагает наличие механизма, обеспечивающего его восполнение. На Земле такой механизм представлен фотосинтезом. Не исключено, что аналогичный процесс может происходить и на других планетах.
Еще одним потенциальным кандидатом является метан. Этот газ продуцируется множеством микроорганизмов. Около двух-четырех миллиардов лет назад, когда Земля представляла собой мир микробов, в атмосфере наблюдалась высокая концентрация метана была в 100 — 10 тысяч раз больше современной.
Существует множество других соединений, которые могут рассматриваться как биосигнатуры, включая простые вещества, такие как закись азота (N 2O) до сравнительно сложных, например диметилсульфида (CH3SCH3).
Необходимо осознавать, что как обнаружение, так и отсутствие биосигнатур не дают никаких гарантий. В качестве примера можно привести то, что метан присутствует в большом количестве даже на безжизненном Нептуне, а кислород и озон отсутствовали на Земле на протяжении первого миллиарда лет её развития. Тем не менее, такие косвенные признаки всё равно представляют собой ценную информацию.
Какие биосигнатуры уже идентифицированы на экзопланетах? К сожалению, на данный момент их не обнаружено. Это задача для следующего поколения телескопов. Однако некоторые вещества — как минимум метан — может обнаружить и недавно запущенный инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб».
Авторы нового исследования уделили особое внимание возможностям «Уэбба исследования, принятого в Astronomical Journal. Ученые полагают, что телескоп сможет обнаружить до десяти интересных соединений, хотя и не биосигнатур, а пребиосигнатур.
Когда ученые описывают процесс возникновения жизни из неживой материи, они используют приставку «пре-», добавляя ее к корню «био-». Так, химические реакции, которые привели к появлению жизни, обозначаются как пребиохимические.
Мы оказываемся на неоднозначной территории. Химики, моделируя условия, которые, как полагают, существовали на ранней Земле, синтезировали аминокислоты, сахара и другие «строительные блоки» жизни, однако не саму жизнь. Происхождение жизни остается обширной областью исследований, характеризующейся множеством нерешенных вопросов, сложных проблем и различных гипотез. Поскольку обнаружение биосигнатур не свидетельствует о наличии биосферы, пребиосигнатуры и вовсе не являются доказательством ее возникновения. Тем не менее, трудно остаться равнодушным к новости о далекой планете, где в бурлящем химическом растворе может формироваться жизнь?
У истоков живого
Для возникновения жизни необходимы вещества, способные служить основой для синтеза аминокислот, биосахаров и других соединений. Ученые обозначили такой «материал» как первичные пребиосигнатуры.
В качестве альтернативы, для осуществления этого синтеза необходим источник энергии. В качестве такового могут выступать вулканические извержения, грозы, падения астероидов или излучение звезды. Каждое из этих явлений оставляет после себя характерные признаки — вторичные пребиосигнатуры.
Определенное вещество способно выступать как в роли первичной, так и во вторичной пребиосигнатуры. В качестве примера можно привести сероводород (H 2S способен участвовать в формировании аминокислот, являющихся компонентами белков, и азотистых оснований, из которых построены ДНК и РНК. Таким образом, он, безусловно, выступает в роли первичной пребиосигнатуры. Однако, он также может быть и вторичной, поскольку сероводород выделяется вулканами и горячими источниками.
Для обнаружения пребиосигнатур телескопом «Уэбб» необходимо, чтобы их спектральные линии находились в подходящем диапазоне инфракрасного излучения. Кроме того, эти вещества должны обладать достаточной стабильностью и не разрушаться сразу после образования.
В связи с этим, авторы определили 10 веществ, включая аммиак (NH 3), циановодород (HCN), цианоацетилен (HC3N), сероводород (H2S), сернистый газ (SO2), ацетилен (C2H2), метан (CH4), формальдегид (CH2Эти газы включают монооксид азота (NO) и угарный газ (CO). Большинство из них (за исключением NO) являются первичными биосигнатурами, а некоторые — и вторичными.
Что определяет пребиотическую значимость этих веществ? Прежде всего, их состав. Практически любая органическая молекула строится на каркасе из атомов углерода (C), окруженном атомами водорода (H). В большинстве биологически важных молекул присутствует и кислород (O). Привлекает внимание заметное количество атомов водорода, углерода и кислорода, представленных в вышеуказанных формулах. Однако выбранные авторами соединения – это не просто источники этих трех элементов. Химики хорошо знакомы с множеством пребиотических процессов, в которых они участвуют: например, сахара образуются из формальдегида в известной реакции Бутлерова.
Для создания аминокислот и азотистых оснований необходимы также атомы азота (N). Чистый азот (N 2) этот газ не подходит для выполнения этой функции, поскольку он демонстрирует низкую реакционную способность. Требуются соединения азота, обладающие высокой активностью и способностью вступать в реакции. Наиболее подходящими являются аммиак, циановодород и цианоацетилен. В некоторых случаях для протекания реакций необходимо присутствие сероводорода и сернистого газа. цианоацетилен образуется из ацетилена, а метан может использоваться для получения циановодорода.
Монооксид азота представляет собой отдельный случай. Он не играет значительной роли в пребиотических процессах, однако является ценным вторичным биомаркером. NO может формироваться в результате ударов молний, падения крупных метеоритов и проникновения заряженных частиц из корональной области звезды в атмосферу. Эти последние явления известны как выбросы корональной массы (coronal mass ejection, CME).
Драгоценные примеси
Может ли телескоп «Уэбб» выявить наличие конкретного вещества по его спектральному отпечатку в атмосфере экзопланеты? Это определяется, прежде всего, от концентрации этого вещества.
К сожалению, совокупная доля всех известных признаков жизни, существующих на планете, где зарождается жизнь, вероятно, не превысит 1%. Это справедливо, если наши представления о химических процессах на планетах, подобных Земле, являются точными. Однако даже такие незначительные значения не являются причиной для прекращения работы телескопа «Уэбб». Задача исследования заключалась в определении самых низких концентраций, которые можно обнаружить.
Вероятность обнаружения планеты напрямую связана с количеством ее прохождений между звездой и наблюдателем. Чем больше зафиксировано транзитов, тем выше вероятность выделить полезный сигнал на фоне помех. Значительную роль также играют характеристики самой планеты и звезды, вокруг которой она вращается. Все эти параметры были приняты во внимание астрономами при проведении расчетов.
Под счастливой звездой
Начнем с обсуждения звезд. Транзиты легче всего наблюдать у красных карликов. Прежде всего, потенциально пригодные для жизни планеты часто сопоставимы по размеру с Землей. При наблюдении методом транзитов Земля заслоняла бы лишь 0,008% солнечного света. Телескопу «Уэбб» по силам обнаружить и такое затмение, однако было бы значительно проще, если бы звезда была меньше. Красные карлики являются самыми компактными звездами во Вселенной. Кроме того, красные карлики характеризуются более низкой температурой.
Для существования жидкой воды и жизни на планете она должна располагаться в непосредственной близости от своей звезды. Соответственно, период обращения вокруг звезды должен составлять всего несколько дней или недель, в отличие от года, который требуется Земле для обращения вокруг Солнца. Это позволит наблюдать несколько прохождений планеты перед звездой за относительно короткий промежуток времени. Неудивительно, что ученые выбрали именно красные карлики в качестве наиболее вероятных кандидатов. К счастью, красные карлики являются наиболее распространенным типом звезд в нашей Галактике.
От древней Земли до планеты Вода
Необходимо решить, какие характеристики будут у планеты. Специалисты создали модели шести экзопланет с радиусами от 0,9 до 2,5 радиуса Земли. Для всех смоделированных планет условия температуры и давления благоприятны для наличия жидкой воды и, как следствие, возможности существования жизни.
Атмосфера первого смоделированного мира по давлению и составу напоминает раннюю Землю: она на 90% состоит из углекислого газа и на 10% — из азота. Радиус этой планеты составляет 0,9 радиуса Земли, что соответствует параметрам потенциально обитаемой экзопланеты TRAPPIST-1e.
Пять оставшихся сценариев основаны на предположении о преобладании водорода в атмосфере. Это может показаться необычным: в Солнечной системе не обнаружено ни одной планеты, похожей на Землю, с такой атмосферой. Мы не знаем, существуют ли они где-либо во Вселенной. Телескоп «Уэбб» только недавно начал работу, а анализ атмосферы небольших планет другими инструментами представляет собой сложную задачу.
Несмотря на это, подобные миры часто встречаются в теоретических построениях. Ведь на водород приходится 91% всех атомных ядер во Вселенной. К тому же, водородная атмосфера более удобна для изучения, чем любая другая. Водород — легкий газ, поэтому он поднимается высоко над поверхностью. Благодаря этому, звездный свет легче проникает сквозь газовую оболочку. Таким образом, выбор водородной атмосферы – это своего рода поиск нужного объекта в ограниченном пространстве.
Второй сценарий предполагает планету, немного превышающую Землю по размеру (1,2 радиуса Земли), с атмосферой, состоящей преимущественно из водорода (90%) и азота (около 10%), с незначительными добавками вулканического метана и угарного газа. Третий вариант – суперземля (1,7 радиуса Земли) с атмосферой, аналогичной предыдущей – водородно-азотной (90% водорода и около 10% азота). В обоих сценариях атмосферное давление соответствует земному.
Мир, сопоставимый с Землей по размеру, но обладающий плотной водородной атмосферой, также является гипотетическим. Согласно мнению авторов исследования, такая атмосфера может сформироваться вследствие столкновения с другой планетой и испарения океанов – события, не редкость в молодых планетных системах. Характеристики газовой оболочки определяются временем, прошедшим с момента катастрофического события.
В качестве альтернативных сценариев авторы проанализировали два варианта: первый – через 100 тысяч лет после столкновения (содержание водорода 98%, незначительное количество метана, около 2%, и давление 55 атмосфер), второй – через 10 миллионов лет после удара (99% водорода, приблизительно 0,6% угарного газа и давление 45 атмосфер). Эти сценарии обозначены как номер четыре и пять.
Шестой, заключительный вариант представляется наиболее необычным. Речь идет о хайшене (hyocean) – планете-океане с радиусом, в 2,5 раза превышающим земной. Ее плотная атмосфера включает 90% водорода, 9% гелия и создает давление, эквивалентное 100 атмосфер на Земле. Этот мир справедливо можно было бы назвать планетой Вода: содержание воды в массе хайшена может варьироваться от 10% до 90% (для сравнения, на Земле этот показатель составляет всего 0,02%). Научная группа недавно ввела термин «хайшен» в научный обиход обосновавшая потенциальную обитаемость таких миров. Слово образовано от английских hydrogen («водород») и ocean («океан»).
У порога жизни
Какие вещества, в каких концентрациях и на каких планетах сможет обнаружить телескоп «Уэбб»? И сколько прохождений (транзитов) потребуется для этого?
Исследователи пришли к выводу, что оптимальное соотношение между объемом получаемых данных и стоимостью времени наблюдений с телескопа «Уэбб» — это три транзита. Для всех пяти экзопланет с водородными атмосферами этого оказалось достаточно для выявления всех десяти пребиосигнатур. Концентрации, превышающие пороговые значения, в большинстве случаев были ниже одной миллионной доли, лишь эпизодически достигая десятых долей процента. Это весьма обнадеживающий результат. Поиск пребиосигнатур в водородных атмосферах представляется простым — при условии, что реальные данные соответствуют теоретическим моделям.
Атмосфера древней Земли оказалась значительно сложнее для изучения. В ходе трех транзитов не было зарегистрировано ни одной пребиосигнатуры в каких-либо заметных концентрациях. Метан, аммиак, ацетилен, цианоацетилен и циановодород были зафиксированы в течение пяти–десяти транзитов. Другие пребиосигнатуры, если и обнаруживались, то уже на десятках транзитов.
Десять транзитов, зафиксированных для пяти веществ-маркеров, нельзя назвать выдающимся результатом, однако он не является и критичным. Возьмем, к примеру, планету TRAPPIST-1e – потенциального кандидата на роль «древней Земли». Она совершает полный оборот вокруг своей звезды всего за шесть земных суток. Телескоп «Уэбб» пользуется огромным спросом среди астрономов, и никто не разрешит ему непрерывно наблюдать за звездой в течение двух месяцев. К счастью, такая необходимость и не возникает.
Мы точно знаем время начала и окончания очередного транзита TRAPPIST-1e благодаря данным, полученным с других телескопов. Наблюдение за одним «затмением» потребует десяти часов, что позволит уложиться в 100 часов чистого наблюдательного времени. Ключевым фактором является точная наводка телескопа на звезду в запланированные моменты.
Включение подобного задания в программу наблюдений «Уэбба» требует значительных усилий. Каждый астроном уверен, что его научные цели наиболее приоритетны и увлекательны. Однако у исследователей, занимающихся поиском признаков жизни за пределами Земли, вероятно, есть наибольшие возможности убедить общество в важности их работы.