Пониманием биосигнатур представляет собой головоломку
Астрономы усердно работают над пониманием биосигнатур и того, как они указывают на присутствие жизни на экзопланете. Но каждая планета, с которой мы сталкиваемся, представляет собой уникальную головоломку. Когда дело доходит до атмосферы планет, углерод представляет собой большую часть головоломки, поскольку он оказывает мощное влияние на климат и биогеохимию. Если ученые смогут выяснить, как и откуда берется углерод планеты и как он ведет себя в атмосфере, они добьются прогресса в решении загадки. Но одна из проблем с углеродом в атмосферах экзопланет заключается в том, что он может посылать смешанные сигналы. В этом контексте углерод означает все основные виды углерода, такие как диоксид углерода, окись углерода и метан (CO2, CO и CH4). Новое исследование исследует разнообразие этих химических веществ в атмосферах экзопланет, подобных Вокруг Земли вращаются звезды, похожие на Солнце. Исследование называется «Относительное содержание CO2, CO и CH4 в атмосферах безжизненных планет, подобных Земле». Он был отправлен в The Astrophysical Journal и доступен на сервере препринтов arXiv. Авторы — Ясуто Ватанабэ и Кадзуми Одзаки. Ватанабэ связан с кафедрой наук о Земле и планетах Токийского университета, а Одзаки — с кафедрой наук о Земле и планетах Токийского технологического института.
Исследование особенно касается CO. «Мы сосредоточились на условиях формирования богатой CO атмосферы, которая была бы благоприятна для зарождения жизни», — пишут авторы. В нынешней атмосфере Земли CO не может накапливаться, потому что химические реакции разрушают его. Но в далеком прошлом, 3 миллиарда лет назад, когда океаны кишели простой жизнью, CO мог накапливаться в атмосфере Земли. Это потому, что в атмосфере было очень мало кислорода, а солнце было тусклее. Поэтому, когда мы ищем биосигнатуры, атмосфера с CO может указывать на простую жизнь. Это потому, что он может быть важным источником углерода и кислорода для жизни. Но все не так просто. Это исследование направлено на то, чтобы распутать некоторые детали атмосфер экзопланет, чтобы мы могли определить, какие смеси молекул углерода, включая угарный газ, могут быть биосигнатурой. «Следовательно, детальное понимание тех факторов, которые определяют относительное содержание CO2, CO и CH4 в планетных атмосферах, имеет далеко идущие последствия для поиска обитаемых планет за пределами нашей Солнечной системы», — говорится в документе.
Ключевая концепция в этом исследовании называется «бегство CO». В атмосфере, подобной ранней Земле, которая содержала очень мало кислорода, CO образуется в результате фотодиссоциации под действием УФ-излучения. С другой стороны уравнения, он разрушается в результате химических реакций, возникающих в результате фотодиссоциации воды. При подходящих условиях образуется больше CO, чем уничтожается, и это может привести к его утечке. Понимание утечки CO имеет решающее значение для возникновения жизни, поскольку пребиотические химические вещества, необходимые для жизни, особенно пептиды, легче создаются в атмосфере, богатой CO, чем в атмосфере, богатой CO2. Данные с Марса подтверждают эту точку зрения. Пара исследователей использовала модели химии атмосферы, чтобы изучить детали утечки CO и то, как это может помочь нам определить, какие экзопланеты могут стать местом обитания жизни. Планеты представляют собой сложные механизмы обратной связи между океанами, сушей и атмосферой. Звезды также играют важную роль, отчасти потому, что их ультрафиолетовый свет вызывает фотодиссоциацию. Все системы немного отличаются друг от друга, и иногда — или, по крайней мере, однажды — они приводят к жизни. Если исследователи правы и выброс CO является биосигнатурой, то они что-то нащупывают.
В их моделируемой атмосфере важную роль играл выброс CO. «…химический состав атмосферы четко разделен на группы до и после выброса CO», — объясняют они. Исследователи обнаружили заметный пробел в химии атмосферы, который важен для жизни. «Наши систематические исследования показывают, что химию атмосферы можно четко классифицировать в фазовом пространстве pCH4/pCO2 и pCO/pCO2, где появляется отчетливая структура пробелов». Так могут ли ученые-планетологи искать в этом разрыве биосигнатуру? Это не так просто, и одно омрачает результаты: вулканы. Магма может изменить атмосферу, выделяя больше CO, чем CH4. Таким образом, это может привести к утечке CO без необходимости использования УФ-энергии для стимулирования производства и накопления CO. «Наши результаты для пребиотических условий Земли показывают, что фотохимическая нестабильность CO (т.е. утечка CO) имеет тенденцию быть вызвана более высоким атмосферным pCO2. уровни и повышенные потоки дегазации восстановительных газов", - пишут они. Пара исследователей не предоставила нам надежного способа обнаружения биосигнатур. Но то, что они сделали, — это проложили путь для будущих исследований, которые могут приблизить нас к большей уверенности, когда дело касается биосигнатур. «… структура разрыва убегания CO будет общей чертой планет земного типа, вращающихся вокруг звезд, подобных Солнцу», — пишут они.
Вот к чему это сводится: «Поэтому для лучшего ограничения условий, необходимых для бегства CO, решающее значение имеет совместное моделирование процессов в атмосфере и твердой Земле», — пишут исследователи. Твердоземные процессы – это процессы, происходящие в земной коре, мантии и ядре. В общем, вулканы. Подобные исследования всегда приводят к появлению новых вопросов, которые необходимо изучить. Но для остальных из нас, кто не является ученым, эта работа иллюстрирует необычайную сложность планет, химии и жизни, а также некоторые простые заголовки, которые мы видим о обитаемых экзопланетах. «Эти результаты расширяют наше понимание сложных взаимосвязей между спектральными типами центральных звезд, составом атмосферы, климатом, тектонической активностью и происхождением жизни, способствуя продолжающемуся исследованию обитаемых миров за пределами нашей Солнечной системы», — заключают они.
