Новая модель помогает определить, на каких далёких планетах может быть жизнь
Поиск жизни за пределами Земли — ключевой драйвер современной астрономии и планетологии. США строят несколько крупных телескопов и планетных зондов для этого. Однако признаки жизни — биосигнатуры — будет сложно интерпретировать, а выбор целей для наблюдений остаётся проблемой.
Я — астрофизик и астробиолог с 20-летним опытом изучения экзопланет. Мы с коллегами разработали новый подход (опубликован на сервере препринтов arXiv), который поможет выбрать наиболее интересные для поиска жизни планеты или спутники и интерпретировать потенциальные биосигнатуры. Мы моделируем, как разные организмы могут существовать в разных средах, основываясь на исследованиях пределов жизни на Земле.
Новые телескопы для поиска жизни
Астрономы разрабатывают планы и технологии для всё более мощных космических телескопов. Например, NASA работает над предложенной обсерваторией Habitable Worlds Observatory, которая будет получать сверхчёткие изображения, напрямую показывающие планеты, вращающиеся вокруг ближайших звёзд.
Мы разрабатываем другой концепт — созвездие космических телескопов Nautilus, предназначенное для изучения сотен потенциально землеподобных планет, когда они проходят перед своими звёздами.
Эти и другие будущие телескопы позволят более детально изучать чужие миры. Их разработка ставит два важных вопроса: «Куда смотреть?» и «Обитаемы ли среды, где мы видим признаки жизни?»
Спорные заявления о возможных признаках жизни на экзопланете K2-18b (апрель 2025) и более ранние подобные заявления о Венере показывают, насколько сложно однозначно идентифицировать жизнь по данным дистанционного зондирования.
Когда чужой мир обитаем?
«Обитаемый» означает «пригодный или достаточно хороший для жизни». Но как учёные определяют, что «достаточно хорошо» для внеземных организмов? Могут ли инопланетные микробы жить в озёрах кипящей кислоты, жидкого метана или в каплях воды в верхних слоях атмосферы Венеры?
Для простоты NASA использует мантру «следуй за водой». Это логично — вода необходима всей известной земной жизни. Планета с жидкой водой также будет иметь умеренную среду: не слишком холодную, чтобы замедлить химические реакции, и не слишком горячую, чтобы разрушить сложные молекулы, необходимые для жизни.
Однако с ростом возможностей астрономов по характеристике чужих миров астробиологам нужен более количественный и тонкий подход, чем просто классификация «вода / нет воды».
Коллективные усилия
В рамках финансируемого NASA проекта Alien Earths, который я возглавляю, мы с астробиологом Рори Барнсом работали над этой проблемой с группой экспертов (астробиологов, планетологов, специалистов по экзопланетам, экологов, биологов и химиков) из крупнейшей сети исследователей экзопланет и астробиологии NASA — Nexus for Exoplanet System Science (NExSS).
Более сотни коллег предоставили нам идеи, и два вопроса возникали часто:
- Как узнать, что нужно жизни, если мы не понимаем всего разнообразия внеземной жизни? Учёные много знают о жизни на Земле, но большинство астробиологов согласны, что возможны более экзотические типы жизни, основанные на других комбинациях химических элементов и растворителей. Как определить, какие условия могут им потребоваться?
- Подход должен работать с неполными данными. Потенциальные места для жизни за пределами Земли — «экстрасоларные среды обитания» — очень сложно изучать напрямую, а часто и невозможно посетить и взять пробы.
Например, марсианская поверхность в основном недоступна. Подповерхностные океаны Европы (спутник Юпитера) и Энцелада (спутник Сатурна), а также все экзопланеты практически недостижимы. Учёные изучают их косвенно, часто только с помощью удалённых наблюдений. Эти измерения не дают столько информации, сколько реальные образцы.
Кроме того, измерения часто имеют неопределённость. Например, мы можем быть уверены лишь на 88%, что водяной пар присутствует в атмосфере экзопланеты. Наша система должна уметь работать с малыми объёмами данных и обрабатывать неопределённости. И нам нужно принять, что ответы часто не будут чёрно-белыми.
Новый подход к обитаемости
Новый подход, называемый количественной системой оценки обитаемости, имеет две отличительные черты:
Мы отошли от попыток ответить на расплывчатый вопрос «обитаемо для жизни» и сузили его до более конкретного и практически отвечаемого: Позволят ли условия в среде обитания — насколько мы их знаем — выжить конкретному (известному или ещё неизвестному) виду или экосистеме?
Даже на Земле организмы требуют разных условий для выживания — в Антарктиде нет верблюдов. Говоря о конкретных организмах, мы упростили вопрос.
Количественная система не настаивает на чёрно-белых ответах. Она использует компьютерные модели для расчёта вероятностного ответа. Вместо предположения, что жидкая вода — ключевой ограничивающий фактор, мы сравниваем наше понимание условий, необходимых организму («модель организма»), с нашим пониманием условий, присутствующих в среде («модель среды обитания»).
Обе модели имеют неопределённости. Наше понимание каждой может быть неполным. Тем не менее, мы можем математически обработать неопределённости. Сравнивая две модели, мы можем определить вероятность совместимости организма и среды обитания.
Как упрощённый пример: наша модель среды обитания для Антарктиды может утверждать, что температуры часто ниже нуля. А наша модель организма для верблюда может утверждать, что он долго не выживает при низких температурах. Неудивительно, что мы правильно предскажем почти нулевую вероятность того, что Антарктида — хорошая среда обитания для верблюдов.
Нам было очень интересно работать над этим проектом. Чтобы изучить пределы жизни, мы собрали литературные данные об экстремофилах: от насекомых, живущих в Гималаях на больших высотах при низких температурах, до микроорганизмов, процветающих в гидротермальных жерлах на дне океана и питающихся химической энергией.
С помощью наших моделей мы исследовали, могут ли они выжить в марсианской подповерхности или в океанах Европы. Мы также изучили, могут ли морские бактерии, производящие кислород в земных океанах, потенциально выжить на известных экзопланетах.
Хотя подход комплексный и детальный, он делает важные упрощения. Например, он пока не моделирует, как жизнь может формировать планету, и не учитывает весь спектр необходимых питательных веществ. Эти упрощения сделаны намеренно.
В большинстве сред, которые мы сейчас изучаем, мы знаем слишком мало об условиях, чтобы строить такие модели, — за исключением некоторых тел Солнечной системы, таких как Энцелад.
Количественная система оценки обитаемости позволяет нашей команде отвечать на вопросы, например, может ли астробиологов заинтересовать подповерхностное место на Марсе, учитывая имеющиеся данные, или должны ли астрономы направить свои телескопы на планету A или планету B в поисках жизни. Наша система доступна как модель с открытым исходным кодом, которую астробиологи могут использовать и развивать для текущих и будущих проектов.
Если учёные обнаружат потенциальную сигнатуру жизни, этот подход поможет оценить, может ли среда, где она обнаружена, поддерживать тот тип жизни, который приводит к обнаруженной сигнатуре.
Наши следующие шаги — создание базы данных земных организмов, живущих в экстремальных условиях и представляющих пределы жизни. К этим данным мы также можем добавить модели гипотетической инопланетной жизни. Интегрировав их в количественную систему оценки обитаемости, мы сможем прорабатывать сценарии, интерпретировать новые данные с других миров и направлять поиск признаков жизни за пределами Земли — в нашей Солнечной системе и за её пределами.