Биосигнатуры в атмосферах экзопланет - это следы инопланетной жизни

С помощью спектроскопии можно изучить химический состав атмосфер экзопланет. Элементы и молекулы, необходимые для жизни, называемые "биосигнатурами", делают планету потенциально пригодной для жизни. Для их наблюдения, однако, потребуются подходящие телескопы, одним из которых является "Джеймс Уэбб".

Астробиологи и те, кто занимается поиском жизни во Вселенной, изучают, как звездный свет взаимодействует с поверхностью или атмосферой планеты. Это связано с тем, что если поверхность или атмосфера были изменены жизнью, свет может содержать некоторые подсказки, называемые "биосигнатурами". Что это такое? И как можно обнаружить такие следы инопланетной жизни?

Спектроскопия как метод обнаружения биосигнатур

Для изучения атмосфер экзопланет существует три основных метода:

• просвечивающая спектроскопия. Когда планета проходит перед своей звездой, мы можем наблюдать изменение светового потока звезды. Во-первых, он уменьшится, потому что часть звезды будет заслонена планетой во время ее прохождения. Также, наблюдая за тем, как свет звезды фильтруется через атмосферу планеты, мы заметим, что некоторые длины волн были поглощены. Это происходит потому, что некоторые молекулы и атомы в атмосфере поглощают определенные длины волн. Этот метод можно использовать для распознавания присутствия определенных атмосферных газов, связанных с жизнью, таких как кислород или метан, поскольку эти газы оставляют очень специфические следы на свету.
• отражательная спектроскопия. В любое время на орбите, но особенно в период покрытия (планета проходит позади звезды), свет звезды может отразиться от атмосферы и вернуться на Землю.
• эмиссионная спектроскопия. Когда планета и/или ее атмосфера достаточно горячи, они испускают достаточно излучения, чтобы их можно было обнаружить. Конечно, они видны только тогда, когда планета не проходит перед звездой, а находится в состоянии "вне транзита".

Земля как испытательный полигон

Прежде чем пытаться обнаружить инопланетную жизнь на другой планете, хорошо бы понять, как выглядят атмосфера и поверхность планеты, на которой, как мы уверены, развилась жизнь. Поэтому давайте начнем с нашей собственной Земли.

Естественно, профиль обитания нашей планеты изменился за несколько миллиардов лет. В течение первой половины своего существования на ней существовала простая, одноклеточная жизнь. В то время ее атмосфера была лишена кислорода, и если бы мы наблюдали за ней в телескоп с далекой планеты, то увидели бы в ней легкие биологические следы.

Ситуация резко изменилась 2,4 миллиарда лет назад, когда появилось новое семейство водорослей. В них происходил процесс фотосинтеза, в результате которого образуется свободный кислород (не связанный химически с каким-либо другим элементом). С тех пор богатая кислородом атмосфера Земли оставляет сильные и легко обнаруживаемые биосигнатуры в проходящем через нее свете.

Может ли "Джеймс Уэбб" обнаружить биосигнатуры?

Чтобы обнаружить эти тонкие изменения в свете потенциально пригодной для жизни экзопланеты, нужен невероятно мощный телескоп. На данный момент единственным телескопом, способным на такой подвиг, является космический телескоп Джеймса Уэбба. Одно из первых изображений с "Уэбба", обнародованное на прошлой неделе, изображает сам спектр экзопланеты. Это газовый гигант WASP-96b.

Однако тот факт, что спектр показал наличие воды и облаков, не должен нас впечатлять. Маловероятно, что на такой большой и горячей планете, как WASP-96b, может существовать жизнь. Однако эти первые данные показывают, что Уэбб может обнаружить слабые химические следы в свете экзопланет. В ближайшие месяцы "Уэбб" повернет свои зеркала в сторону TRAPPIST-1e, потенциально пригодной для жизни планеты размером с Землю, расположенной всего в 39 световых годах от нас.

Уэбб будет искать биологические сигнатуры на TRAPPIST-1e и других экзопланетах с помощью просвечивающей спектроскопии. Но поскольку он не предназначен для поиска жизни, он сможет обнаружить только изменения в атмосферных уровнях углекислого газа, метана и водяного пара. Хотя некоторые комбинации этих газов могут свидетельствовать о наличии жизни, самым сильным сигналом остается несвязанный кислород. И Уэбб не в состоянии обнаружить его присутствие.

Наиболее подходящие телескопы для поиска биосигнатур

Существует несколько планов относительно будущих космических телескопов. Они отдают предпочтение методу спектроскопии отражения и включают планы по блокированию яркого света звезды-хозяина планеты для выявления звездного света, отраженного от самой планеты.

Эта идея похожа на использование руки для заслонения солнечного света, чтобы лучше видеть что-то вдалеке. Будущие космические телескопы могут использовать для этого небольшие внутренние маски или большие внешние космические корабли, похожие на зонтики. Когда свет звезд блокируется, становится намного проще изучать свет, отражающийся от планеты.

В настоящее время также строятся три огромных наземных телескопа, которые смогут искать биосигнатуры: Гигантский Магелленов телескоп, Тридцатиметровый телескоп и Европейский чрезвычайно большой телескоп. Каждый из них намного мощнее, чем телескопы, существующие сейчас на Земле. И хотя атмосфера Земли искажает свет звезд, эти телескопы, возможно, смогут исследовать атмосферы ближайших миров в поисках свободного кислорода.