Четыре способа обнаружить признаки инопланетной жизни с помощью телескопа «Джеймс Уэбб»

Изучение экзопланет — миров, вращающихся вокруг других звёзд, — преображается благодаря космическому телескопу «Джеймс Уэбб» (JWST). Вскоре мы впервые получим данные об условиях на каменистых, потенциально похожих на Землю планетах за пределами Солнечной системы. На одном из таких далёких миров может существовать жизнь. Но сможем ли мы её обнаружить?

Возможно, нам удастся найти признаки жизни в составе атмосферы планеты. Для этого можно использовать метод трансмиссионной спектроскопии, который разделяет свет по длине волны, чтобы искать следы различных газов в звёздном свете, проходящем через атмосферу планеты.

Некоторые газы, поглощающие звёздный свет, могут указывать на присутствие жизни. Их называют биосигнатурами.

1. Кислород и озон

Кислород (O₂) — вероятно, самая очевидная биосигнатура. Его производят растения, им дышим мы, а геологическая летопись показывает, что его уровень в атмосфере Земли резко менялся по мере эволюции жизни. Другая форма кислорода, озон (O₃), также может наблюдаться с помощью JWST.

Однако обнаружение одного или обоих этих газов не будет однозначным доказательством жизни. Другой сценарий, способный привести к большим количествам атмосферного кислорода, — «безудержный парниковый эффект» на планете. Когда планета становится достаточно горячей для испарения океана, водяной пар в атмосфере усиливает парниковый эффект в петле обратной связи, перегревая планету до уровней, несовместимых с жизнью.

В конце концов, планета становится настолько горячей, что молекулы воды распадаются на водород и кислород. Лёгкие молекулы водорода могут улетучиться с планеты, тогда как более медленный кислород остаётся, готовый ввести астрономов в заблуждение.

2. Фосфин и аммиак

Фосфин — газ, который естественным образом встречается в атмосферах, богатых водородом, например, у газовых гигантов Юпитера и Сатурна. Недавно он был обнаружен в атмосфере Венеры. Интересно, что фосфин считается потенциальной биосигнатурой.

На Земле фосфин производят микроорганизмы, например, в кишечном тракте животных. В отсутствие жизни мы не ожидаем найти большие количества фосфина в атмосферах венерианского типа, где доминирует углекислый газ. Тем не менее, другие источники фосфина на Венере пока не исключены.

Дурно пахнущий аммиак — ещё одна потенциальная биосигнатура, также производимая животными на Земле. Как и фосфин, он распространён на планетах-гигантах, но не ожидается на каменистых мирах в отсутствие жизни.

Однако обнаружение фосфина или аммиака в атмосфере далёкой экзопланеты будет сложной задачей. Их концентрации на Земле составляют лишь несколько частей на миллиард. Поэтому, если наши потенциальные инопланетяне не будут пахнуть гораздо сильнее земных животных, мы вряд ли обнаружим их в ближайшее время.

3. Метан плюс углекислый газ

Поскольку однозначных биосигнатур среди отдельных газов мало, для обнаружения жизни лучше искать их комбинацию. Большие количества метана (CH₄), производимого животными на Земле, в сочетании с углекислым газом (CO₂) были бы хорошим намёком на биологическую активность.

Если доступно достаточно кислорода, углерод предпочитает связываться с кислородом в форме CO₂, а не образовывать метан CH₄. В богатой кислородом среде любой углерод в молекуле метана быстро меняет атомы водорода на кислород.

Таким образом, одновременное сосуществование больших количеств метана и углекислого газа указывало бы на то, что что-то — возможно, бактерии — постоянно производит метан.

4. Химический дисбаланс

Приведённый выше аргумент можно применить к любой комбинации газов, которые не должны мирно сосуществовать. Жизнь нарушает химическое равновесие своей среды, поскольку использует химические реакции для получения энергии.

На Земле кислород превращается в углекислый газ, но в атмосфере другого типа, с другими доступными химическими веществами, жизнь использовала бы другие процессы для достижения той же цели. Например, бактерии, производящие метан и живущие вокруг гидротермальных источников в глубинах океанов Земли, получают химическую энергию из минералов и соединений. Поиск дисбалансов позволяет нам быть открытыми к тому, как может выглядеть жизнь в других мирах.

Что будет, если мы обнаружим сигналы?

JWST уже превосходит наши ожидания в наблюдениях атмосфер экзопланет. Однако, несмотря на его мощность, изучение каменистых планет с умеренными температурами и атмосферами, богатыми азотом или углекислым газом, с помощью трансмиссионной спектроскопии останется сложной задачей. Сигналы от таких планет будут намного слабее, чем те, что мы успешно наблюдали в атмосферах горячих газовых гигантов.

Если нам посчастливится обнаружить газы, поглощающие звёздный свет, в атмосфере каменистой экзопланеты (например, TRAPPIST-1e), нам всё равно нужно будет измерить их количество, чтобы сделать осмысленные выводы. Это непросто, поскольку сигналы могут перекрываться, и их нужно аккуратно разделить.

Даже если мы обнаружим и точно измерим один из возможных газов-биосигнатур, это не будет означать, что мы нашли инопланетную жизнь. JWST только открывает новую, богатую лабораторию для изучения планетных атмосфер, и по мере исследований мы, несомненно, обнаружим, что многие из наших прежних предположений ошибочны.

Спешить с выводами об инопланетянах каждый раз, когда мы находим что-то необычное, было бы преждевременно. Обнаружение биосигнатуры с помощью JWST станет интересным намёком, за которым последует огромный объём работы. Для астронома этого уже достаточно, чтобы быть в восторге.