Исследование атмосфер экзопланет может выявить характерные признаки жизни
Поиск жизни на других планетах начинается с обнаружения биомаркеров — соединений, производимых живыми организмами. Однако обнаружение этих химических веществ на далёких мирах — сложная задача.
Профессор Игнас Снеллен из Лейденского университета (Нидерланды) совершенствует методы, сочетающие данные крупнейших наземных телескопов с высококонтрастной визуализацией. Телескопы используют высокоточную спектроскопию для изучения различных длин волн света.
"Вы хотите максимально отфильтровать сам звездный свет, чтобы сделать видимой любую информацию, которую можно получить от экзопланеты", — говорит профессор Снеллен.
Анализируя звёздный свет, прошедший через атмосферу планеты, можно определить типы присутствующих газов.
Пока телескопы недостаточно велики для изучения спектров планет размером с Землю, учёные оттачивают методы на более крупных экзопланетах — так называемых горячих юпитерах. Это газовые гиганты, которые находятся очень близко к своей звезде и, как правило, приливно заблокированы (одна сторона всегда освещена, другая — в темноте).
В проекте EXOPLANETBIO команда профессора Снеллена впервые использовала высокоточную спектроскопию с наземных телескопов для подтверждения количества гелия в атмосфере горячего юпитера. Это позволяет понять, насколько далеко зашёл процесс "кипения" и утечки атмосферы с дневной стороны планеты.
"Это был прорыв для этих горячих юпитеров... Теперь, с более сильной линией гелия, мы можем делать это очень хорошо с земли", — отмечает он.
Эти процессы утечки атмосферы важны для понимания эволюции атмосфер всех экзопланет со временем.
Климат экзопланет
Используя новые методы, команда также впервые смогла определить скорость вращения (спин) и орбитальную скорость экзопланет.
"Скорости вращения у горячих юпитеров, как правило, довольно низкие, так как они обычно приливно заблокированы", — объясняет профессор.
Это раскрывает информацию о климате и погодных системах экзопланеты. При медленном вращении полосчатая структура (как у Юпитера) не формируется, возникают совершенно иные погодные системы. Учёные уже наблюдали ветра высоко в атмосфере таких планет.
Профессор Снеллен уверен, что модернизация инструмента CRIRES на Очень Большом Телескопе ESO, которая должна заработать в следующем году, позволит находить такие соединения, как метан, на более холодных планетах. Метан может быть компонентом жизни, если он обнаружен на планетах размером с Землю.
"Я рассматриваю это как своего рода тренировочную площадку. Мы изучаем методы, которые когда-нибудь сможем применить к землеподобным планетам. Чрезвычайно Большой Телескоп ESO должен быть готов к 2026 году, и с ним мы сможем начать исследовать землеподобные планеты".
Признак жизни
Но даже при наличии хороших данных о каменистых планетах размером с Землю, как узнать, является ли соединение истинным признаком жизни?
"Геология очень хорошо производит вещи, похожие на жизнь, например, метан. Он может исходить от коров или от горных пород", — говорит профессор Кевин Хенг из Бернского университета (Швейцария).
Биомаркеры должны удовлетворять нескольким условиям: их не должна имитировать геология, они должны существовать в атмосфере длительное время (быть стабильными или пополняться) и быть обнаружимыми.
В рамках проекта EXOKLEIN профессор Хенг моделирует атмосферы небольших планет вокруг карликовых звёзд, чтобы определить, могут ли такие соединения, как хлористый метил и аммиак, сохраняться в атмосферах экзопланет достаточно долго для изучения. Это особенно сложно для планет размером с Землю, чьи атмосферы со временем меняются.
"Мы потратили последние 8–10 лет, выясняя, как использовать климатические модели, разработанные для Земли (на экзопланетах), и как их модифицировать".
Эти модели будут использоваться для поиска потенциальных объяснений собранным данным, чтобы понять, являются ли соединения биомаркерами или их можно объяснить геологическими процессами.
"Экстраординарные заявления требуют экстраординарных стандартов доказательств, поэтому если что-то согласуется с отсутствием необходимости в биологии, я бы сказал, что биологии там нет", — заявляет профессор Хенг.
Он также моделирует планеты с более драматичной судьбой. Для поддержания жизни на небольших планетах вокруг красных карликов им необходима очень тесная орбита, что делает их приливно заблокированными. Это может привести к конденсации газов атмосферы на холодной ночной стороне в лёд и последующему коллапсу атмосферы, оставляющему планету холодной и безжизненной, как Марс.
Хотя работа пока теоретическая, предстоящие миссии, такие как спутник CHEOPS Европейского космического агентства и космический телескоп James Webb Space Telescope (запущен в 2021 году), должны предоставить данные для проверки этих теорий.
"Когда запустился Webb, произошёл квантовый скачок в качестве данных. Может оказаться, что коллапс атмосферы настолько распространён, что у половины небольших планет вокруг красных звёзд нет атмосфер".