Маркеры обнаружения жизни в атмосфере экзопланет

Существуют ли способы проанализировав атмосферу открытой экзопланеты, быстро и точно дать ответ на вопрос - пригодна ли эта планета для жизни?

Планет в Млечном Пути обнаружено очень много. Количество известных экзопланет и пока неподтверждённых кандидатов в экзопланеты, уже измеряется тысячами. Полное же число планет в нашей Галактике едва ли не превышает количество звёзд.

Наличие атмосферы у планеты — ещё не показатель её потенциальной обитаемости. Важно, из каких газов она состоит

Критерии оценки пригодности для жизни экзопланет

Существующие методики обнаружения экзопланет позволяют преимущественно обнаруживать планетные системы, не похожие на Солнечную. И то, что эти методики всё-таки оказываются успешными, свидетельствует, что Солнечная система не является типичной. Скорее, наоборот.

Открытие планетных систем, радикально отличающихся от Солнечной, стало мощным стимулом к развитию новых взглядов на рождение и эволюцию планетных семейств. Одновременно возник и вопрос о том, как именно можно было бы выделить из столь разнообразных планет те, на которых зародилась и развивается жизнь. Самая простая концепция в этом отношении — концепция зоны обитаемости — позволяет лишь выделить планеты с благоприятным для жизни температурным режимом. Однако она ничего не говорит о том, реализовался ли потенциал биологический планеты, попавшей в зону обитаемости.

Куда более внятным критерием был бы состав атмосферы, точнее, обнаружение в ней газов, происхождение которых может быть связано с жизнью. Исходным положением для этого критерия является представление о том, что некоторые газы, являющиеся побочным продуктом метаболизма живых существ, могут накапливаться в атмосфере в количествах, в принципе, обнаружимых методами спектроскопии.

Что искать в атмосферах экзопланет?

Хотя за последние 20 лет наши возможности по исследованию состава экзопланетных атмосфер значительно выросли, они по-прежнему остаются весьма ограниченными. Первые работы в этой области позволяли не более чем примерно оценить температуру атмосферы и зафиксировать присутствие одного-двух атмосферных газов. Сейчас в распоряжении наблюдателей несколько различных методов, как правило, относящихся к транзитным планетам, то есть, планетам, затмевающим свои звёзды.

В этих методах скрупулёзный анализ позволяет выделить в суммарном излучении звезды и планеты вклад планетной атмосферы, используя спектры, полученные в моменты затмений (первичных и вторичных). Если планета не является транзитной, выделить в суммарном спектре линии планеты можно по их доплеровскому смещению, возникающему из-за орбитального движения планеты. Если также несколько планет, далёких от родительской звезды, спектры которых удалось измерить непосредственно, не затрудняясь с вычитанием вклада звезды.

К сожалению, все этим методы в настоящее время применимы либо к планетам, близким к звезде, либо к планетам, которые сами по себе обладают высокой температурой (из-за молодости). Иными словами, мы умеем определять, главным образом, параметры атмосфер только у планет с весьма экстремальными условиями, заведомо непригодными для существования жизни. И даже в этом случае данные чаще всего имеют слишком низкое качество для детального анализа химического и физического состояния атмосферы.

Но допустим, что в будущем наши возможности расширятся (потенциал для этого есть). Что именно следует искать в экзопланетных атмосферах? Практически все попытки ответить на этот вопрос так или иначе связаны с земным опытом: «Мы знаем газы, которые аккумулируются земной жизнью. Что именно генерировала бы земная жизнь, будучи помещённой в несколько иные условия?»

В этом контексте исследуются, очевидно, кислород, газы, содержание которых противоречит предположению о термодинамическом равновесии (например, необъяснимое сочетание метана и кислорода), метилгалогениды, соединения серы и некоторые другие газы.

Кислород — маркер жизни в атмосферах планет

«Каноническим» биологическим газом считается, безусловно, кислород. Химическая активность кислорода приводит к тому, что без постоянного возобновления он присутствовал бы в земной атмосфере в очень незначительном количестве, порядков на десять ниже, чем в реальности. Инопланетный наблюдатель, исследуя химический состав земной атмосферы, неминуемой пришёл бы к выводу о том, что в воздушной оболочке планеты происходят некие крайне экзотические химические процессы, не связанные с геологией.

Высокое содержание молекулярного кислорода в атмосфере Земли обеспечивается его производством в процессе фотосинтеза, а также тем, что часть углерода оказывается исключённой из атмосферного химического цикла в «биологических» горных породах.

Детали этих процессов неизвестны. За последние полмиллиарда лет объёмное содержание кислорода в атмосфере варьировалось от 15% до 30% (сейчас 20%). На протяжении большей части истории Земли из оборота изымалось незначительное количество углерода, поэтому большая часть кислорода, синтезированного в результате фотосинтеза, снова превращалась в CO2 в процессе разложения биоматериалов, и общее содержание кислорода в атмосфере оставалось невысоким.

Ситуация изменилась в конце Докембрия, когда из атмосферы стало удаляться значительно больше углерода, чем ранее. Возможно, свою роль здесь сыграло развитие наземных растений. Интересный вклад могло внести появление одного единственного фермента. Примерно 350-400 млн. лет назад на Земле появились деревья, в стволах которых содержится полимер лигнин. Именно он, точнее, его устойчивость к погоде и насекомым, позволил деревьям вырастать до больших размеров.

Организмов, способных разлагать лигнин на Земле долгое время не было, поэтому древесные стволы просто уходили под землю, превращаясь в залежи каменного угля. Именно каменноугольный период был временем максимального содержания кислорода в атмосфере Земли. Но к концу этого периода в плесени появился фермент лигниназа, позволивший разлагать древесину с переходом кислорода в углекислый газ, и содержание O2 в атмосфере упало с 30% до 15%.

Чувствительность содержания кислорода к незначительным изменениям в метаболизме (двукратное падение содержания из-за появления одного фермента) снижает его ценность в качестве биомаркера, но нужно также помнить и о том, что в некоторых обстоятельствах значительное содержание кислорода в атмосфере может возникать и небиологическим путём.

Атмосфера Земля — не идеальный показатель

Важно понимать, что в случае Земли аргумент о термодинамически неравновесном химическом составе атмосферы сводится к отсутствию равновесия между кислородом и другими газами и потому, по сути, эквивалентен утверждению о большом количестве кислорода в атмосфере обитаемой планеты.

Хотя помимо кислорода земная жизнь производит сотни тысяч различных химических соединений, лишь немногие из них достаточно летучи, чтобы попадать в атмосферу, а из этих летучих лишь незначительная доля обладает характеристиками, необходимыми для спектроскопического обнаружения.

При этом самый популярный биомаркер помимо кислорода — метан — может в изобилии генерироваться небиологическим путём, что доказывает пример Марса. Другие биомаркеры, более однозначно связываемые с жизнью, например, диметилсульфид, производятся живыми существами в крайне малых количествах.

Иными словами, создаётся впечатление, что единственным реальным биомаркером остаётся молекулярный кислород. Однако в этом выводе важную роль играет «земной шовинизм», конкретно, предположение о том, что экзопланетная жизнь химически весьма подобна земной. Однако на других планетах — с другими размерами, у других звёзд, с другим составом атмосферы, например, с атмосферами, богатыми водородом, — биохимия может быть организована иначе.

Выход здесь состоит в том, чтобы не ограничиваться земными биохимическими процессами, а ориентироваться на более общие закономерности биохимии и в поисках биомаркеров опираться только на потребность жизни в накоплении и потреблении энергии. Только исходя из этого предположения и рассмотрев широчайший диапазон возможных условий на планетах, мы сможем определить, какие газы накапливаются в атмосферах обитаемых планет, очень непохожих на Землю.

Источник: http://astrochemistry.ru