Жизнь проще всего найти на планетах, похожих на раннюю Землю
Поиск надёжных биомаркеров на далёких планетах продолжается. Помимо химических индикаторов жизни, перспективным признаком считается химическое неравновесие в атмосфере, создаваемое жизнью за счёт избыточной энергии.
Новое исследование посвящено этому вопросу. Работа называется «Вывод биомаркеров химического неравновесия для протерозойских землеподобных экзопланет». Ведущий автор — Эмбер Янг из Департамента астрономии и планетарных наук Североаризонского университета. Препринт статьи доступен на сервере arXiv.
Химическое неравновесие как биомаркер
Одновременное присутствие в атмосфере метана (CH4) и кислорода (O2) — сильный индикатор жизни, так как метан в кислородной среде разрушается примерно за 10 лет. Его постоянное присутствие требует пополнения в количествах, которые может обеспечить только жизнь.
Количественно это неравновесие можно оценить с помощью энергии Гиббса. Чем дальше система от химического равновесия, тем больше в ней свободной энергии Гиббса.
Фокус на протерозое
Исследование сосредоточено на протерозойском эоне (2.5 млрд — 541 млн лет назад). В этот период в атмосфере Земли появился свободный кислород, но ещё не возникла сложная жизнь. Под «землеподобной» планетой авторы понимают мир с океаном, размерами, давлением и температурой, как у Земли, с атмосферой, доминируемой N2, H2O и CO2, со следами CH4 и разным уровнем O2.
Моделирование и результаты
Учёные смоделировали два сценария для Земли и один для Марса с разным количеством свободной атмосферной энергии. Для каждого случая они изучили, как атмосферы этих планет будут отражать свет при высоком, среднем и низком содержании биомаркерных газов. Результатом стали спектры света, которые можно наблюдать в атмосферах экзопланет, похожих на протерозойскую Землю.
Необходимые инструменты
Авторы заключают, что определение доступной энергии Гиббса — многообещающая стратегия, которая хорошо сочетается с традиционными методами обнаружения биомаркерных газов. Однако для её реализации нужны телескопы с лучшим соотношением сигнал/шум (SNR).
«Для космического телескопа класса 6 м, со свойствами шума, смоделированными по концепции LUVOIR-B, случаи с высоким SNR, изученные здесь, могут быть достигнуты для землеподобной цели у солнцеподобной звезды на расстоянии 5–7 пк (16–23 световых года) за две-четыре недели наблюдений», — поясняют авторы.
Выводы и перспективы
«С точки зрения наблюдений, определение содержания CH4 и O2 необходимо для вывода сигнала химического неравновесия в атмосфере аналогов Земли на протяжении большей части её эволюционной истории».
Современное состояние Земли — скорее исключение. Протерозой длился 2 миллиарда лет, и жизнь активно формировала атмосферу в течение всего этого периода. Если нам посчастливится обнаружить обитаемую экзопланету, то, чисто статистически, она с большей вероятностью будет похожа на протерозойскую, а не на современную Землю.