Поиск жизни в местах, которые пока невозможно посетить непосредственно, начнется с поиска продуктов биологической деятельности в их атмосферах. Или, как их еще называют, биосигналов. Такие атмосферные «отпечатки» жизни можно будет обнаружить с помощью телескопов следующих поколений. Эти устройства будут измерять состав газов, окружающих планеты, которые находятся в световых годах от нас.
Обнаружение биосигналов
Это сложный процесс. Поскольку обнаруженные биосигналы, сведения о которых получены в результате единичных измерениях атмосферных газов, могут оказаться ложными. Чтобы устранить эту проблему ученые из Калифорнийского университета, альтернативного астрономического центра Земли разрабатывают первую количественную базу данных динамических биосигналов на основе сезонных изменений в атмосфере Земли.
Статью под названием «Атмосферная сезонность как признак биоценоза экзопланет», описывающая исследование, недавно появилась в «The Astrophysical Journal Letters». Ведущим автором работы является Стефани Олсон, аспирант кафедры наук о Земле UCR.
Мы знаем, что Земля вращается вокруг Солнца. И ось ее вращения наклонена к плоскости эклиптики. Это означает, что различные области нашей планеты получают разное количество солнечной энергии в разное время года. Наиболее заметными признаками этого явления являются изменения погоды и продолжительность светового дня. Однако состав атмосферы Земли также подвержен изменениям. Например в Северном полушарии, которое содержит большую часть растительности Земли, рост растений летом приводит к значительно более низким уровням углекислого газа в атмосфере. Обратное верно для кислорода.
«Атмосферная сезонность – это многообещающий биомаркер. Потому что она биологически модулируется на Земле. И так, вероятно, будет происходить и в других обитаемых мирах», – сказала Олсон. «Вывод о наличии на планете жизни, основанный на сезонности, не требует детального понимания чужой биохимии. Поскольку он возникает как биологический ответ на сезонные изменения в окружающей среде. А не как следствие определенной биологической активности, которая может быть уникальной для Земли». К примеру, чрезвычайно вытянутые эллиптические орбиты, а не наклон оси, могут приводить к сезонности на внесолнечных планетах или экзопланетах. Это расширяет диапазон возможных целей для поиска жизни.
Кислород
В опубликованной статье исследователи анализируют особенности и подводные камни процессов, связанных с характеристикой сезонного образования и разрушения кислорода, углекислого газа, метана и их обнаружения с использованием метода визуализации, называемого спектроскопией. Ученые провели моделирование колебания атмосферного кислорода на потенциально обитаемой планете с низким содержанием кислорода. Именно такой была Земля миллиарды лет назад. Исследователи обнаружили, что озон (O3), который образуется в атмосфере в результате реакций с участием газообразного кислорода (O2), производимого биологически, было бы довольно легко обнаружить как маркер сезонной изменчивости количество кислорода в атмосфере.
«Очень важно точно смоделировать разнообразные варианты атмосфер и их состава сейчас, чтобы космические и наземные телескопы будущего были разработаны с целью выявления наиболее перспективных биосигналов», – заявил Эдвард Швитерман, сотрудник Postdoctoral программы НАСА в УЦРЕ. «В случае с озоном нам нужны телескопы, работающие в ультрафиолетовом спектре, чтобы его можно было легко обнаружить».
Проблема ложных биосигналов
Швитерман сказал, что сложность в поисках жизни – это неоднозначность данных, полученных от настолько удаленных объектов. Ложные биомаркеры возникают в результате небиологических процессов, которые маскируются под биологические, и соответственно ложные данные на наличии жизни на планете, являются серьезными проблемами.
«И кислород, и метан – многообещающие биосигналы. Но есть способы их производства и без жизни», – сказал Швитерман.
Стефани Олсон также заявила, что наблюдение за сезонными изменениями кислорода или метана будут более информативным.
«Потенциально сильный способ оценить экзопланеты, пригодные для поддержания жизни – это наблюдение за их атмосферами на протяжении всей орбиты. Так можно проследить, происходят ли изменения в их атмосферах биологически значимых газов в течение года», – сказала она. «В некоторых случаях такие изменения трудно объяснить без деятельности жизни. Полученные данные, к тому же, могут позволить нам добиться прогресса в определении характеристик биологических процессов. А не просто признания самого факта наличия жизни на экзопланете».
Тимоти Лионс, профессор биогеохимии в Отделе наук о Земле UCR и директор Центра альтернативной астробиологии Земли, сказал, что эта работа продвигает фундаментальный подход к поиску жизни на очень далеких планетах.
«Мы особенно взволнованы перспективой получения возможности оценивать колебания кислорода при его низких уровнях. Которые мы предполагаем найти на ранней версии Земли», – сказал Лионс. «Сезонные вариации, обнаруженные с помощью озона, можно легко найти на планете, подобной нашей Земле в далеком прошлом. Тогда, когда жизнь на ней являлась лишь одноклеточными существами, обитающими в океане».