Jak wykryć życie na egzoplanetach?

0

Egzoplanety stały się wyzwaniem dla astrobiologów. Odkryto ich już kilkaset, a lista ciągle powiększa się o nowe obiekty. Czy kiedykolwiek będziemy mogli się przekonać, czy na tych odległych o lata świetlne światach rozwinęło się życie? Czy będzie to możliwe dzięki obserwacjom z naszego „domu” – Układu Słonecznego? Szczęśliwie się składa, że odpowiedź na oba pytania jest twierdząca.

Techniki obserwacyjne pozwalają nam odkrywać skład atmosfery innych obiektów w Układzie Słonecznym. Dostępna technologia już w latach 90 XX wieku pozwalała na określanie związków chemicznych w atmosferze Plutona, odległego od Ziemi o ok. 35 jednostek astronomicznych. (Teleskop Podczerwony na Mauna Kea na Hawajach, 1992 roku).

Dystans między Plutonem a Ziemią jest jednak niewielki w porównaniu z odległością do najbliższych nam egzoplanet. Stanowi 0,00055 roku świetlnego. Większość odkrytych układów znajduje się setki lat świetlnych od naszej planety. Co proponują w tym wypadku astronomowie?

Pomysłów jest wiele, ale podstawowym jest badanie atmosfer obiektów spoza Układu Słonecznego. Możemy w ten sposób odkryć „oddech obcych” albo związki chemiczne, które ułatwiają i umożliwiają powstanie życia. Dzisiejsze techniki pozwalają nam na odkrywanie związków organicznych w atmosferach odległych gazowych gigantów przy użyciu teleskopów naziemnych. To zadanie realizuje się na przykład w obserwatorium Mauna Kea na Hawajach.

11 sierpnia 2007 roku badano w ten sposób gorącego Jowisza – HD189733b. Znajduje się on w gwiazdozbiorze Liska. System HD189733 odległy jest od Ziemi o 63 lata świetlne. Planeta HD189733b jest o 20% masywniejsza niż Jowisz i krąży 10 razy bliżej swojej gwiazdy niż nasz Merkury. Co 2,2 dnia, planeta wykonuje pełne okrążenie wokół swojej macierzystej gwiazdy (typu K, nieco chłodniejszej od Słońca). Dzięki częstym i regularnym tranzytom, wyznaczenie składu atmosfery planety było ułatwione. Okazało się, że na dziennej stronie gorącego Jowisza znajdują się duże ilości metanu. Co ważniejsze, obserwacja ta została “potwierdzona” przez teleskop Hubble’a, w maju 2007 roku. Narzędzia używane w detekcji związków organicznych z poziomu gruntu są już na tyle zaawansowane, że wpływ ziemskiej atmosfery staje się znikomy. Pomiary pozbawione są znaczących błędów.

Dobrym wykładnikiem „żywotności” planety jest jej aktywność geologiczna. Najłatwiej zaobserwować ją w postaci gwałtownych erupcji, np. wulkanów na Ziemi albo kriowulkanów lub gejzerów na odległych księżycach Układu Słonecznego. Czy istnieje możliwość wykrycia wulkanów na egzoplanetach? Tak, teraźniejsze techniki obserwacyjne pozwalają na obserwację gazów wulkanicznych, szczególnie dwutlenku siarki, w atmosferach odległych planet. Choć mogą one w tym przypadku przypominać bardziej księżyc Io Jowisza, istnieje duże prawdopodobieństwo, że są one miejscem gdzie może istnieć lub narodzić się życie. W najbliższej przyszłości możliwe będzie nawet dostrzeżenie erupcji wulkanu. Hipotetycznie Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba umożliwi nam obserwację tego zjawiska w najbliższych pozasłonecznych układach, gdy siła eksplozji będzie zawierała się (minimalnie) między 10 a 100 erupcjami ziemskiego Pinatubo.

We wcześniejszych przykładach, nie braliśmy pod uwagę działalności żywych organizmów w procesach atmosferycznych. Naukowcy jednak planują detekcję cząstek, które wskazywałyby na obecność życia. Dobrym przykładem są siarczany, wspomniane już wcześniej przy opisie detekcji wulkanów. W 2002 roku, Yanan Shen z Harvard University, Donald Canfield z Odense University w Danii i Roger Buick z University of Washington odkryli pozostałości po bakteriach, które odżywiały się siarczanami (VI) i redukowały je do siarczanów (IV).

Inne anaerobowe organizmy redukujące siarczany odnaleziono 2,8 kilometra pod powierzchnią Ziemi, w kopalniach złota w Afryce. Te ekstremofile nie miały kontaktu z atmosferą, czerpały energię ze związków wodoru i siarki.

Renyu Hu z MIT opracował modele planet, które znajdują się w granicach ekosfery, ale ich azotowe atmosfery posiadają 1000 razy więcej siarki niż ziemskie powietrze. Właśnie takie miejsca mogłyby zasiedlać ekstremofile przetwarzające siarczany. Międzygwiezdne odległości utrudniłyby obserwacje produktów przemiany materii takiego życia – siarkowodoru (H2S) – ponieważ jego sygnatura przypominałaby wodę (H2O). Rozwiązanie jakie proponuje Hu to dodatkowe określenie zawartości czystych aerozolów siarki. W atmosferach z dużym udziałem H2S będzie ich o wiele więcej niż w atmosferach analogicznych do ziemskiej.

Co z innymi związkami chemicznymi w atmosferach egzoplanet? Naukowcy wyznaczyli już kilka biomarkerów, biorąc przykład z Ziemi. Oczywiście pod uwagę brane są wszelkie możliwości: że obce życie oparte jest na krzemie, że czerpie energię z procesów geotermalnych na podobieństwo ekosystemów przy kominach hydrotermalnych lub jest dla nas nie do wyobrażenia, ze względu na brak próbki porównawczej. Jednak astrobiolodzy przyjmują, że podstawowe reakcje chemiczne w przeciwieństwie np.: do konstrukcji nośnika informacji genetycznej, będą takie same jak na Ziemi. Dlatego poszukuje się najprostszych cząstek: tlenu, dwutleneku węgla, ozonu, metanu i wody.

Naukowcy podejrzewają, że przez pierwszy miliard lat od pojawienia się życia na Ziemi, produktem przemiany materii był przede wszystkim metan. Działo się tak ze względu na niedostępność tlenu. „Praorganizmy” musiały radzić sobie z innymi pierwiastkami, przetwarzając je na metan zamiast dwutlenku węgla. Dlatego dobrą biosygnaturą jest ta cząstka organiczna, jednak z zastrzeżeniem, że jest jej w atmosferze więcej niż sto części na milion. Niewielkie ilości metanu mogą być pochodną reakcji chemicznych niezwiązanych z obecnością organizmów żywych.

Na martwych skalistych światach tlen będzie rzadkością. Niewielkie ilości mogłyby powstawać na skutek oddziaływania promieniowania ultrafioletowego z wodą, które rozbijałoby jej cząsteczki na wodór na tlen, ale ten drugi byłby szybko „pochłaniany” przez skały w procesie utleniania. Nie znalazłby swojego miejsca w atmosferze. Duża zawartość tlenu jest śladem, wskazującym na istnienie fotosyntezy. A ta przeprowadzana jest przez organizmy żywe… zwykle rośliny.

Być może powinniśmy szukać drzew na odległych egzoplanetach? Choć pomysł wydaje się być niepoważny, warto spojrzeć na to z innej strony – dzisiejsza technika nie pozwala nam na takie operacje, ale w przyszłości, nawet niedalekiej, może stać się to możliwe. Gdy odkryjemy skalistą planetę bogatą w tlen, naturalnym krokiem będzie próba dojrzenia jego producentów.

Christopher Doughty z University of Oxford w Anglii, opracował funkcję badania współczynnika odbicia w zależności od kierunku padania promieni. Jest to matematyczny model, który pozwala na wyznaczenie rodzaju powierzchni, od której odbija się światło gwiazdy, na podstawie zmian jasności obserwowanego obszaru spowodowanych różnym kątem padania promieni świetlnych w trakcie dnia. Podstawową rolę w tym modelu odgrywają cienie. Kiedy światło pada prostopadle do powierzchni, współczynnik odbicia jest inny niż gdy pojawiają się cienie i kąt padania jest ostry.

Według autora koncepcji, wystarczy obraz planety rozmiaru jednego piksela i detekcja jest możliwa. Postępująca zmiana oświetlenia (rotacja wokół własnej osi), i jasności obserwowanej planety pozwoliłaby wyznaczyć rodzaj powierzchni odbijającej światło – od wody aż po lasy.

Kwestią otwartą pozostaje kolor drzew. Ze względu na naszą gwiazdę, rośliny na Ziemi są zielone – ich liście odbijają przede wszystkim to światło, ponieważ dostarcza ono nadmiaru energii, która mogłaby uszkodzić komórki. W zależności od rodzaju gwiazdy i związków w atmosferze, rośliny obcych światów mogą zupełnie inne kolory – niebieskie, czerwone a nawet czarne.

Najbardziej ekstremalne poszukiwania wiążą się z próbą wykrycia obcych cywilizacji. Gazy atmosferyczne będące produktem przemiany materii mikrobów, a nawet cień „egzopuszczy” mogą występować znacznie powszechniej, niż jakiekolwiek ślady cywilizacji pozaziemskich. Odejdźmy od działań SETI, które polegały na nasłuchu radiowym oraz próbie wykrycia laserowych sygnałów obcych cywilizacji i spójrzmy na najnowsze propozycje naukowców. Avi Loeb z Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics oraz Edwin Turner z Princeton University zaproponowali poszukiwanie świateł pozaziemskich metropolii. Astronomowie dobrze wiedzą, że nasza planeta jest coraz bardziej zanieczyszczona światłem. Z drugiej strony jego ilość jest tak duża, że wpływa na ogólną jasność gdybyśmy obserwowali ją z kosmosu.

Trudnością w tego typu obserwacjach byłoby wykrycie, czy jasność z nocnej strony planety jest naturalna, czy nie. Potrzebny byłby model „nieoświetlony”, o zbliżonej wielkości oraz atmosferze, by po porównaniu móc z całą pewnością stwierdzić, czy na danej planecie znajdują się megalopolis obcych.

Najpewniejszym sposobem badania biosygnatur na odległych światach pozostaje badanie atmosfer, jednakże teleskopy przyszłych generacji może pozwolą nam sięgnąć jeszcze głębiej. Astrobiolodzy już od kilku lat przygotowują się na takie czasy.

Źródło: Artykuł powstał na podstawie tekstów z Astrobiology Magazine.

Ilustracja na stronie głównej: Luc Perrot

{module [346]}

 

Gdyby obca cywilizacja obserwowała Układ Słoneczny, spostrzegłaby zwiększoną ilość dwutlenku węgla w atmosferach Wenus, Ziemi i Marsa. Jednak to Ziemia byłaby „wisienką na torcie”, ze względu na dodatkową, dużą zawartość ozonu i wody w atmosferze. (Credits: NASA Terrestrial Planet Finder mission) Przetrwalnik bakterii przetwarzającej siarczany. Należy ona do rodzaju Desulfotomaculum – produktem jej metabolizmu jest gaz śmierdzący zgniłymi jajkami – siarkowodór. W kopalniach złota w Afryce odkryto nową gałąź Desulfotomaculum, która nie potrzebuje do życia procesów fotosyntezy. Być może odnajdziemy podobne gatunki poza Ziemią. (Credits: Mazák Károly, sulinet.hu)

Share.

Comments are closed.