Ионосферный кислород обнаруженных экзопланет

На протяжении десятилетий астрономы искали на этих далеких экзопланетах признаки жизни, а именно самую важную молекулу - воду

Представление художника о далекой экзопланете. NASA.
0

9 января 1992 года астрономы объявили о важном открытии: они обнаружили две планеты, вращающиеся вокруг далекой звезды на расстоянии около 2300 световых лет от Солнца. Две планеты, позже названые Полтергейст и Драугр, были первыми подтвержденными «экзопланетами» — мирами за пределами Солнечной системы. Сейчас астрономы знают о 3728 (подтвержденных) экзопланетах в 2794 системах.

«Какой вопрос является важнейшим для современной науки? Конечно, одни ли мы во Вселенной» — заявляет профессор астрономии Бостонского университета Майкл Мендильо.«Я не знаю более увлекательного вопроса современности».

На протяжении десятилетий астрономы искали на этих далеких экзопланетах признаки жизни, а именно самую важную молекулу — воду. Но у Мендильо и его коллег возникла другая идея. В статье, опубликованной в Nature Astronomy 12 февраля 2018 года Мендильо, адъюнкт-профессор астрономии Пол Уизерс и доктор философии Павел Дальба предлагают вместо этого взглянуть на ионосферу экзопланеты — тонкий верхний слой атмосферы, который пронизан частицами. Найдете в ней ионы кислорода — и вы нашли жизнь. По крайней мере жизнь в том виде, в котором мы ее знаем.

«На протяжении всей истории человеческой цивилизации мы никогда не доходили до сути рассмотрения вопроса об обитаемости Вселенной — вплоть до последних 15 лет — когда мы смогли увидеть планеты вокруг других звезд. А теперь мы находимся на таком этапе решения проблемы, что нужно придумываем идеи, как именно обнаружить жизни вне Земли», — говорит Джон Кларк, профессор астрономии Бостонского университета, директор Центра космической физики. «Это будет великое интеллектуальное состязание».- добавил ученый.

Их работа началась, когда Мендильо и Витерс получили грант от Национального научного фонда (NSF) для сравнения всех планетных ионосфер в Солнечной системе. (Она есть на всех планетах, кроме Меркурия, который так близок к Солнцу, что его атмосфера полностью отсутствует.) Одновременно команда также работала с миссией NASA MAVEN, пытаясь понять, как молекулы, которые составляли ионосферу Марса, убежали с этой планеты. С самого начала космической эры ученые понимали, что планетарные ионосферы сильно различаются, и команда исследователей сфокусировала свое внимание на том, почему это было именно так, и почему ионосфера Земли была настолько отличной от других. В то время как другие планеты наполняют свои ионосферы сложными заряженными молекулами, возникающими из углекислого газа или водорода, ионосфера Земля держит свой состав довольно простым, в основном с заполнением пространства кислородом. И этот кислород — особый тип кислорода -одиночные атомы с положительным зарядом.

«Я задумался, почему же наша ионосфера так отличается от остальных шести ионосфер планет Солнечной системы?» — вспоминает Мендильо.

Команда исключила множество возможных виновников высокой концентрации в ионосфере Земли O+, прежде чем нашла ее причину — деятельность зеленых растений и водорослей.

«У нас в атмосфере присутствует атомарный кислород, который указывает свое происхождение в результате реакций фотосинтеза», — говорит Мендильо. «У нас в ионосфере есть атомарные ионы кислорода O +, что является прямым следствием жизни на планете. Почему бы нам не использовать этот критерий, при котором состав ионосферы может быть биомаркером, и не только возможной жизни, но и реальной».

Земля
10-минутное инфракрасное изображение Земли, полученное с Луны во время миссии Apollo 16. Ярко-желтый цвет — это «дневной свет» из атомарного кислорода (O). На темной стороне вблизи экватора видны полосы «ночного неба», возникающие из атомных ионов кислорода (O +) в ионосфере. Источник: НАСА

Большинство планет в нашей Солнечной системе имеют немного кислорода в своих атмосферах, но у Земли его много, около 21 процента. Это связано с тем, что очень много организмов заняты превращением света, воды и углекислого газа в сахар и кислород — этот процесс называется фотосинтезом, и он происходит на Земле последние 3,8 миллиарда лет.

«Уничтожьте все растения на Земле, и кислород нашей атмосферы исчезнет всего за пару тысяч лет», — говорит Уитерс, который отмечает, что весь этот кислород, выдыхаемый растениями, не находится у поверхности Земли. «Для большинства людей кислород, которым мы дышим — это не очень впечатляющая молекула. ​​Однако для химика O2 — дикий, волнующий и опасный зверь. Он просто не сидит на месте, он химически реагирует практически с любой другой молекулой которую может найти, и делает это он очень быстро».

На Земле избыточные молекулы кислорода, в виде O2, устремляются вверх. Когда О2 достигает примерно 150 километров над поверхностью Земли, ультрафиолетовый свет разбивает его на две части. Одиночные атомы кислорода плывут выше, в ионосферу, где еще больше ультрафиолетового света и рентгеновских лучей от Солнца отрывают электроны от их внешних оболочек, создавая заряженные ионы кислорода. Обилие O2 около поверхности Земли, столь отличное от других планет, приводит к обилию O + высоко в небе.

Это открытие, говорит Мендильо, предполагает, что ученые, ищущие внеземную жизнь, могло бы сузить область поиска. Пол Далба, который работал над экзопланетными атмосферами с помощником профессора астрономии Филиппом Мейрхедом, присоединился к команде, чтобы помочь им. «Знания Далбы о звездных системах и  экзопланеты действительно помогли нам», — говорит Мендильо. В настоящее время большинство ученых в этих исследованиях сосредоточены на звездах М-класса, наиболее распространенных в галактике, и планетах, кружащих их в «пригодной для жизни зоне», где может существовать жидкая вода.

Это имеет смысл, поскольку жизнь, которую мы знаем, нуждается в воде. Однако ученые не знают точно, сколько именно воды на планете необходимо для поддержания жизни. «Если бы у нас было только Средиземное море, этого было бы достаточно? Или нужен Тихий океан, но можно обойтись без Атлантики?» — задается вопросом Мендильо. «Если вы посмотрите на ионосферу, вам не нужно знать это. Вам просто нужно знать, что если максимальная плотность электронов связана с ионами кислорода — у вас есть планета, где есть фотосинтез и жизнь».

Конечно, это предполагает, что «жизнь» по крайней мере несколько похожа на жизнь на Земле, которая требует не только воды и кислорода, но и определенного диапазона температур, возможно, магнитного поля и других факторов. «Это хорошая отправная точка», — говорит Кларк. «Но в глубине души мы все знаем, что могут существовать виды жизни, о которых мы даже не думаем».

Есть еще одна проблема, по крайней мере на данный момент: у ученых нет инструментов для обнаружения ионосферы на экзопланетах. «Если вы посмотрите на космические телескопы, которые могут появиться в будущем, многое будет возможно», — говорит Кларк. «Думаю, через десять лет у нас будет технология для проведения такого эксперимента».

Мендильо надеется, что работа его команды станет предметом дальнейших разработок и исследований в этой области. «Идея использования ионосферы в качестве биомаркера — увлекательна», — говорит он. «У нас пока нет возможности наблюдать, но я оптимист. Мы принимаем этот вызов».

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Комментировать

Войти с помощью: 

Этот сайт использует куки. Вы можете отказаться, если хотите Принять Прочитать больше

Живой космос cможет принять любую посещаемость благодаря кешированию WP Super Cache

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: