Scienty

Новый телескоп «Джеймс Уэбб» может ли обнаружить зарождающуюся жизнь на далекой планете? Исследование дает утвердительный ответ: да. Телескопом можно засечь не меньше десятка признаков, указывающих на жизнь. Naked Science объясняет, что именно может обнаружить телескоп и как следует понимать такие находки.

Как найти признаки жизни на планете другой звезды? радиосигналы или хотя бы освещают ночью свои городаВозможно ли обнаружить жизнь, которая проявляет недостаток разума? А может быть, даже жизнь только что возникшую?

На дальних планетах телескопы пока не способны разглядеть леса, степи или острова плавучих водорослей. Но что-то о составе их атмосферы всё же могут сообщить.

Примерно семьдесят процентов известных экзопланет обнаружены благодаря транзитам. Транзит представляет собой «микрозатмение», когда планета, движусь по орбите, проходит между своей звездой и наблюдателем, заслоняя часть света звезды. В это время лучи светила проходят через атмосферу экзопланеты, просвечивая её.

Атмосферные газы поглощают свет и инфракрасные волны на определённых частотах, создавая своеобразный спектр. Каждый элемент имеет свои уникальные линии в спектре, как у каждого человека есть собственные отпечатки пальцев. Изучая спектр starlight во время транзита, можно определить состав атмосферы планеты. Naked Science подробно рассказывалОб достоинствах и недостатках данного подхода.

Признаки жизни

Вещества, указывающие на возможность существования жизни, в англоязычных текстах называются биосигнатурами.

Теоретики чаще всего рассматривают кислород и озон как биосигнатуры. Обе разновидности отличаются высокой активностью и быстро расходуются в химических реакциях. Наличие кислорода в атмосфере свидетельствует о наличии процесса, пополняющего его запасы. На Земле таким процессом является фотосинтез. Возможно, что на других планетах действуют аналогичные процессы.

Еще один претендент на роль источника — метан. Множество микроорганизмов выделяют его. В эпоху два-четыре миллиарда лет назад, когда Земля была планетой микробов, концентрация метана в атмосфере… была в 100 — 10 тысяч раз больше современной.

Многое ещё из веществ претендует на звание биосигнатур — от самых простых соединений, как например закись азота (NO). ₂O) до сравнительно сложных, например диметилсульфида (CH₃SCH₃).

Важно понимать, что ни присутствие, ни отсутствие биосигнатур не дают никаких гарантий. Например, метана много и на безжизненном Нептуне, а кислорода и озона не было на Земле в первый миллиард лет развития жизни. Но и такие косвенные признаки лучше, чем отсутствие каких-либо признаков.

Какие биосигнатуры обнаружены на экзопланетах? Пока ни одной. задачаДля последующих поколений телескопов предназначены инструменты, способные обнаруживать определенные вещества. Некоторым вещам, например метану, удалось найти благодаря недавно запущенному инфракрасному телескопу «Джеймс Уэбб».

Авторы нового исследования обратили внимание на возможности телескопа «Уэбба». исследования, принятого в Astronomical JournalК выводу пришли, что телескоп способен зафиксировать целое множество интересных веществ — правда, не биосигнатур, а пребиосигнатур.

Ученые используют приставку «пре-» к корню «био-», описывая процесс зарождения жизни из неживых веществ. Например, химические реакции, породившие жизнь, считаются пребиохимическими.

Мы переходим на скользкую территорию. Химики в условиях, напоминающих древнюю Землю, синтезировали аминокислоты, сахара и некоторые другие «строительные блоки» жизни, но не саму жизнь. Проблема ее возникновения — огромная область исследований с множеством белых пятен, трудных вопросов и конкурирующих гипотез. Если биосигнатуры не гарантируют наличие биосферы, то пребиосигнатуры тем более не гарантируют зарождения жизни. И все же, кого бы не порадовала новость о далекой планете, в бурлящем химическом котле которой может на наших глазах возникать жизнь?

У истоков живого

Для возникновения жизни необходимо вещество, способное к синтезу аминокислот, биосахаров и подобных соединений. Такой «материал» учёные называют первичными пребиосигнатурами.

Второе условие для этого синтеза — источник энергии. Им могут быть вулканические извержения, молнии, падения астероидов или активность звезды. Все эти явления оставляют в атмосфере собственные следы — вторичные пребиосигнатуры.

То же самое вещество может являться как первичной, так и вторичной пребиосигнатурой. ₂Сера может быть важна для синтеза аминокислот, из которых состоят белки, и азотистых оснований, необходимых для ДНК и РНК. Поэтому она первичная пребиосигнатура. Но одновременно является и вторичной, поскольку сероводород выделяют вулканы и горячие источники.

Для того чтобы «Уэбб» заметил пребиосигнатуры, спектральные линии должны располагаться в подходящем диапазоне инфракрасных волн. Кроме того, эти вещества должны обладать достаточной стабильностью и не разрушаться сразу же после возникновения.

В результате учёные обозначили десять соединений: аммиак (NH₃), серная кислота (H₂SO₄), хлористый медь (CuCl), калий бромид (KBr), и др. ₃), циановодород (HCN), цианоацетилен (HC₃N), сероводород (H₂S), сернистый газ (SO₂), ацетилен (C₂H₂), метан (CH₄), формальдегид (CH₂Оксид азота (NO), монооксид азота (NO) и угарный газ (CO). Практически все (кроме NO) — первичные биосигнатуры, а многие ещё и вторичные.

Что делает эти вещества пребиосигнатурами? Прежде всего состав. Основой практически любой органической молекулы служит каркас из атомов углерода (C), обрамленный атомами водорода (H). В большинстве биологически важных молекул присутствует кислород (O). В формулах вышеприведенных соединений бросается в глаза обилие букв H, C, O. Но выбранные авторами соединения — не случайные источники трех элементов. Химики знают множество пребиотических процессов с их участием: например, из формальдегида образуются сахара в знаменитой реакции Бутлерова.

Для синтеза аминокислот и азотистых оснований необходимы также атомы азота. ₂Этот газ не подходит в качестве источника: он неохотно взаимодействует с другими веществами. Требуются активные соединения азота, готовые к реакциям. Самыми перспективными кандидатами считаются аммиак, циановодород и цианоацетилен. Для некоторых из этих реакций важны сероводород и сернистый газ. Ацетилен — естественное начало для образования цианоацетилена, а метан помимо прочего служит «сырье» для формирования циановодорода.

Монооксид азота выделяется своим положением. В пребиотической химии его роль не велика, но в качестве вторичной биосигнатуры он превосходен. NO образуется при разрядах молний, падении метеоритов и проникновении заряженных частиц из короны звезды в атмосферу. Последние называются CME (выбросами корональной массы).

Драгоценные примеси

Может ли телескоп «Уэбб» обнаружить в спектре экзопланет линий конкретных веществ? Ответ во многом зависит от их концентрации в атмосфере планет.

К сожалению, доля всех пребиосигнатур на любой планете с только начинающейся жизнью, скорее всего, не превысит 1%. При условии, что мы правильно понимаем химию планет, похожих на Землю. Но для чувствительного «Уэбба» такие цифры — ещё не повод отступать. Цель исследования заключалась в вычислении минимальных обнаруживаемых концентраций.

Порог обнаружения зависит от числа прохождения планеты между звездой и наблюдателем. Чем больше транзитов наблюдалось, тем выше вероятность выделить полезный сигнал из шума. Учитываются также тип планеты и ее звезда. Астрономы учли все эти факторы в расчётах.

Под счастливой звездой

Начнем с рассмотрения звезд. Наблюдение транзитов у красных карликов является наиболее простым. Во-первых, потенциально обитаемые планеты по размеру схожи с Землей. А при наблюдении методом транзитов наша планета затмевала бы всего 0,008% солнечного света. «Уэббу» под силу обнаружить такое затмение, но проще было бы, если бы Солнце было меньше. Красные карлики — самые маленькие звезды во Вселенной. Во-вторых, эти звезды еще и прохладные.

Для существования жидкой воды и жизни планета должна находиться близко к звезде. Это означает, что вращение вокруг звезды должно занимать несколько дней или недель, а не год, как у Земли. За разумное время можно наблюдать несколько транзитов. Неудивительно, что авторы остановили выбор именно на красных карликах, ведь большинство звезд в Галактике относятся к этому классу.

От древней Земли до планеты Вода

Остается выяснить характеристики планет. Ученые создали модели шести экзопланет с радиусами от 0,9 до 2,5 земных диаметров. На всех температура и давление соответствуют условиям для существования жидкой воды, а значит, и жизни.

Созданный мир напоминает раннюю Землю давлением и составом атмосферы (на 90% углекислый газ, на 10% азот). Радиус планеты равен 0,9 земного, как у потенциально обитаемой экзопланеты TRAPPIST-1e.

Пятеро сценариев предполагают преобладание водорода в атмосфере. Это может показаться необычным: в Солнечной системе нет планет, подобных Земле, с водородной атмосферой. Мы не знаем, существуют ли такие планеты вообще во Вселенной. «Уэбб» недавно начал работу, а анализ атмосфер небольших планет другими инструментами затруднителен.

Несмотря на это, подобные миры часто появляются в работах теоретиков. На водород приходится 91% атомных ядер во Вселенной. Кроме того, исследовать водородную атмосферу проще, чем любую другую. Водород — легкий газ, поднимающийся высоко над поверхностью. В результате лучи звезды лучше просвечивают газовую оболочку. Так что выбор водородной атмосферы в некотором роде напоминает поиски под фонарем.

Второй вариант: планета размером 1,2 земных радиуса с атмосферой из 90% водорода и почти 10% азота, с небольшим количеством метана и угарного газа, выделяемых вулканами. Третий вариант — суперземля размером 1,7 земных радиуса с водородно-азотной атмосферой (90% водорода и почти 10% азота). В обоих случаях атмосферное давление такое же, как на Земле.

Есть гипотетический мир размером с Землю, но у него очень плотная водородная атмосфера. Авторы исследования полагают, что такая атмосфера может появиться после столкновения с другой планетой и испарения океанов – подобные катастрофы часты в молодых системах. Характеристики газовой оболочки зависят от того, как давно случился катаклизм.

Исследователи изучили два варианта: атмосферу через 100 тысяч лет после удара (98% водорода, почти 2% метана при давлении 55 атмосфер) и через 10 миллионов лет (99% водорода, около 0,6% угарного газа при давлении 45 атмосфер). Это сценарии четыре и пять.

Шестой вариант самый необычный. Это хайшен — планета-океан с радиусом 2,5 земных. Ее атмосфера густая: на 90% водород, на 9% гелий. Давление в ней такое же, как у 100 земных атмосфер. Такой мир можно было бы назвать планетой Вода: доля воды в массе хайшена может быть от 10% до 90%. Для сравнения, на Земле это всего 0,02%. Термин «хайшен» ввел научная группа недавно. обосновавшаяВозможность существования жизни на этих планетах. Термин образован из английского слова «водород» и «океан».

У порога жизни

Какие вещества, в каких дозах и на каких планетах сможет обнаружить «Уэбб»? Сколько времени потребуется для этого?

Исследователи считают оптимальным компромиссом для миссии «Уэбба» три транзита по всем пяти мирам с водородными атмосферами. Такого количества данных оказалось достаточно для выявления всех десяти пребиосигнатур. Чаще всего пороговые концентрации были ниже одной части на миллион, иногда достигая десятых долей процента. Результат весьма положительный. Кажется, поиск пребиосигнатур в водородных атмосферах будет прост, если реальность совпадет с моделями.

Анализ атмосферы древней Земли оказался сложнее ожидаемого. За три транзита не было обнаружено ни одной пребиосигнатуры, даже при разумных концентрациях. Метан, аммиак, ацетилен, цианоацетилен и циановодород регистрировались за пять–десять транзитов. Прочие пребиосигнатуры обнаруживались только на десятках транзитов.

Десять транзитов пяти веществ-маркеров — результат не впечатляющий, но оптимизма все же оставляющий. Например, планета TRAPPIST-1e, претендующая на звание «древней Земли», делает один оборот вокруг звезды за шесть суток. «Уэбб» востребован астрономами, и никто не позволит ему отрываться от наблюдения за звездой два месяца. Но этого и не нужно.

Благодаря другим телескопам можно точно определить начало и конец очередного транзита TRAPPIST-1e. Отравив на наблюдение одного «затмения» десять часов, получится уложиться в 100 часов чистого наблюдательного времени. Главное — навести телескоп на звезду в нужные моменты.

Включить такое задание в программу наблюдений «Уэбба» — задача не из лёгких. Каждый астроном полагает, что именно его научные задачи самые значимые и увлекательные. Однако у тех, кто ведёт поиски признаков внеземной жизни, возможно больше шансов доказать это общественности.