Оценка атмосфер экзопланет на наличие питательных веществ для жизни

Жизнь на Земле зависит от шести критических элементов: углерода (C), водорода (H), азота (N), кислорода (O), фосфора (P) и серы (S). Эти элементы, обозначаемые как CHNOPS, наряду с микроэлементами и жидкой водой, необходимы для жизни.

Ученые учатся обнаруживать экзопланеты, достаточно теплые для наличия жидкой воды на поверхности — базового сигнала обитаемости. Следующая задача — найти в атмосферах экзопланет элементы CHNOPS.

Новая статья "Habitability constraints by nutrient availability in atmospheres of rocky exoplanets", принятая к публикации в International Journal of Astrobiology и размещенная на сервере препринтов arXiv, исследует эту проблему. Ведущий автор — Оливер Херборт из Университета Вены.

Текущие и будущие инструменты

Пока что изучение атмосфер экзопланет только начинается, и основным инструментом является JWST. Однако в 2029 году ESA запустит миссию ARIEL (Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large survey), которая будет полностью посвящена атмосферам экзопланет. В ожидании этих данных исследователи готовятся интерпретировать результаты с точки зрения обитаемости.

Концепция воздушных биосфер

Авторы исследуют идею воздушных биосфер — потенциальной жизни в атмосферах планет, например, в облаках, как предполагалось для Венеры. Эта концепция расширяет возможности обитаемости с наличия жидкой воды на поверхности до всех планет с облаками из жидкой воды.

Уровни доступности питательных веществ

Исследователи разработали систему оценки обитаемости на основе наличия элементов CHNOPS в атмосфере:

  • Наличие воды в форме конденсата — обязательное условие.
  • Минимальная концентрация элемента для его "доступности" установлена на уровне 109 молекул на см³ (или 1 ppb — часть на миллиард).
  • На основе наличия и количества CHNOPS атмосферам присваиваются разные уровни потенциальной обитаемости.

Результаты моделирования

С помощью моделирования атмосфер с разным составом ученые пришли к выводам:

  • C, N, S: В большинстве атмосфер, где стабильна жидкая вода, молекулы, содержащие C, N и S, присутствуют в концентрациях выше 109.
  • Углерод (C): Присутствует практически во всех смоделированных атмосферах.
  • Азот (N2, NH3): Его количество растет с понижением температуры поверхности. При высоких температурах может истощаться.
  • Фосфор (P): Является лимитирующим элементом, так как в основном связан в планетарной коре. В прошлом его нехватка ограничивала биосферу Земли.

Роль поверхностной воды

Ключевой вывод: "Как и в предыдущих работах, наши модели показывают, что ограничивающим фактором обитаемости на поверхности планеты является наличие жидкой воды".

  • При наличии поверхностной воды элементы C, N и S доступны в нижних слоях атмосферы.
  • Вода и взаимодействие с горными породами (химическое выветривание) могут делать доступными питательные вещества, включая фосфор и металлы, необходимые для ферментов.
  • На планетах-океанах, где нет контакта атмосферы с обнаженной породой, доступность пребиотических молекул может быть ограничена.

Неожиданные зоны и сложность

Многие модели показывают наличие в атмосферах зоны жидкой воды, отделенной от поверхности. Эти регионы могут представлять интерес для формирования жизни в виде воздушных биосфер.

Исследование подчеркивает чрезвычайную сложность и изменчивость планетарных атмосфер. Работа не учитывала влияние звездной радиации, что еще больше усложняет картину.

Главный вопрос — необходимо ли взаимодействие коры, воды и атмосферы для доступности CHNOPS? Окончательные ответы потребуют больше данных, которые, как надеются ученые, предоставит будущая миссия ARIEL.

2024-04-09