Новый свет на молекулы, связанные с жизнью на других планетах

Поиск жизни на других планетах получил значительный импульс после того, как учёные определили спектральные сигнатуры почти 1000 атмосферных молекул, которые могут быть вовлечены в производство или потребление фосфина. Это показало исследование под руководством Университета Нового Южного Уэльса (UNSW Sydney).

Учёные давно предполагали, что фосфин — химическое соединение из одного атома фосфора и трёх атомов водорода (PH₃) — может указывать на признаки жизни, если будет обнаружен в атмосферах небольших каменистых планет, подобных нашей, где он производится биологической активностью бактерий.

Когда в прошлом году международная группа учёных заявила об обнаружении фосфина в атмосфере Венеры, это подняло интригующую перспективу первого свидетельства жизни на другой планете — правда, примитивной, одноклеточной.

Но не все были убеждены: некоторые учёные усомнились, действительно ли фосфин в атмосфере Венеры произведён биологической активностью или же он вообще был обнаружен.

Теперь международная команда под руководством учёных из UNSW Sydney внесла ключевой вклад в этот и любые будущие поиски жизни на других планетах, продемонстрировав, как за первоначальным обнаружением потенциальной биосигнатуры должны следовать поиски родственных молекул.

В статье, опубликованной в журнале Frontiers in Astronomy and Space Sciences, они описали, как использовали компьютерные алгоритмы для создания базы данных приблизительных инфракрасных спектральных штрих-кодов для 958 молекулярных видов, содержащих фосфор.

Наблюдать и изучать

Как объясняет доктор Лора МакКеммиш из Школы химии UNSW, когда учёные ищут признаки жизни на других планетах, им не нужно летать в космос — достаточно просто направить телескоп на интересующую планету.

«Чтобы идентифицировать жизнь на планете, нам нужны спектральные данные. При правильных спектральных данных свет от планеты может рассказать, какие молекулы находятся в её атмосфере».

Фосфор — важнейший элемент для жизни, однако до сих пор, по её словам, астрономы могли искать только одну многоатомную молекулу, содержащую фосфор, — фосфин.

«Фосфин — очень многообещающая биосигнатура, потому что естественными процессами он производится лишь в крошечных концентрациях. Однако если мы не можем проследить, как он производится или потребляется, мы не сможем ответить на вопрос, необычная ли это химия или маленькие зелёные человечки производят фосфин на планете».

Чтобы получить представление об этом, доктор МакКеммиш собрала большую междисциплинарную команду, чтобы понять, как фосфор ведёт себя химически, биологически и геологически, и выяснить, как это можно исследовать дистанционно, только через атмосферные молекулы.

«Что было замечательно в этом исследовании, так это то, что оно объединило учёных из разных областей — химии, биологии, геологии — для решения этих фундаментальных вопросов о поиске жизни в других мирах, на которые одна область не могла ответить», — говорит астробиолог и соавтор исследования доцент Брендан Бёрнс.

Доктор МакКеммиш продолжает: «Вначале мы искали, какие содержащие фосфор молекулы — то, что мы назвали P-молекулами — наиболее важны в атмосферах, но оказалось, что известно очень мало. Поэтому мы решили рассмотреть большое количество P-молекул, которые могут находиться в газовой фазе, но в противном случае остались бы незамеченными для телескопов, чувствительных к инфракрасному свету».

Данные штрих-кодов для новых молекулярных видов обычно производятся для одной молекулы за раз, говорит доктор МакКеммиш, — процесс, который часто занимает годы. Но команда, участвовавшая в этом исследовании, использовала то, что она называет «высокопроизводительной вычислительной квантовой химией», чтобы предсказать спектры 958 молекул всего за пару недель.

«Хотя этот новый набор данных пока не обладает точностью, позволяющей делать новые обнаружения, он может помочь предотвратить ошибочные идентификации, выделяя возможность того, что несколько молекулярных видов имеют схожие спектральные штрих-коды — например, при низком разрешении некоторых телескопов воду и спирт можно не отличить».

«Эти данные также можно использовать для ранжирования того, насколько легко обнаружить молекулу. Например, контринтуитивно, но инопланетные астрономы, наблюдающие за Землёй, обнаружили бы 0.04% CO₂ в нашей атмосфере гораздо легче, чем 20% O₂. Это потому, что CO₂ поглощает свет гораздо сильнее, чем O₂ — это, собственно, и вызывает парниковый эффект на Земле».

Жизнь на экзопланетах

Независимо от итогов дискуссии о существовании фосфина в атмосфере Венеры и потенциальных признаках жизни на планете, это недавнее дополнение к знаниям о том, что можно обнаружить с помощью телескопов, будет важным для обнаружения потенциальных признаков жизни на экзопланетах — планетах в других солнечных системах.

«Единственный способ, которым мы сможем взглянуть на экзопланеты и увидеть, есть ли там жизнь, — это использовать спектральные данные, собранные телескопами. Это наш единственный инструмент», — говорит доктор МакКеммиш.

«Наша статья предлагает новый научный подход к последующему изучению обнаружения потенциальных биосигнатур и имеет отношение к изучению астрохимии как внутри, так и за пределами Солнечной системы. Дальнейшие исследования быстро улучшат точность данных и расширят диапазон рассматриваемых молекул, прокладывая путь для их использования в будущих обнаружениях и идентификациях молекул».

Соавтор и астроном CSIRO доктор Ченоа Тремблей говорит, что вклад команды будет полезен, поскольку в ближайшем будущем появятся более мощные телескопы.

«Эта информация появилась в критический момент для астрономии. Новый инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб» должен быть запущен позже в этом году, и он будет гораздо более чувствительным и охватит больше длин волн, чем его предшественники, такие как космическая обсерватория «Гершель». Нам понадобится эта информация очень быстро, чтобы идентифицировать новые молекулы в данных».

Она говорит, что хотя работа команды была сосредоточена на колебательных движениях молекул, обнаруживаемых телескопами, чувствительными к инфракрасному свету, они в настоящее время работают над расширением метода и на радиочастоты.

«Это будет важно для текущих и новых телескопов, таких как предстоящая Square Kilometre Array, которую построят в Западной Австралии».