Разработка будущих платформ для космических экспериментов в астробиологии и астрохимии
Космические эксперименты, хотя и технически сложны, имеют важное научное значение для исследований в астробиологии и астрохимии. Международная космическая станция (МКС) служит примером долгосрочной орбитальной платформы, успешно реализующей эксперименты в космосе и предоставившей множество научных данных за последние десятилетия. Будущие космические платформы открывают дополнительные возможности для экспериментов.
В новом отчете, опубликованном в npj Microgravity, международная междисциплинарная команда ученых (Андреас Эльзессер и др.) из NASA Ames Research Center, Немецкого аэрокосмического центра и других институтов рассмотрела ключевые темы на основе анализа ключевых направлений сообщества «ESA Topical Team Astrobiology and Astrochemistry», обобщенных в «белой книге» ESA SciSpace Science Community.
Исследователи подчеркнули рекомендации по разработке и реализации будущих экспериментов, заполнению пробелов в знаниях и развитию научных концепций для перспективных платформ для экспонирования в космосе, находящихся на продвинутой стадии планирования. Помимо МКС, к таким платформам относятся CubeSats, SmallSats и лунная орбитальная станция Gateway. Работа также охватывает эксперименты in situ на Луне и Марсе для поддержки поиска экзопланет и внеземных биосигнатур внутри и за пределами Солнечной системы.
Основы космических исследований
Около двух десятилетий экспериментов на МКС позволили получить развивающиеся представления, оказавшие долгосрочное влияние на науки о жизни. Астробиология и астрохимия фундаментальны для изучения происхождения жизни на Земле, понимания возможности жизни во Вселенной, а также исследования и колонизации внеземных планет. Хотя лабораторные установки могут моделировать космические условия, точно воспроизвести их на Земле сложно. МКС и другие спутники предоставляют отличную платформу для проведения экспериментов по облучению за пределами земной атмосферы. Навигационные возможности платформ опираются на алгоритмы машинного обучения и искусственный интеллект для оперативного ремонта оборудования.
Европейское научное сообщество в области астробиологии и астрохимии разработало в 2020 году актуальную научную дорожную карту для использования на текущих и будущих космических платформах. Для определения наилучшего использования платформ были изучены несколько основных научных целей, подчеркивающих междисциплинарность этой области. Предварительные темы включали:
- Понимание происхождения жизни
- Исследование обитаемости и пределов жизни
- Понимание признаков жизни
Происхождение жизни
Команда обсудила происхождение жизни на Земле в контексте комплексного анализа для понимания нашего поиска жизни за пределами этой планеты. Среда Земли поддерживает стабильную поверхностную жидкость, в настоящее время уникальную для Солнечной системы, хотя так было не всегда. Во время зарождения жизни на Земле среда, вероятно, была похожа на условия ранних каменистых планет, таких как Марс и Венера. Подповерхностная жидкая вода также присутствует на ледяных спутниках Европе (Юпитер) и Энцеладе (Сатурн), которые напоминают субгляциальные антарктические озера на Земле, что делает их перспективными кандидатами в поисках жизни.
Известно, что значительная часть органического вещества земной среды также имеет происхождение из метеоритов и микрометеоритов, возникших из углеродистых астероидов и комет, что открывает пути для исследования путешествия таких объектов до их попадания на Землю. Команда выделила происхождение жизни в связи с абиогенезом — переходом от чисто химической к молекулярной пребиотической фазе и к живой реплицирующейся системе.
Признаки и пределы жизни
Команда также исследовала обитаемость и пределы адаптации жизни к экстремальным и маловероятным условиям на ранней Земле. Они изучили признаки жизни (биосигнатуры) внутри и за пределами Солнечной системы, сосредоточившись на клетках, биохимических молекулах и биомедиированных структурах. Были рассмотрены экологические преобразования, лежащие в основе миссий по поиску свидетельств жизни из внеземных образцов, возвращенных на Землю. Были сформированы методы для исследований за пределами Солнечной системы и моделирования потенциальных условий экзопланет для расшифровки спектральных сигнатур, чтобы понять и интерпретировать их формирование и эволюцию.
Эта работа исследует темы, поддерживающие поиск существующей жизни, включая идентификацию присутствия ключевых молекул, таких как аминокислоты, липиды и углеводы, а также специфичных для земных организмов компонентов, таких как стеролы, хиноны и порфирины.
Эксперименты в космосе
Команда показала, как космос предоставляет уникальную среду для проведения экспериментов в астробиологии и астрохимии. Планируемые исследования могут поддержать поиск признаков жизни на внеземных телах, таких как Марс, путем изучения процессов биоминерализации и фоссилизации с помощью различных наземных экспериментов. Расстояние и продолжительность миссий спутников от Земли поддерживают эти направления, обеспечивая соответствие образцов типу и количеству радиационного и микрогравитационного воздействия для успешного возврата образцов. Команда также отметила, что определенные низкие околоземные орбиты или эксперименты на Луне и Марсе обеспечивают доступ к более высоким потокам высокоэнергетических фотонов, космических лучей и солнечной энергии по сравнению с земной средой.
Был рассмотрен оптимальный срок миссии для оценки продуктивности экспериментов. Для наилучших результатов срок службы космических спутников должен составлять десятилетия. Однако SmallSats и CubeSats бросают вызов этому предположению как эксперименты с краткосрочным экспонированием. Похоже, что миниатюризация существующих технологий может привести к успешным результатам миссий.
Основные концепции и экспериментальные стратегии
Исследователи также изучили режим работы космических спутников, уделив основное внимание экспериментам с возвратом образцов и потенциалу проведения анализа образцов с помощью количественной ПЦР, высокопроизводительного секвенирования и субклеточных микроскопических методов.
МКС остается фундаментальной платформой для долгосрочных и краткосрочных экспериментов с возможностью возврата образцов. Команда также обсудила возможности перепрофилирования дополнительных платформ для размещения множества экспериментов.
Перспективы
Это захватывающее время для космических исследований и наук с беспрецедентным количеством реализуемых и планируемых миссий по созданию платформ для космического экспонирования. Андреас Эльзессер и коллеги обсудили возможности проведения сложных научных экспериментов с использованием инструментов искусственного интеллекта, машинного обучения и робототехники для постановки и решения ключевых вопросов в областях астробиологии и астрохимии.
Работа направлена на исследование происхождения жизни и биосигнатур на Земле, за пределами Земли на межпланетном уровне, а также в пределах Солнечной системы и в быстро развивающейся области науки об экзопланетах.