18.10.2023, Мэтт Уильямс, Universe Today

В поисках жизни во Вселенной ученые-астробиологи полагаются на Землю как на образец биологических и эволюционных процессов. Это включает в себя поиск аналогов Земли, каменистых планет, которые вращаются в пределах обитаемой зоны своей родительской звезды и имеют атмосферу, состоящую из азота, кислорода и углекислого газа. Однако атмосфера Земли со временем значительно эволюционировала из токсичного шлейфа азота, углекислого газа и следов вулканического газа. Со временем появление фотосинтезирующих организмов вызвало переход, приведший к атмосфере, которую мы видим сегодня.

imНа этом изображении (фантазия художника) показана планета, вращающаяся вокруг солнцеподобной звезды HD 85512 в южном созвездии Вела (Парус). Эта планета является одной из шестнадцати суперземель, открытых прибором HARPS на 3,6-метровом телескопе обсерватории ESO Ла Силла. Она примерно в 3,6 раза массивнее Земли и находится на краю обитаемой зоны вокруг звезды, где потенциально может существовать жидкая вода и, возможно, даже жизнь. Credit: ESOage

Последние 500 миллионов лет, известные как фанерозойский эон, были особенно значимыми для эволюции атмосферы Земли и наземных видов. В этот период значительно возросло содержание кислорода и появились животные, динозавры и эмбриофиты (наземные растения). К сожалению, спектры, полученные в результате пропускания света родительской звезды через атмосферу экзопланеты, отсутствуют как инструмент при поиске признаков жизни. Чтобы устранить этот пробел, команда исследователей из Корнелла создала симуляцию атмосферы во время фанерозойского эона, которая может иметь значительные последствия для поиска жизни на внесолнечных планетах.

Исследованием руководили научный сотрудник Ребекка Пейн и доцент Лиза Кальтенеггер (Институт Карла Сагана при Корнельском университете). Статья, описывающая их находки, «Изобилие кислорода для земноподобных экзопланет: спектры Земли в фанерозое», была недавно опубликована в Monthly Notices of the Royal Astronomical Society: Letters (Ежемесячные уведомлениях Королевского астрономического общества: Письма). Они сделали полную модель и спектры высокого разрешения доступными онлайн, которые предоставляют инструмент для планирования, оптимизации и интерпретации наблюдений с помощью наземных и космических телескопов.

В настоящее время изучение экзопланет переживает переходный период. Поскольку на сегодняшний день подтверждено 5528 экзопланет и еще 9899 кандидатов ожидают подтверждения, процесс переходит от открытия к описанию характеристик. Этому переходу способствовали наземные и космические телескопы нового поколения, способные получать спектры непосредственно из атмосфер экзопланет. Это процесс, при котором свет анализируется с помощью спектрометров для выявления особенностей поглощения, соответствующих различным химическим соединениям, что позволяет получить важные данные о составе атмосферы экзопланеты.

Это можно сделать с помощью метода прямой визуализации, при котором астрономы изучают свет, отраженный от атмосферы или поверхности планеты. Другой метод включает получение спектров пропускания, когда астрономы анализируют свет, проходящий через атмосферу экзопланеты, при ее прохождении перед своей звездой относительно наблюдателя (транзиты). Благодаря таким обсерваториям, как космический телескоп Джеймса Уэбба (JWST), астрономы наконец могут получать спектры пропускания от небольших скалистых планет, которые вращаются ближе к своим звездам - там, где, как полагают, находятся потенциально пригодные для жизни планеты земного типа. Как сообщил Universe Today по электронной почте профессор Дж. Кальтенеггер:

«На сегодняшний день нам известно о примерно 35 скалистых экзопланетах, вращающихся в обитаемых зонах своих звезд. Несмотря на то, что космический телескоп имени Джеймса Уэбба НАСА работает здесь на пределе технических возможностей, анализ атмосферы некоторых из этих экзопланет теперь возможен. Но ученым нужно знать, на что обращать внимание. Наши модели определяют планеты, подобные фанерозойской Земле, как действительно многообещающие объекты для поиска жизни в космосе, конечно, эта жизнь ни в коем случае не должна быть связана с динозаврами».

Несмотря на множество открытых и охарактеризованных экзопланет, существует нехватка аналогов Земли, атмосфера которых находится на разных стадиях эволюции. Это особенно верно в отношении фанерозойского эона, нынешнего и самого позднего из четырех геологических эонов, которому предшествовали протерозойский, архейский и гадеонский (катархейский) эоны. Этот период был особенно важен для эволюции наземных форм жизни из-за множества важных событий, произошедших на протяжении всего периода. Сюда входит кембрийский взрыв, характеризующийся появлением в летописи окаменелостей большинства современных видов животных.

imaПлейстоцен в Северной Испании. Изображены шерстистые мамонты, пещерные львы, питающиеся северными оленями, тарпаны и шерстистый носорог. Credit: Wikipedia Commons/Mauricio Antónge

Сюда также входит девон, когда бесчисленные водные виды приспособились к жизни на суше; триасовый и юрский периоды, которые начались и закончились крупными событиями вымирания (пермско-триасовое и триасово-юрское вымирание соответственно); мел-палеогеновое вымирание, вымирание динозавров; и неоген, когда млекопитающие и птицы продолжали развиваться в современные формы, а в геологических летописях появились первые современные люди. По словам Кальтенеггера, чтобы предсказать, как будет выглядеть атмосфера этого эона, они создали модель, которая объединила существующие модели с новыми симуляциями атмосферы:

«Наши модели имитировали спектры пропускания, генерируемые атмосферой планеты, пересекающей линию нашей видимости по отношению к ее звезде (транзит). Атмосфера планеты поглощает некоторые цвета звездного света, но пропускает другие, создавая “световой отпечаток”, который ученые используют для определения состава атмосферы и наличия в ней признаков жизни. Используя оценки двух устоявшихся климатических моделей (называемых GEOCARB и COPSE), Ребекка Пейн смоделировала состав атмосферы Земли и полученные в результате спектры пропускания в течение пяти периодов фанерозоя продолжительностью 100 миллионов лет, эпохи, когда диверсифицировалась биосфера и широко распространились леса, изменив состав воздуха: соотношение кислорода и других газов».

Ключом к их моделированию было содержание кислорода в атмосфере, которое выросло примерно с 10% в начале фанерозоя (кембрийский период) до 35% к концу (неоген). По их словам, возникший в результате более высокий уровень кислорода, возможно, был предпосылкой для эволюции сложной жизни, включая динозавров, млекопитающих и гоминидов (что в конечном итоге привело к появлению современных людей). Несмотря на это, «световой отпечаток», созданный их моделированием, будет выделяться даже больше, чем у современной Земли, из-за более высокого содержания кислорода.

«Анализируя последние 540 миллионов лет эволюции Земли, фанерозойский эон, мы обнаружили, что химические признаки жизни в атмосфере экзопланеты, похожей на Землю, будут более выражены, чем на современной Земле, - сказал Калтенеггер. - Во время фанерозоя, который включает в себя времена динозавров (245–66 миллионов лет назад), две ключевые пары биосигнатур — кислород и метан, а также озон и метан — проявились сильнее около 300 миллионов лет назад, когда уровень кислорода был значительно выше».

imagЭта художественная концепция иллюстрирует падение крупных астероидов в бедную кислородом атмосферу Земли. Credit: SwRI/Dan Durda/Simone Marchie

Это исследование подкреплено другим недавним исследованием, проведенным командой из Дартмутского колледжа (соавтором которого был Кальтенеггер). В своей статье, которая была принята к публикации в Monthly Notices Королевского астрономического общества и доступна на сервере препринтов arXiv («Подход теории информации к выявлению признаков жизни на транзитных планетах»), команда описала, как они моделировали диапазон спектров пропускания для создания алгоритма идентификации потенциальных биосигналов на земных аналогах. Они протестировали этот алгоритм на трех эпохах эволюции атмосферы для ряда планет земного типа, вращающихся вокруг звезд-хозяев.

Полученный диагностический инструмент, по их словам, может быть применен в будущих наблюдениях для определения обитаемости планет. Это исследование и модель, созданная Пейном и Кальтенеггером, могут иметь кардинальные последствия для астробиологии, предоставляя шаблон для поиска планет на различных стадиях обитаемости.

Как резюмировал Кальтенеггер: «Итак, для определения потенциально обитаемых миров было время, когда этот отпечаток жизни был еще более выражен, чем сейчас, - и это было во времена правления динозавров. Таким образом, несмотря на то, что найти жизнь в космосе невероятно сложно, возможно, все оказалось немного проще, чем мы думали. Миры Юрского периода - с их обширной и сложной жизнью - могут просто дать нам шанс найти ее немного легче. И кто знает, может быть, нам повезет, и там будут другие динозавры, ожидающие, когда их найдут».

Научные статьи:

1. Р. К. Пейн и др., Кислородная награда за земноподобные экзопланеты: спектры Земли в фанерозое, Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества: письма (2023). DOI: 10.1093/mnrasl/slad147;
2. Сара Ванна и др., Подход теории информации к выявлению признаков жизни на транзитных планетах, arXiv (2023). DOI: 10.48550/arxiv.2310.09472

Дополнительная информация:

Если бы Земля была экзопланетой, JWST знал бы, что здесь есть разумная цивилизация

Перевод:

Александр Тарлаковский (блог tay-ceti.space)

Оригинал:

The Combination of Oxygen and Methane Could Reveal the Presence of Life on Another World

Комбинация кислорода и метана может раскрыть наличие жизни в другом мире