Co může naznačovat život na jiné planetě? – Ars Technica

V červnu astronomové oznámili neuspokojivý objev: Vesmírnému dalekohledu Jamese Webba se nepodařilo najít hustou atmosféru kolem kamenné planety TRAPPIST-1 C, exoplanety umístěné v jednom z nejvíce vzrušujících planetárních systémů pro hledání mimozemského života.

Tento objev přichází v patách podobných zpráv o sousední planetě TRAPPIST-1 B, další planetě v systému TRAPPIST-1. Jeho matná rudá hvězda hostí sedm skalnatých světů, z nichž několik je v obyvatelné zóně, ve vzdálenosti od hvězdy, kde by na jejich povrchu mohla existovat kapalná voda a kde by mohl vzkvétat život z jiného světa.

Co by bylo zapotřebí, abychom zjistili, že život, pokud existuje, není nová otázka. Ale díky vesmírnému dalekohledu Jamese Webba je to konečně praktické. V příštích několika letech by teleskop mohl nahlédnout do atmosfér mnoha slibných planet obíhajících kolem vzdálených hvězd. První náznaky života mimo naši sluneční soustavu se mohou skrývat v chemii těchto atmosfér. To představuje ožehavý problém: co tvoří skutečný chemický podpis života?

„Pokoušíte se vzít velmi málo informací o planetě a dojít k závěru, který by mohl být velmi hluboký a změnit náš pohled na celý vesmír,“ říká planetární vědec Joshua Krisansen Toton z University of Washington.

Aby vědci odhalili takový biologický podpis, musí najít chytré způsoby, jak pracovat s omezenými informacemi, které mohou shromáždit pozorováním exoplanet.

Chemikálie v souvislostech

Dokonce ani ty nejvýkonnější dalekohledy, včetně vesmírného dalekohledu Jamese Webba, nikdy nespatří exoplanety – a astronomové obecně vědí o těchto vzdálených světech pouze díky záblesku jejich hvězd.

Místo toho, aby astronomové pozorovali planety přímo, trénují své teleskopy na hvězdách a čekají, až planety „přejdou“ nebo projdou mezi jejich Sluncem a dalekohledem. Jak planeta prochází, trochu světla hvězd proniká její atmosférou a hvězda se na určitých vlnových délkách v závislosti na chemikáliích v atmosféře stmívá. Výsledné poklesy a vrcholy jasnosti hvězdy připomínají chemický čárový kód procházející planety.

Možná nejintuitivnější způsob Hledejte biopodpis V tom čárovém kódu se hledá plyn, který jednoznačně vyprodukoval život. Nějakou dobu si vědci mysleli, že kyslík, kterého je na Zemi díky fotosyntéze dostatek, slouží jako samostatný biosignatura. Kyslík ale může pocházet z jiných procesů: sluneční světlo může například rozkládat vodu v atmosféře planety.

Tento problém se netýká pouze kyslíku, protože většina plynů produkovaných živými organismy může vzniknout i bez života. Takže spíše než aby s jednotlivými plyny zacházeli jako s biologickými podpisy samy o sobě, vědci dnes mají tendenci dívat se na ně v kontextu.

Například metan lze vyrábět se životem i bez něj. To by samo o sobě nebyl přesvědčivý biologický podpis. Ale najít metan a kyslík pohromadě „by bylo velmi vzrušující,“ říká planetární vědec Robin Wordsworth z Harvardské univerzity. Je velmi obtížné vyrobit tuto směs bez života. Podobně nedávná práce Krisansen-Toton a kolegů ukázala, že nalezení metanu se správným množstvím jiných plynů, jako je oxid uhličitý, Bez života by se to těžko vysvětlovalo.

Pozorování toho, jak se v průběhu času mění atmosféra exoplanety, může také poskytnout cenný kontext, který může zlepšit slabé biologické podpisy. Sezónní změny koncentrace ozonu, např. Může to být otisk životaJak vědci oznámili v roce 2018.

Překvapení, ne domněnky

Samozřejmě, „pokud hledáte jednotlivé plyny, jako je kyslík nebo metan, znamená to vytvořit si předpoklady o tom, jaký druh života existuje jinde,“ říká Krisansen-Totton. Někteří vědci tedy vyvíjejí agnostické biologické podpisy, které nepředpokládají, že by mimozemská biochemie byla jako biochemie Země.

Jedním z možných agnostických biologických signatur je stupeň chemického „překvapení“ přítomného v atmosféře exoplanety, což vědci nazývají chemická nerovnováha.

Atmosféra blízká rovnováze by byla chemicky nezajímavá, trochu jako uzavřená plynová baňka v laboratoři. Samozřejmě neexistuje žádná planeta tak nudná jako laboratorní baňka. Chemické reakce v atmosféře planety mohou získávat energii z jejích hvězd a geologické procesy, jako je vulkanická aktivita, mohou nerovnováhu zvýšit, a tím zvýšit chemické překvapení atmosféry.

Život může planety také vyvést z rovnováhy. Za předpokladu, že mimozemský život produkuje plyny nějakého druhu, mohl by vytlačit atmosféru planety mnohem dále z rovnováhy, než by tomu jinak bylo. Samotná nerovnováha však „není jednoznačným ukazatelem,“ říká Krisansen-Totton.

V roce 2016 s kolegy vypočítal teplotu Atmosférická nerovnováha Z každé planety sluneční soustavy a Saturnova měsíce Titan. Tímto opatřením se zemská atmosféra ukázala jako extrémní, ale pouze pokud byly do výpočtů zahrnuty oceány. Ignorujeme-li její interakce s oceánem, zemská atmosféra je ve skutečnosti… blíž Vyrovnat atmosféru Marsu.

Nicméně, i když to nenaznačuje biologii, nalezení atmosféry exoplanety mimo rovnováhu by astronomům řeklo, že… něco Je tu něco zajímavého, něco, co „dramatickým způsobem mění atmosféru, které musíme porozumět,“ říká Krisansen-Toton.

David Kenny, filozof vědy z Yale University, nedávno spolupracoval s biofyzikem Chrisem Kempsem z Institutu Santa Fe na vývoji nové metody. Detekce potenciálních agnostických biosignatur. Je to klamně jednoduchý nápad: najít život, hledat nejpodivnější planety.

Pokud neexistují žádné předpoklady o tom, jaký by mohl být mimozemský život, prakticky jakýkoli plyn by mohl být biologickým podpisem ve správném kontextu. V roce 2016 astrofyzička MIT Sarah Seager a její kolegové navrhli seznam: Asi 14 000 molekul být považovány za potenciální biologické podpisy. Kenny a Kemps vyvinuli svou metodu hodnocení pomocí tohoto seznamu sloučenin v kombinaci s metodami inspirovanými algoritmy strojového učení navrženými tak, aby rozpoznávaly jednotlivé obrázky v kolekci. To vedlo ke způsobu, jak kvantifikovat a zaznamenat „podivnost“ hypotetické atmosféry exoplanety ve srovnání s řadou jiných hypotetických atmosfér.

Kenny a Kemps tvrdí, že čím exotičtější je atmosféra ve skupině, tím je pravděpodobnější, že hostí život. To je založeno na některých základních předpokladech: život ve vesmíru je vzácný, zanechává stopy v planetárních atmosférách a tyto stopy je obtížné replikovat bez života. Tyto předpoklady se samozřejmě mohou ukázat jako mylné, říká Kenny. „Kdybychom nevytvářeli vůbec žádné předpoklady, myslím, že by bylo velmi obtížné dosáhnout jakéhokoli vědeckého pokroku, natož v oblasti tak vysoce nejisté, jako je tato,“ dodává.

Za prvé, mění život

Aby se tato nejistota snížila, vědci budou muset být schopni s jistotou vyloučit neživá vysvětlení jakéhokoli potenciálního biologického podpisu. To vyžaduje komplexní porozumění astrogeologii a chemii atmosféry. Takže místo toho, aby se soustředili na to, zda je planeta obyvatelná, někteří vědci věří, že studium planet bez života posílí hledání mimozemského života.

„Je mnoho zásadních věcí, o kterých si myslím, že se musíme nejprve naučit o planetách, než se začneme ptát na otázku obyvatelnosti,“ říká Laura Kreidberg z Institutu Maxe Plancka pro astronomii v Německu, která je spoluautorkou nového článku s Wordsworth. Astronomický přehled skalních exoplanet V 2022 Annual Review of Astronomy and Astrophysics.

Jednou velkou otázkou je, zda potenciální kamenné planety, které může vesmírný teleskop Jamese Webba pozorovat, budou mít vůbec atmosféru. Jediné hvězdy, jejichž planety jsou v obyvatelné zóně v dosahu dalekohledu, jsou červení trpaslíci, jako je TRAPPIST-1. Tyto hvězdy mají špatný zvyk vyzařovat drsné záření, o kterém se mnozí vědci domnívají, že nevyhnutelně odstraní atmosféru jakékoli obyvatelné planety, což může vysvětlit mizivou nebo neexistující atmosféru TRAPPIST-1 B a TRAPPIST-1 C.

Červení trpaslíci jsou také nejběžnějšími hvězdami v Mléčné dráze, takže pokud jejich kamenné planety nedokážou udržet atmosféru, sníží to počet potenciálně obyvatelných světů.

Pokud si toho dostatečně všimneme Skalnaté exoplanety„Budeme v mnohem silnější pozici, abychom pochopili, co biologický podpis znamená,“ říká Wordsworth. „Jednou ze silných věcí, které nám exoplanety nabízejí, jsou statistiky.“

Slovo „biologický podpis“ může vyvolat přesvědčivé důkazy. Krisansen-Totton však říká, že „detekce života na exoplanetách bude postupným hromaděním důkazů“.

Jak se tyto důkazy stále objevují, vědci mohou začít důsledně testovat a možná i přehodnocovat své hypotézy o kamenných planetách.

„Astronomie je ve svém jádru objevná věda,“ říká Kreidberg. „Pro všechny naše nejlepší plány, rámce a systémy, jakmile začneme získávat data a věci monitorovat, vše se obrátí vzhůru nohama.“

Elise Katz je jednou z těch bývalých vědců, kteří si uvědomili, že psát o výzkumu je zábavnější než to dělat. Žije v rakouském Grazu. Najdi ji @elisecutts. Tento článek se původně objevil na Magazín znalostí, nezávislé novinářské snažení výročních recenzí. Přihlásit se zprávy.