Является ли метан ключом к поиску жизни в других мирах
Как обнаружение метана помогло бы астрономам определить, есть ли жизнь на экзопланетах или даже экзолунах в том виде, в каком мы ее знаем, или даже в том виде, в каком мы ее не знаем? Именно на это направлено недавнее исследование, опубликованное в Astronomical Journal, в котором группа исследователей под руководством Центра космических полетов имени Годдарда НАСА изучала, как метод под названием BARBIE (байесовский анализ для дистанционной идентификации биосигналов на экзоземлях) может быть использован в будущей космической миссии для обнаружения метана (CH4) на Земле-как экзопланеты в оптическом (видимом) и ближнем инфракрасном диапазонах волн.
Это исследование основано на предыдущих исследованиях с использованием BARBIE, известных как BARBIE 1 и BARBIE 2, и потенциально может помочь ученым и инженерам разработать новые методы поиска жизни за пределами Земли и во всем космосе.
Здесь Universe Today обсуждает это невероятное исследование с Наташей Латуф, которая является кандидатом наук на кафедре физики и астрономии Университета Джорджа Мейсона и ведущим автором исследования, о мотивации исследования, значимых результатах, потенциальных последующих исследованиях, следующих шагах для БАРБИ, значении обнаруживаем метан на экзопланетах, похожих на Землю, и если Наташа думает, что мы когда-нибудь найдем жизнь на экзопланетах, похожих на Землю. Итак, какова была мотивация этого исследования?
Латуф рассказывает в интервью Universe Today: "Мы разработали методологию BARBIE для того, чтобы быстро исследовать большие объемы пространства параметров и принимать обоснованные решения о возможных компромиссах в результате наблюдений. Метан - это ключевой контекстуальный биосигнатур, который нам было бы очень интересно обнаружить, особенно в сочетании с другими биосигнатурами, такими как O2".
Как следует из названия, BARBIE использовала так называемый байесовский вывод, который представляет собой статистический метод, используемый для определения вероятностных исходов на основе заданных входных данных, что означает, что вероятности изменяются в зависимости от дополнительных вводимых данных.
Как уже отмечалось, эта работа основана на предыдущих исследованиях с участием BARBIE, в которых изучались параметры, включая наблюдение экзопланет в оптическом диапазоне длин волн с планетарными параметрами, включая поверхностное давление, альбедо поверхности, гравитацию, а также содержание воды (H2O), кислорода (O2) и озона (O3).
Однако эти результаты показали, что в оптическом диапазоне длин волн можно было наблюдать только атмосферу, богатую кислородом, и авторы отметили, что эти параметры были слишком ограниченными. В этой работе, известной как BARBIE 3, команда добавила к параметрам длины волн инфракрасного излучения и CH4, чтобы расширить параметры для получения более желаемых результатов. Итак, каковы были наиболее значимые результаты этого исследования?
"Наиболее важным результатом этого исследования является интересное взаимодействие между H2O и CH4 в ближнем инфракрасном диапазоне (NIR)", - говорит Латуф. "Хотя мы знали, что спектральные характеристики H2O и CH4 сильно перекрываются в инфракрасном спектре и, вероятно, могут вызвать некоторые проблемы с обнаруживаемостью, мы не понимали, насколько важен этот эффект.
"Фактически, мы обнаружили, что при достаточно высоком уровне CH4 отношение сигнал/шум (SNR), необходимое для точного обнаружения H2O, резко возрастает, и наоборот. По сути, нам нужно быть осторожными, прежде чем утверждать, что на планете нет H2O или CH4, потому что, если присутствуют оба, нам может не хватать одного! В настоящее время проводятся дополнительные исследования под руководством моей замечательной аспирантки Селесты Хейги, изучающей, как меняется обнаруживаемость биосигналов в БИК, если мы добавляем CO2 в смесь!"
Наряду с предыдущими исследованиями BARBIE, это исследование направлено на содействие запланированной миссии НАСА "Обсерватория обитаемых миров" (HWO), которая была рекомендована Национальной академией наук, инженерии и медицины (NASEM) для десятилетнего обзора астрономии и астрофизики в 2020 году и которую в настоящее время планируется запустить где-то в 2040-х годах.
Целью HWO будет анализ 25 потенциально обитаемых экзопланет, который сопоставит прошлые и текущие миссии по поиску экзопланет, такие как миссии НАСА "Кеплер" и НАСА "TESS" (спутник для исследования транзитных экзопланет), соответственно, целью которых было найти и идентифицировать как можно больше экзопланет.
HWO будет использовать комбинацию метода прямой визуализации для поиска экзопланет и своих спектроскопических приборов для анализа их соответствующих атмосфер на наличие биосигналов, в частности кислорода и метана.
Наряду с выявлением и анализом потенциальных обитаемых экзопланет, другие научные цели включают рост галактик, эволюцию элементов от Большого взрыва до наших дней, а также нашу солнечную систему и ее место во Вселенной. Итак, какие следующие шаги необходимо предпринять, чтобы BARBIE стала реальностью в будущей миссии по съемке экзопланет, подобной HWO?
"Причина, по которой BARBIE полезен, заключается в том, что он очень быстро предоставляет огромный объем информации о множестве параметров — это означает, что мы можем использовать эти данные для создания будущих телескопов", - говорит Латуф.
"Например, если мы пытаемся понять, нужен ли нам 20-процентный или 40-процентный коронограф для точного обнаружения биосигнатур в оптическом режиме, мы можем посмотреть, как 20% и 40% влияют на обнаружение биосигнатур, и на основании этого принять решение о том, принесет ли это научную пользу. увеличение стоимости на 40% оправдано".
Это не первый случай, когда ученые предполагают, что метан может быть ключевым показателем жизни на экзопланетах, поскольку в исследовании 2022 года, опубликованном в Proceedings of National Academy of Sciences, обсуждалось, как атмосферный метан следует рассматривать как биосигнатуру экзопланет и как объект наблюдения космических телескопов, таких как космический телескоп Джеймса Уэбба НАСА (JWST).
В пределах нашей солнечной системы метан является ключевым компонентом крупнейшего спутника Сатурна, Титана, и исследователи предполагают, что его кора может содержать метан. Кроме того, на Марсе происходят сезонные изменения в содержании метана, которые заставляют ученых ломать голову над его происхождением. Итак, каково значение обнаружения метана на экзопланетах, подобных Земле?
Латуф говорит: "CH4 — это контекстуальный биосигнатур: если мы обнаруживаем достаточное количество CH4 и O2 в атмосфере вместе, это означает, что атмосфера находится в неравновесном состоянии. Это означает, что должно быть что-то, производящее такие уровни CH4 и O2, и в зависимости от содержания каждого из них признаки будут указывать на какую-то форму жизни, стоящую за этим производством".
Это исследование было проведено в связи с тем, что число подтвержденных экзопланет в настоящее время составляет 5832, из которых 212 были отнесены к земным (скалистым) экзопланетам или экзопланетам размером с Землю или меньше. Основным примером экзопланет земного типа является система TRAPPIST-1, которая находится чуть более чем в 40 световых годах от Земли и, как предполагается, в настоящее время содержит семь экзопланет размером с Землю, по крайней мере, три из которых вращаются в обитаемой зоне своей звезды, что является правильным расстоянием от звезды для поддержания на поверхности жидкой воды, подобной земной.
Ближайшей известной экзопланетой земного типа к Земле является Проксима Центавра b, которая находится на расстоянии 4,24 световых лет от Земли и обращается в пределах орбиты своей звезды, несмотря на то, что ее продолжительность обращения составляет всего 11,2 суток. Однако это также означает, что Проксима Центавра b подвергается воздействию ультрафиолетового излучения, а это означает, что ее поверхность может быть непригодна для жизни в том виде, в каком мы ее знаем. Следовательно, верит ли Латуф, что мы когда-нибудь найдем жизнь на экзопланетах, похожих на Землю, и какие экзопланеты, похожие на Землю, представляют для нее особый интерес?
"По-моему, я думаю, что так и будет", - говорит Латуф. "Произойдет ли это при моей жизни? В этом я не уверен, но я верю, что в конце концов мы обретем жизнь! Хотя это может показаться скучным, но больше всего меня интересует планета, похожая на Землю.…Земля. У нас есть этот замечательный дар на этой планете, где созданы все необходимые условия. Нам нужно убедиться, что мы сохраняем его и понимаем нашу собственную планету, прежде чем мы отправимся на поиски других!"
На данный момент БАРБИ остается на чертежной доске, но она демонстрирует неустанное стремление научного сообщества усовершенствовать предыдущие проекты с целью ответить на вопрос, существует ли жизнь за пределами Земли и во всем космосе.
Забегая вперед, авторы отмечают, что дальнейшая работа будет направлена на расширение возможностей BARBIE, включая обнаружение всех молекул во всем диапазоне длин волн HWO, таких как ультрафиолетовое излучение, в дополнение к оптическому и ближнему инфракрасному излучению. Они также планируют проверить, подходят ли коронографические детекторы, которые блокируют свет звезды для выявления и улучшения анализа экзопланет, для идентификации молекул в атмосфере экзопланеты.
В заключение Латуф сказал в интервью Universe Today: "Я хочу подчеркнуть, что очень легко увидеть готовый документ и подумать про себя, особенно в начале карьеры: "Я бы никогда не смог этого сделать". БАРБИ была проектом, который создавался командой — конечно, я нанес на него свой фирменный стиль. это и сделало свое дело, но проект родился из открытого сотрудничества и общения. Процесс выполнения работы для BARBIE1, 2 и 3 занял около 3,5 лет и сопровождался множеством неудач.
"Эта работа тяжелая, она нелегкая, и никому она не кажется легкой. Все это говорит о том, что если вы работаете над чем—то и смотрите на других, думая, что вы не можете делать это так, как они, просто знайте: они тоже учатся и растут, а наука никогда не бывает такой простой, как кажется".
