Незважаючи на тисячі екзопланет, які були виявлені астрономами в останні роки, визначити, чи є яка-небудь з них мешкає, є головним завданням. Оскільки ми не можемо вивчити ці планети безпосередньо, вчені змушені шукати непрямі показання. Вони відомі як біосигнатури, які складаються з хімічних побічних продуктів, які ми пов'язуємо з органічним життям, що виявляються в атмосфері планети.
Нове дослідження групи вчених NASA пропонує новий метод пошуку потенційних ознак життя поза нашою Сонячною системою. Основне, вони рекомендують, - скористатися частими зоряними бурями від прохолодних, молодих карликових зірок. Ці бурі кидають у космос величезні хмари зоряного матеріалу та випромінювання, взаємодіючи з атмосферою екзопланети та створюючи біосигнати, які можна було б виявити.
Дослідження під назвою «Атмосферні маяки життя з екзопланет навколо зірок G та K» нещодавно з'явилося в Наукові звіти про природу. Команда під керівництвом Володимира С. Айрапетьяна, старшого астрофізика відділу геліофізики науки (HSD) Центру космічних польотів НАСА Годдард, до складу групи входили члени Науково-дослідного центру Ленглі NASA, Наукових систем та прикладних програм (SSAI) та Американського університету .
Традиційно дослідники шукали ознаки кисню та метану в екзопланетних атмосферах, оскільки це добре відомі побічні продукти органічних процесів. З часом ці гази накопичуються, досягаючи кількості, яку можна було б виявити за допомогою спектроскопії. Однак такий підхід трудомісткий і вимагає, щоб астрономи проводили дні, намагаючись спостерігати спектри з далекої планети.
Але, за словами Айрапетяна та його колег, можна шукати більш жорсткі підписи на потенційно мешканцях світу. Цей підхід спирався б на існуючі технології та ресурси і забирав би значно менше часу. Як пояснив Айрапетьян у прес-релізі NASA:
"Ми шукаємо молекули, що утворюються з основних передумов для життя - зокрема молекулярного азоту, який становить 78 відсотків нашої атмосфери. Це основні молекули, які є біологічно чистими та мають сильну інфрачервону випромінювальну здатність, збільшуючи шанс їх виявити ».
Використовуючи життя на Землі як шаблон, Айрапетьян та його команда розробили новий метод пошуку або ознак побічних продуктів водяної пари, азоту та кисню в атмосфері екзопланет. Справжня хитрість полягає в тому, щоб скористатись видами екстремальних космічних погодних явищ, які відбуваються із активними карликовими зірками. Ці події, що піддають планетарну атмосферу вибухам радіації, викликають хімічні реакції, які астрономи можуть сприймати.
Якщо мова йде про таких зірок, як наше Сонце, жовтому карлику типу G, подібні погодні явища є звичайними, коли вони ще молоді. Однак, як відомо, інші жовті та оранжеві зірки залишаються активними протягом мільярдів років, створюючи бурі енергійних, заряджених частинок. А зірки типу М (червоний карлик), найпоширеніший тип у Всесвіті, залишаються активними протягом усього свого довгого життя, періодично піддаючи свої планети міні-спалахам.
Коли вони досягають екзопланети, вони реагують з атмосферою і викликають хімічну дисоціацію газу азоту (N²) та кисню (O²) на одиничні атоми та водяної пари на водень та кисень. Розщеплені атоми азоту та кисню потім спричиняють каскад хімічних реакцій, які утворюють гідроксил (OH), більш молекулярний кисень (O) та оксид азоту (NO) - те, що вчені називають "атмосферними маяками".
Коли зіркове світло потрапляє в атмосферу планети, ці молекули маяка поглинають енергію та випромінюють інфрачервоне випромінювання. Вивчаючи конкретні довжини хвиль цього випромінювання, вчені можуть визначити, які хімічні елементи присутні. Сила сигналу цих елементів також є показником атмосферного тиску. У сукупності ці показання дозволяють вченому визначити щільність та склад атмосфери.
Десятиліттями астрономи також використовували модель для обчислення того, як озон (O³) утворюється в атмосфері Землі з кисню, що піддається впливу сонячної радіації. Використовуючи цю ж модель - і поєднуючи її з космічними погодними подіями, які очікуються від прохолодних, активних зірок - Айрапетьян та його колеги намагалися підрахувати, скільки утворюватиметься оксид азоту та гідроксил в атмосфері Землі та скільки озону буде знищено .
Для цього вони звернулися до даних місії НАСА з термосферної іоносферної мезосферної енергетики (TIMED), яка вже багато років вивчає формування маяків в атмосфері Землі. Зокрема, вони використовували дані його звучання атмосфери за допомогою приладу широкосмугової радіометрії (SABER), що дозволило їм моделювати, як інфрачервоні спостереження за цими маяками можуть відображатися в атмосфері екзопланети.
Як зазначив Мартін Млинджак, головний дослідник SABER в дослідницькому центрі НАСА в Ленглі та співавтор статті, зазначив:
«Беручи до уваги те, що ми знаємо про інфрачервоне випромінювання, випромінюване атмосферою Землі, ідея полягає в тому, щоб подивитися на екзопланети і подивитися, які сигнали ми можемо виявити. Якщо ми знайдемо сигнали про екзопланети майже в тій же пропорції, що і Земля, ми можемо сказати, що планета є хорошим кандидатом у життя господаря ".
Вони з'ясували, що частота інтенсивних зоряних бур буває безпосередньо пов'язана з силою теплових сигналів, що надходять від атмосферних маяків. Чим більше бурі, тим більше молекул маяка створюється, генеруючи сигнал, достатньо сильний, щоб його спостерігали із Землі за допомогою космічного телескопа, і базувався лише на дві години часу спостереження.
Вони також виявили, що подібний метод дозволяє викорінювати екзопланети, які не володіють земним магнітним полем, яке природно взаємодіє із зарядженими частинками Сонця. Наявність такого поля - це те, що забезпечує атмосферу планети не позбавленою, а тому важливо для заселення. Як пояснив Айрапетіан:
«Планеті потрібне магнітне поле, яке захищає атмосферу і захищає планету від зоряних бур та випромінювання. Якщо зоряні вітри не настільки екстремальні, щоб стиснути магнітне поле екзопланети поблизу його поверхні, магнітне поле запобігає виходу з атмосфери, тому в атмосфері є більше частинок і сильніший інфрачервоний сигнал. "
Ця нова модель є важливою з кількох причин. З одного боку, це показує, як дослідження, що дають змогу детально вивчити атмосферу Землі та як вона взаємодіє з космічною погодою, зараз спрямовуються на вивчення екзопланет. Це також захоплююче, тому що може дозволити проведення нових досліджень заселення екзопланет навколо певних класів зірок - від багатьох типів жовтих та оранжевих зірок до прохолодних, червоних карликових зірок.
Червоні карлики - найпоширеніший тип зірки у Всесвіті, що становить 70% зірок у спіральних галактиках та 90% у еліптичних галактиках. Більше того, на основі останніх відкриттів астрономи підрахували, що у червоних карликових зірок, швидше за все, є системи скелястих планет. Команда дослідників також передбачає, що космічні прилади нового покоління, такі як космічний телескоп Джеймса Вебба, збільшать ймовірність пошуку планет, що живуть за допомогою цієї моделі.
Як заявив Вільям Данчі, старший астрофізик і співавтор Годдарда в дослідженні:
"Нові уявлення про потенціал для життя на екзопланетах критично залежать від міждисциплінарних досліджень, в яких дані, моделі та методи використовуються з чотирьох наукових підрозділів НАСА Годдарда: геліофізика, астрофізика, планетарні та земні науки. Ця суміш створює унікальні та потужні нові шляхи для досліджень екзопланет ».
До того часу, коли ми не зможемо безпосередньо вивчати екзопланети, будь-яка розробка, яка робить біосигнати більш помітними та легшими для виявлення, є надзвичайно цінною. У найближчі роки Project Blue та Breakthrough Starshot сподіваються провести перші прямі дослідження системи Альфа Кентавра. Але тим часом вдосконалені моделі, що дозволяють нам оглянути незліченну кількість зірок на потенційно проживаючі екзопланети - золоті!
Вони не тільки покращать наше розуміння того, наскільки поширені такі планети, вони можуть просто вказати нам у напрямку однієї або декількох Землі 2.0!
