Ионосферный кислород экзопланет

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 есть этот 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».

Заряженный кислород в ионосфере может предлагать биомаркер для экзопланет
10-минутное инфракрасное облучение 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, и это может нас удивить».

Есть еще одна проблема, по крайней мере на данный момент: у ученых нет инструментов для обнаружения ионосферы на любой экзопланете. «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: 

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: