PopularEditorialNew
BestОбсуждаемое

Новая охота на инопланетную жизнь

Как телескоп Джеймса Уэбба изменил все.

12.11.2022, New Scientist, № 3412, Stuart Clark

Как JWST может искать признаки инопланетной жизни в атмосферах экзопланет? Космический телескоп Джеймса Уэбба может посмотреть в инопланетное небо так, как мы никогда раньше не могли. Имея в поле зрения шесть потенциально обитаемых планет, астрономы вступают в новую эру в поисках жизни за пределами нашей Солнечной системы. Credit: Arik Roper

Инопланетные небеса

Астрономы теперь смогут заглянуть в атмосферы экзопланет так, как никогда раньше не могли, и это изменит поиск жизни за пределами Земли. «Каков же план?», — спрашивает Стюарт Кларк.

Когда в июле 2022 года были обнародованы первые наблюдения космического телескопа Джеймса Уэбба (JWST), снимки дальнего космоса были настолько захватывающе красивы, что легко было не заметить скучный график, опубликованный рядом с ними.

Мир был потрясен величественными панорамами облаков газа и пыли, из которых рождаются звезды, и сияющими спиральными формами невероятно далеких галактик. Однако для многих астрономов график, представляющий собой простую изогнутую линию, был не менее потрясающим. Он возвестил о начале новой эры в поисках инопланетной жизни.

Недвусмысленное обнаружение водяного пара в атмосфере экзопланеты под названием WASP 96b стало первым доказательством того, что этот мощный телескоп способен получить то, в чем многие сомневались, а именно точные детали состава атмосфер на планетах за пределами нашей Солнечной системы. Подобно тому, как красота некоторых изображений глубокого поля захватила воображение публики, качество этого беспрецедентного графика привело астрономов в восторг. Внезапно стало ясно, что мы действительно можем так заглянуть в инопланетные миры, как никогда раньше не могли. Наконец-то у нас появился шанс обнаружить тонкие сигналы, которые докажут существование жизни в другом месте. Но [сделать] это будет нелегко.

Теперь астрономы планируют свои дальнейшие действия. Отобрав наиболее перспективные планеты, они планируют время наблюдений на JWST, чтобы исследовать их атмосферы, заново обдумывают, какие признаки жизни нам следует искать, и оценивают перспективы успеха.

Атмосферы экзопланет содержат всевозможные подсказки о том, из чего они состоят. Мы изучаем их с помощью метода, называемого спектроскопией, который использует тот факт, что разные атомы и молекулы поглощают свет с разной длиной волны (см. “Обнаружение облаков»).

image
Обнаружение облаков
Сравнение звездного света, проходящего через атмосферу экзопланеты, со светом от самой звезды может показать, что находится в этой атмосфере
1. Свет проходит через атмосферу планеты
2. Зеркала JWST собирают свет
3. Приборы JWST разделяют свет на разные длины волн
4. Каждый элемент или молекула имеет уникальный световой отпе
чаток
C
redit: New Scientist

«Мне кажется, что мы находимся в начале действительно захватывающего путешествия», — говорит Лаура Крайдберг из Института астрономии имени Макса Планка в Гейдельберге, Германия. Первый успех в исследовании чужого неба был достигнут в 2002 году, когда Дэвид Шарбонно, сотрудник Калифорнийского технологического института, и его коллеги с помощью космического телескопа «Хаббл» наблюдали, как газовый гигантский мир HD 209458b по прозвищу Осирис пересекает диск своей родительской звезды. При этом Хаббл зафиксировал небольшое ослабление света звезды на длине волны, поглощаемой натрием. Эффект исчез, когда планета удалилась от лица звезды, что означает, что причиной его появления мог быть натрий в атмосфере Осириса.

Инопланетная погода

С тех пор астрономы постепенно начали погружаться в анализ атмосфер экзопланет. Первоначальной целью должны были стать планеты, которые блокируют заметное количество звездного света. Это оказались самые крупные и ближайшие примеры «горячих юпитеров» — газовых планет-гигантов, которые располагаются необычайно близко к своей родительской звезде, совершая один оборот вокруг нее всего за пару земных дней.

В течение многих лет астрономы улавливали проблески элементов и молекул в атмосферах таких экзопланет. Затем, в 2017 году, мы увидели реальную силу спектроскопии, когда речь пошла о характеристике миров за пределами нашей Солнечной системы.

Томас Микал-Эванс, сотрудник Эксетерского университета, Великобритания, и его коллеги использовали «Хаббл» и инфракрасный космический телескоп «Спитцер» для изучения WASP-121b. Наблюдение за этой горячей планетой, которая примерно в 1,81 раза больше Юпитера и находится на расстоянии 850 световых лет от Земли, позволило обнаружить первый водяной пар в атмосфере экзопланеты.

Но они не остановились на этом. После изучения WASP-121b в течение полного оборота по орбите длительностью около 31 часа, команда заметила нечто необычное.

Температура на дневной стороне планеты, обращенной к звезде, была настолько высока, что разрывала молекулы воды на части, в результате чего образовывались водород, кислород и гидроксил. Нагрев вызывал на планете мощные ветры, которые переносили эти молекулы на ночную сторону, где температура падала настолько, что они вновь соединялись в воду. Это было первое доказательство существования погоды в другой солнечной системе.

«Мы смогли измерить этот процесс, отслеживая, как изменяется спектральная характеристика воды от дневного полушария к ночному», — говорит Микал-Эванс, работающий сейчас в Институте астрономии Макса Планка.

Разница температур была настолько велика, что, по предположению команды, простые минералы, такие как корунд, оксид алюминия, могли испаряться на горячей стороне и конденсироваться в облака на холодной стороне.

Корунд составляет основу рубинов и сапфиров, а это значит, что облака на WASP-121b могут состоять из рубиновой и сапфировой пыли.

Однако до недавнего времени технология, позволяющая проводить спектральный анализ инопланетного неба, имела свои ограничения. «При всей мощи «Хаббла», «Спитцера» и наземных телескопов мы узнали лишь немногое о том, что можно ожидать от этих атмосфер, — говорит Крайдберг. — Мы увидели лишь самую верхушку айсберга».

С помощью JWST мы сейчас погружаемся под поверхность. Это связано с тем, что JWST превосходит своих предшественников по трем основным параметрам. Во-первых, это его положение в космосе. Находясь далеко от орбиты Земли, этот телескоп может точно выравнивать цели на своих сенсорах, усиливая обнаружение даже слабых сигналов. Во-вторых, JWST имеет зеркало с диаметром 6,5 метра, что является большим шагом вперед по сравнению с 2,4-метровым зеркалом Хаббла, что позволяет JWST собирать гораздо больше света, выявляя более слабые детали.

Однако, возможно, его самое большое преимущество заключается в том, что он работает во всем инфракрасном спектре. Это является преимуществом, потому что молекулы любят взаимодействовать со светом на этих длинах волн. «Инфракрасный диапазон — самый богатый спектральный диапазон, если вы хотите увидеть поглощение молекул», — говорит Дрейк Деминг из Университета Мэриленда. Зеркало JWST более чем в 7,5 раз больше по диаметру, чем у предыдущих инфракрасных телескопов, таких как Spitzer.

image
Credit: Graham Carter

Все это означает, что впервые у астрономов появился реальный шанс увидеть детали атмосферы каменистой экзопланеты, которая обычно считается лучшим вариантом для поиска потенциальных признаков жизни.

Мы ищем небольшие каменистые планеты с атмосферой, такие как Земля, которые вращаются внутри пригодной для жизни зоны вокруг звезды, где температура позволяет существовать жидкой воде на поверхности планеты. Проблема в том, что более мелкие миры, с меньшей гравитацией, обычно сохраняют относительно тонкие атмосферы. (Например, атмосфера Земли составляет менее 1 процента от ее радиуса). Поэтому, если мы хотим обнаружить их атмосферы с помощью JWST, эти каменистые миры также должны находиться относительно недалеко.

Одни только эти критерии значительно сужают количество подходящих целей. «Про скалистые планеты, которые находятся в обитаемой зоне и доступны для JWST, мы можем сказать, что их явно меньше 10», — говорит Крейдберг (см. «Перспективные планеты»).

Но даже в этом случае есть свои сложности. Каждая из целевых планет вращается вокруг своей небольшой красной карликовой звезды. Эти звезды холоднее Солнца, поэтому их пригодные для жизни зоны находятся гораздо ближе, чем у Солнца, что может затруднить сохранение атмосферы на планете.

В качестве примера можно привести целевую систему TRAPPIST-1, ультрахолодную красную карликовую звезду на расстоянии около 40 световых лет от Земли с семью известными каменистыми планетами. Температура поверхности этой звезды менее половины солнечной, что означает, что зона обитаемости находится очень близко к звезде. Поэтому, хотя три или четыре планеты TRAPPIST находятся в обитаемой зоне, нет никакой гарантии, что у них есть атмосферы. «Вполне возможно, что все они — голые камни», — говорит Крайдберг.

Хотя сегодня этот красный карлик холоднее Солнца, во время его формирования ситуация была обратной. Звезда образуется, когда облако межзвездного газа сжимается под действием собственной гравитации. При этом происходит выброс потока высокоэнергетического излучения.

Маленькие звезды обладают более слабой гравитацией, поэтому им требуется больше времени для сжатия, а это значит, что они выпускают поток энергии дольше, чем их более крупные собратья. Это может привести к разрушению атмосфер близлежащих формирующихся планет.

Учитывая все это, Крайдберг будет использовать JWST для наблюдения за планетами TRAPPIST-1, когда они движутся перед и за своей звездой. Идея состоит в том, чтобы определить разницу между их дневной и ночной температурой, что, в свою очередь, позволит определить наличие или отсутствие атмосферы у каждой из планет. Атмосфера способствует эффективному распределению тепла вокруг планеты, поэтому дневные и ночные температуры, как правило, одинаковы. Голый камень без атмосферы будет нагреваться на дневной стороне, а затем излучать эту энергию прямо в космос на ночной стороне, что дает другой температурный профиль.

Как только мы узнаем о существовании атмосферы, наступит время попытаться получить спектр и поискать признаки жизни. Исходя из того, что мы знаем на Земле, лучше всего искать спектральные отпечатки кислорода и метана. Все живые существа дышат; они принимают один газ или вещество, извлекают из него энергию и затем выбрасывают отработанный газ. В случае с животными, кислород является входящим газом, а углекислый газ — выходящим. У растений все происходит наоборот. У животных при метаболизме пищи образуются и другие отработанные газы, например метан. Все это накапливается в атмосфере планеты, выводя ее из химического равновесия и создавая заметную сигнатуру.

Действительно, кислород, который необходим нам для жизни, является прекрасным примером. Самые первые микробы Земли получали энергию путем фотосинтеза и, подобно современным растениям, производили кислород в качестве отработанного продукта. Другие микробы эволюционировали, чтобы перерабатывать кислород. Увидеть кислород и метан вместе в атмосфере экзопланеты было бы самым счастливым случаем, который мы только можем себе представить. Эти два газа биологическим [способом] производятся на Земле и в противном случае не могли бы сосуществовать в воздухе. Без постоянного пополнения живыми существами они вступили бы в химическую реакцию и исчезли бы из атмосферы.

Признаки жизни

TRAPPIST-1e — это планета, которая дает наилучшие шансы на такое обнаружение. Идеальные условия повысили бы этот шансы, но в реальности это маловероятно. Список этих условий длинный. «Если нам очень, очень повезет, и планета будет иметь именно тот состав атмосферы, который мы ожидаем, JWST будет работать настолько идеально, что мы сможем накапливать данные снова и снова, и снова, и снова, чтобы отбить шум, в атмосфере не будет облаков, а в спектре не будет загрязнений от материнской звезды, что, как мы уже знаем, не так, — говорит Крайдберг. — Все это должно произойти, прежде чем мы сможем надеяться на идентификацию биосигнатуры».

В такой формулировке это является практически невозможным [вариантом], но такая оценка основана на том, что мы знаем о жизни на Земле. «Единственное, что было бы действительно восхитительно, это если бы мы увидели биосигнатуру там, где не ожидали, — говорит Деминг, — Все думают о каменистых планетах, таких как Земля с твердой поверхностью и тонкой атмосферой, но, возможно, это не так».

Например, он хотел бы увидеть что-нибудь с экзопланеты, похожей на Нептун. Примерно в пять раз больше диаметра Земли и состоящие преимущественно из ледяных материалов, несколько таких планет класса Нептуна были обнаружены вокруг других звезд. Интересно, что некоторые из них приблизились к своим звездам настолько близко, что могут быть покрыты глобальными океанами — на первый взгляд, это отличное место для жизни. А благодаря большим атмосферам, такие горячие нептуны должны облегчить работу JWST.

image
Впечатление художника от горячего Юпитера, проходящего мимо своей звезды. Credit: NASA/CXC/M.WEISS

Когда речь заходит о биосигнатурах, новое поколение исследователей начинает все чаще мыслить нестандартно. Так, Ванг из Университета Колорадо в Боулдере предлагает искать набор молекул под названием полигидроксиалканоаты, ПГА (polyhydroxyalcanoates, PHA). Это семейство полиэфиров, производимых исключительно микробами. Как таковые, они могут рассматриваться как биопластики, и где бы они ни встречались, они, похоже, обладают замечательными свойствами.

«Я обнаружил множество типов микроорганизмов, использующих PHA, — говорит Ванг, — и обнаружил, что у многих из [микробов, известных как] экстремофилы, биопластики являются объяснением того, как они могут выживать в таких условиях». Это музыка для ушей астробиолога, потому что экстремофилы, как следует из их названия, живут в суровых условиях, которые большинство других видов жизни на Земле сочли бы токсичными. Так что, возможно, биопластики — это именно те молекулы, которые нам следует искать.

В настоящее время Ванг считает, что такие поиски легче проводить в таких местах, как Марс, где роботы могут забирать образцы грязи и обрабатывать их. Он не может представить себе ситуацию, в которой PHA мог бы накопиться и создать обнаруживаемый сигнал в атмосфере планеты. Тем не менее, эта идея заставляет задуматься о том, что, возможно, до сих пор мы слишком узко представляли себе биосигнатуры, которые ищем, или места, где их следует искать.

Пока исследователи изучают ближайшие экзопланеты с помощью JWST, нас может ждать очень большая неожиданность. Может быть, в следующий раз, когда NASA и Европейское космическое агентство [опять] сделают большой сюрприз в виде волнистой [изогнутой] линии, это будет связано с тем, что мы ответили на старый вопрос: одни ли мы во Вселенной?

ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ПЛАНЕТЫ

Когда речь идет о пригодных для жизни мирах, у которых мы можем искать атмосферу, возможности ограничены. На сегодняшний день это лучшие кандидаты.

LHS1140b
Обнаружена в 2017 году обсерваторией Уиппл, Маунт-Хопкинс, Аризона. Это плотная суперземля, в 6,48 раз массивнее Земли и с радиусом в 1,64 раза больше.
В зависимости от [состава] ее атмосферы температура поверхности может быть очень близка к земной.

TRAPPIST-1d
В 2016 и 2017 годах звезда TRAPPIST-1d занимала центральное место в заголовках газет, когда было объявлено о наличии семи планет на орбите. Из них, по крайней мере, три могут находиться в зоне обитаемости ультрахолодной карликовой звезды.
Радиус TRAPPIST-1d — 0,78 земного. Масса — 0,3 массы Земли.

TRAPPIST-1e
Очень похожая по своим физическим характеристикам на Землю, TRAPPIST-1e имеет радиус в 0,91 и массу в 0,77 земных. Если планета обладает относительно тонкой атмосферой, как Земля, температура ее поверхности температура может быть близка к нашей.

TRAPPIST-1f
С массой, примерно в 0,68 от массы Земли, и очень похожим радиусом, TRAPPIST-1f находится как раз у внешнего края зоны обитаемости своей звезды. Для того чтобы поднять температуру ее поверхности до земного уровня, потребуется умеренный парниковый эффект.

K2-18b
Обнаруженная в 2015 году космическим телескопом NASA «Кеплер», K2-18b имеет в своей атмосфере водяной пар и находится в пригодной для жизни зоне своей родительской звезды. Но при массе в 8 раз больше и радиусе в 2,6 раза больше, чем у Земли. Земли, это либо каменистая «супер-Земля», либо газообразный «мини-нептун».

LP791-18c

Еще одна суперземля / мини-нептун LP791-18c была открыта в 2019 году миссией NASA Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS). Она в 2,3 раза больше радиуса и в 5,95 раз больше массы Земли и находится у внутреннего края обитаемой зоны своей звезды.

Стюарт Кларк — консультант журнала New Scientist. Его последняя книга — “Под ночью” (Beneath the Night) (Faber).

Перевод: Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)
Оригинал: How JWST could find signs of alien life in exoplanet atmospheres

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

6

Это пользовательский материал, написанный участником сообщества, который не входит в состав редакции или администрации. Поддерживая авторов оценками, вы помогаете нашему сообществу развиваться.

Войдите, чтобы видеть комментарии, участвовать в обсуждении и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

Загружаем комментарии...

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

Отправить Отмена
[X]
Зарегистрируйтесь на сайте, чтобы не видеть рекламу, создавать и отслеживать темы, сохранять статьи в личные закладки и участвовать в обсуждениях
If you were unable to log in, try this link.