Несмотря на тысячи экзопланет, которые были открыты астрономами в последние годы, определение того, пригоден ли для жизни какой-либо из них, является серьезной проблемой. Поскольку мы не можем изучать эти планеты напрямую, ученые вынуждены искать косвенные признаки. Они известны как биосигнатуры, которые состоят из химических побочных продуктов, которые мы ассоциируем с органической жизнью, проявляющейся в атмосфере планеты.
Новое исследование, проведенное группой ученых из НАСА, предлагает новый метод для поиска потенциальных признаков жизни за пределами нашей Солнечной системы. Ключ, который они рекомендуют, заключается в том, чтобы воспользоваться частыми звездными штормами от крутых молодых карликовых звезд. Эти штормы выбрасывают в космос огромные облака звездного материала и излучения, взаимодействуя с атмосферами экзопланет и создавая биосигнатуры, которые можно обнаружить.
Исследование, озаглавленное «Атмосферные маяки жизни из экзопланет вокруг звезд G и K», недавно появилось в Научные доклады о природе. Во главе с Владимиром С. Айрапетяном, старшим астрофизиком из Научного отдела гелиофизики (HSD) в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА, в состав группы входили члены Исследовательского центра Лэнгли НАСА, Объединенной научной системы и приложений (SSAI) и Американского университета. ,
Традиционно исследователи искали признаки кислорода и метана в атмосферах экзопланет, поскольку они являются хорошо известными побочными продуктами органических процессов. Со временем эти газы накапливаются, достигая количества, которое можно обнаружить с помощью спектроскопии. Однако этот подход отнимает много времени и требует, чтобы астрономы проводили дни, пытаясь наблюдать спектры с далекой планеты.
Но, по словам Айрапетяна и его коллег, можно искать более грубые подписи в потенциально обитаемых мирах. Этот подход будет опираться на существующие технологии и ресурсы и займет значительно меньше времени. Как объяснил Айрапетян в пресс-релизе НАСА:
«Мы ищем молекулы, сформированные из фундаментальных предпосылок к жизни - в частности, молекулярный азот, который составляет 78 процентов нашей атмосферы. Это базовые молекулы, которые являются биологически чистыми и обладают мощной инфракрасной излучающей способностью, что увеличивает наши шансы их обнаружения ».
Используя жизнь на Земле в качестве шаблона, Айрапетян и его команда разработали новый метод поиска или обнаружения побочных продуктов водяного пара, азота и кислорода в атмосферах экзопланет. Однако настоящая хитрость заключается в том, чтобы воспользоваться преимуществами экстремальных космических погодных явлений, которые происходят с активными карликовыми звездами. Эти события, которые подвергают планетарные атмосферы вспышкам излучения, вызывают химические реакции, которые астрономы могут уловить.
Когда речь идет о звездах, таких как наше Солнце, желтый карлик G-типа, такие погодные явления обычны, когда они еще молоды. Тем не менее, известно, что другие желтые и оранжевые звезды остаются активными в течение миллиардов лет, порождая штормы энергичных заряженных частиц. А звезды M-типа (красный карлик), наиболее распространенный тип во Вселенной, остаются активными на протяжении всей своей долгой жизни, периодически подвергая свои планеты мини-вспышкам.
Когда они достигают экзопланеты, они вступают в реакцию с атмосферой и вызывают химическую диссоциацию газа азота (N²) и кислорода (O²) на отдельные атомы, а водяного пара - на водород и кислород. Расщепленные атомы азота и кислорода затем вызывают каскад химических реакций, которые производят гидроксил (ОН), больше молекулярного кислорода (О) и оксид азота (NO) - что ученые называют «атмосферными маяками».
Когда звездный свет попадает в атмосферу планеты, эти молекулы маяка поглощают энергию и излучают инфракрасное излучение. Исследуя конкретные длины волн этого излучения, ученые могут определить, какие химические элементы присутствуют. Уровень сигнала этих элементов также является показателем атмосферного давления. Взятые вместе, эти показания позволяют ученым определять плотность и состав атмосферы.
В течение десятилетий астрономы также использовали модель для расчета того, как озон (O³) образуется в атмосфере Земли из кислорода, который подвергается воздействию солнечной радиации. Используя эту же модель - и соединяя ее с событиями космической погоды, которые ожидаются от прохладных, активных звезд - Айрапетян и его коллеги пытались рассчитать, сколько окиси азота и гидроксила будет образовываться в атмосфере, подобной Земле, и сколько озона будет разрушено. ,
Для этого они использовали данные миссии НАСА «Динамика динамики ионосферы в мезосфере и энергетической мезосфере» (TIMED), которая в течение многих лет изучала образование маяков в атмосфере Земли. В частности, они использовали данные из его зондирования атмосферы, используя инструмент широкополосной радиационной радиации (SABER), который позволил им смоделировать, как инфракрасные наблюдения этих маяков могут появляться в атмосферах экзопланет.
Как отметил Мартин Млинчак, старший научный сотрудник SABER в Исследовательском центре Лэнгли при НАСА и соавтор статьи:
«Учитывая то, что мы знаем об инфракрасном излучении, испускаемом земной атмосферой, идея состоит в том, чтобы взглянуть на экзопланеты и посмотреть, какие сигналы мы можем обнаружить. Если мы обнаружим, что сигналы экзопланеты примерно в той же пропорции, что и сигналы Земли, мы можем сказать, что планета является хорошим кандидатом для размещения жизни ».
Они обнаружили, что частота интенсивных звездных бурь была напрямую связана с силой тепловых сигналов, исходящих от атмосферных маяков. Чем больше штормов происходит, тем больше создается маяковых молекул, генерирующих достаточно сильный сигнал, чтобы их можно было наблюдать с Земли с помощью космического телескопа, и основанное на времени наблюдения всего два часа.
Они также обнаружили, что этот метод может отсеять экзопланеты, которые не обладают подобным Земле магнитным полем, которые естественным образом взаимодействуют с заряженными частицами от Солнца. Наличие такого поля - это то, что гарантирует, что атмосфера планеты не будет сорвана, и, следовательно, важно для обитаемости. Как объяснил Айрапетян:
«Планете нужно магнитное поле, которое защищает атмосферу и защищает планету от звездных штормов и радиации. Если звездные ветры не настолько сильны, чтобы сжимать магнитное поле экзопланеты близко к ее поверхности, магнитное поле предотвращает выброс в атмосферу, поэтому в атмосфере больше частиц и более сильный инфракрасный сигнал ».
Эта новая модель важна по нескольким причинам. С одной стороны, это показывает, как исследования, которые позволили провести детальные исследования атмосферы Земли и как она взаимодействует с космической погодой, теперь направляются на изучение экзопланет. Это также захватывающе, потому что это может позволить новые исследования обитаемости экзопланет вокруг определенных классов звезд - от многих типов желтых и оранжевых звезд до холодных звезд красных карликов.
Красные карлики являются наиболее распространенным типом звезд во Вселенной, на их долю приходится 70% звезд в спиральных галактиках и 90% в эллиптических галактиках. Более того, основываясь на недавних открытиях, астрономы подсчитали, что у звезд красных карликов очень вероятно наличие систем каменистых планет. Исследовательская группа также ожидает, что космические инструменты следующего поколения, такие как космический телескоп Джеймса Уэбба, повысят вероятность обнаружения обитаемых планет с использованием этой модели.
Как сказал Уильям Данчи, старший астрофизик Годдарда и соавтор исследования:
«Новое понимание потенциала жизни на экзопланетах критически зависит от междисциплинарных исследований, в которых используются данные, модели и методы четырех научных подразделений НАСА Годдарда: гелиофизика, астрофизика, планетология и науки о Земле. Эта смесь создает уникальные и мощные новые пути для исследования экзопланет ».
До тех пор, пока мы не сможем изучать экзопланеты напрямую, любая разработка, которая делает биосигнатуры более различимыми и их легче обнаружить, будет невероятно ценной. В ближайшие годы Project Blue и Breakthrough Starshot надеются провести первые прямые исследования системы Альфа Центавра. Но в то же время улучшенные модели, которые позволяют нам исследовать бесчисленное множество других звезд на наличие потенциально обитаемых экзопланет, являются золотыми!
Они не только значительно улучшат наше понимание того, насколько распространены такие планеты, но и могут указать нам направление одной или нескольких Земных 2.0!
