Obecność węgla w atmosferze egzoplanety może być oznaką wody i życia
Niska zawartość węgla w atmosferach planet, którą może wykryć JWST, może być oznaką jej zdatności do zamieszkania.
Wizja artystyczna egzoplanet z atmosferami.
Źródło: Christine Daniloff, MIT; iStock
Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology (MIT), Uniwersytetu Birmingham i innych ośrodków uważają, że najlepszą szansą dla astronomów na odkrycie wody w stanie ciekłym, a nawet życia na innych planetach, jest poszukiwanie braku, a nie obecności określonych cech chemicznych w ich atmosferach.
Naukowcy sugerują, że jeśli planeta typu ziemskiego ma znacznie mniej dwutlenku węgla w swojej atmosferze w porównaniu z innymi planetami w tym układzie, może to być oznaką istnienia ciekłej wody – i być może życia – na jej powierzchni.
Dodatkowo, ta nowa sygnatura znajduje się w polu widzenia Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba (JWST). Chociaż naukowcy zasugerowali inne potencjalne oznaki zdatności do zamieszkania, te właściwości są trudne, a nawet niemożliwe do zmierzenia przy użyciu obecnych technologii. Zespół twierdzi, że ta nowa sygnatura, polegająca na stosunkowo niskim poziomie dwutlenku węgla, jest obecnie jedyną wykrywalną oznaką przydatności do zamieszkania.
Świętym Graalem w nauce o egzoplanetach jest poszukiwanie światów nadających się do zamieszkania i obecności życia, ale wszystkie cechy, o których mówiono do tej pory, były poza zasięgiem najnowszych obserwatoriów – powiedział Julien de Wit, adiunkt na Uniwersytecie nauk planetarnych na MIT. Teraz mamy sposób, aby dowiedzieć się, czy na innej planecie znajduje się woda w stanie ciekłym. I jest to coś, do czego możemy dotrzeć w ciągu najbliższych kilku lat.
Wyniki badań zostały opublikowane 28 grudnia 2023 roku w czasopiśmie Nature Astronomy.
Do tej pory astronomowie odkryli ponad 5200 światów poza naszym Układem Słonecznym. Dzięki obecnym teleskopom są w stanie bezpośrednio mierzyć odległość planety od jej gwiazdy oraz czas potrzebny na pełne okrążenie. Te pomiary mogą pomóc naukowcom wywnioskować, czy planeta znajduje się w ekosferze. Jednakże nie istnieje obecnie sposób, aby bezpośrednio potwierdzić, czy planeta faktycznie nadaje się do zamieszkania, czyli czy na jej powierzchni znajduje się woda w stanie ciekłym.
W naszym Układzie Słonecznym naukowcy mogą wykryć obecność płynnych oceanów, obserwując „przebłyski” – czyli błyski światła słonecznego odbijające się od płynnych powierzchni. Przykładowo, takie błyski zaobserwowano na największym księżycu Saturna, Tytanie, co pomogło potwierdzić istnienie dużych jezior na tym satelicie.
Wykrycie podobnego błysku na odległych planetach jest jednak obecnie poza zasięgiem technologii. Jednak de Wit i jego koledzy zauważyli, że w naszym sąsiedztwie istnieje inna właściwość określająca zdatności do zamieszkania, która mogłaby zostać wykryta na odległych światach.
Pomysł przyszedł nam do głowy, patrząc na to, co dzieje się z planetami ziemskimi w naszym własnym Układzie – powiedział Amaury Triaud z Uniwersytetu Birmingham i współautor artykułu.
Wenus, Ziemia i Mars mają pewne wspólne cechy, ponieważ wszystkie trzy są planetami skalistymi i znajdują się w stosunkowo umiarkowanym regionie względem Słońca. Jednak Ziemia jest jedyną planetą w tej trójce, na której obecnie istnieje woda w stanie ciekłym. Zespół zauważył także inną istotną różnicę: Ziemia ma znacznie mniej dwutlenku węgla w swojej atmosferze.
Zakładamy, że planety te powstały w podobny sposób, a jeżeli widzimy teraz jedną planetę z dużo mniejszą ilością węgla, to musiał on gdzieś zniknąć – powiedział Triaud. Jedynym procesem, który mógłby usunąć taką ilość węgla z atmosfery, jest silny obieg wody obejmujący oceany ciekłej wody.
Faktycznie, ziemskie oceany odegrały istotną i trwałą rolę w pochłanianiu dwutlenku węgla. W ciągu setek milionów lat oceany pochłonęły ogromną ilość dwutlenku węgla, prawie równą ilości, która utrzymuje się obecnie w atmosferze Wenus. Ten globalny efekt sprawił, że atmosfera Ziemi jest znacznie uboższa w dwutlenek węgla w porównaniu do innych planet.
Na Ziemi znaczna część atmosferycznego dwutlenku węgla została zamaskowana w wodzie morskiej i litych skałach w geologicznych skalach czasowych, co pomogło regulować klimat i warunki życia przez miliardy lat – powiedział współautor badania Frieder Klein.
Zespół doszedł do wniosku, że wykrycie podobnego spadku ilości dwutlenku węgla w porównaniu do innych planet na odległej planecie, byłoby wiarygodnym sygnałem istnienia ciekłych oceanów i potencjalnego życia na jej powierzchni.
Po dokładnym przejrzeniu literatury z wielu dziedzin, od biologii po chemię, a nawet sekwencję węgla w kontekście zmian klimatycznych, uważamy, że rzeczywiście, jeżeli wykryjemy zubożenie węgla, ma to duże szanse być silną oznaką ciekłej wody i/lub życia – powiedział de Wit.
Mapa drogowa życia
W swoim badaniu zespół opracował strategię wykrywania planet nadających się do zamieszkania poprzez poszukiwanie sygnatur zubożonego dwutlenku węgla. Takie poszukiwania najlepiej sprawdziłyby się w układach typu „groszek w strączku”, w których wiele planet ziemskich, wszystkie mniej więcej tej samej wielkości, krąży stosunkowo blisko siebie, podobnie jak w naszym Układzie Słonecznym. Pierwszym krokiem proponowanym przez zespół jest potwierdzenie, że planety posiadają atmosferę, poprzez poszukiwanie obecności dwutlenku węgla, który powinien dominować w większości planetarnych atmosfer.
Dwutlenek węgla jest bardzo silnym pochłaniaczem podczerwieni i można go łatwo wykryć w atmosferach egzoplanet – wyjaśnił de Wit. Sygnał dwutlenku węgla może zatem ujawnić obecność atmosfer egzoplanet.
Gdy astronomowie ustalą, że wiele planet w układzie posiada atmosferę, mogą przejść do pomiaru zawartości dwutlenku węgla, aby sprawdzić, czy jedna planeta ma go znacznie mniej niż inne. Jeśli tak jest, planeta prawdopodobnie nadaje się do zamieszkania, co sugeruje obecność znacznych ilości ciekłej wody na jej powierzchni.
Jednak warunki sprzyjające zamieszkaniu niekoniecznie oznaczają, że planeta jest zamieszkana. Aby sprawdzić, czy życie może faktycznie istnieć, zespół zaproponował astronomom poszukiwanie innej cechy atmosfery planet: ozonu.
Naukowcy zauważają, że na Ziemi rośliny i niektóre mikroby przyczyniają się do pochłaniania dwutlenku węgla, choć nie w tak dużym stopniu jak oceany. Niemniej jednak, w ramach tego procesu, formy życia emitują tlen, który reaguje z fotonami słonecznymi, przekształcając się w ozon – cząsteczkę, która jest znacznie łatwiejsza do wykrycia niż sam tlen.
Naukowcy twierdzą, że jeśli atmosfera planety wykazuje oznaki zarówno obecności ozonu, jak i zubożonego dwutlenku węgla, to prawdopodobnie jest to świat nadający się do zamieszkania i możliwe, że jest już zamieszkany.
Jeżeli widzimy ozon, istnieje duże prawdopodobieństwo, że jest on związany z dwutlenkiem węgla zużywanym przez życie – powiedział Triaud. A jeżeli jest to życie, to jest to wspaniałe życie. Nie byłoby to tylko kilka bakterii. Byłaby to biomasa na skalę planetarną, która jest w stanie przetwarzać ogromne ilości węgla i wchodzić z nim w interakcje.
Zespół szacuje, że Teleskop Webba byłby w stanie zmierzyć poziom dwutlenku węgla i ewentualnie ozonu w pobliskich układach planetarnych, takich jak TRAPPIST-1. Ten układ składa się z siedmiu planet krążących wokół jasnej gwiazdy, znajdującej się zaledwie 40 lat świetlnych od Ziemi.
TRAPPIST-1 jest jednym z niewielu układów, w których moglibyśmy przeprowadzić badania atmosfery ziemskiej za pomocą JWST – powiedział de Wit. Teraz mamy mapę drogową do znalezienia planet nadających się do zamieszkania. Jeżeli wszyscy będziemy pracować razem, w ciągu najbliższych kilku lat możemy dokonać odkryć zmieniających paradygmaty.
Opracowanie:
Agnieszka Nowak
Źródło:
