Pokud astronomové uvidí izopren v atmosféře cizího světa, existuje velká šance, že tam je život
Bez nadsázky lze říci, že studium extrasolárních planet v posledních desetiletích explodovalo. K datu, 4 375 exoplanet potvrzeno v 3 247 systémech, dalších 5 856 kandidátů na potvrzení čeká. V posledních letech začaly studie exoplanet přecházet od procesu objevování k procesu charakterizace. Očekává se, že se tento proces urychlí, jakmile budou zprovozněny teleskopy nové generace.
Výsledkem je, že astrobiologové pracují na vytvoření komplexních seznamů potenciálních „biologických podpisů“, které odkazují na chemické sloučeniny a procesy, které jsou spojeny se životem (kyslík, oxid uhličitý, voda atd.), Ale podle nového výzkumu týmu z Massachusetts Institute of Technology (MIT), dalším potenciálním biologickým podpisem, který bychom měli hledat, je uhlovodík zvaný isopren (C5H8).
Studie, která popisuje jejich zjištění, “ Posouzení isoprenu jako možného biosignačního plynu v exoplanetách s anoxickou atmosférou “, se nedávno objevilo online a časopis ho přijal k publikaciAstrobiologie. V zájmu své studie se tým MIT podíval na rostoucí seznam možných biologických podpisů, které budou astronomové v nadcházejících letech hledat.
Uspořádání 3 exoplanet k prozkoumání toho, jak mohou atmosféry vypadat odlišně na základě přítomné chemie a příchozího toku. Kredit: Jack H. Madden
Dosud byla drtivá většina exoplanet detekována a potvrzena pomocí nepřímých metod. Z větší části se astronomové spoléhali na Tranzitní metoda (Transitní fotometrie) a Metoda radiální rychlosti (Dopplerova spektroskopie), samostatně nebo v kombinaci. Jen několik jich bylo zjistitelné pomocí Přímé zobrazování , což velmi ztěžuje charakterizaci atmosfér a povrchů exoplanet.
Pouze ve vzácných případech byli astronomové schopni získat spektra, která jim umožnila určit chemické složení atmosféry této planety. Bylo to buď výsledkem světla procházejícího atmosférou exoplanety při přechodu před svou hvězdou, nebo v několika případech, kdy došlo k přímému zobrazování a světlo odražené od atmosféry exoplanety bylo možné studovat.
Hodně z toho má co do činění s limity našich současných dalekohledů, které nemají potřebné rozlišení pro pozorování menších, kamenných planet, které obíhají blíže ke své hvězdě. Astronomové a astrobiologové se domnívají, že právě tyto planety jsou s největší pravděpodobností potenciálně obyvatelné, ale jakékoli světlo odražené od jejich povrchů a atmosfér je přemoženo světlem přicházejícím z jejich hvězd.
To se však brzy změní, protože nástroje nové generace jako např Vesmírný dalekohled Jamese Webba (JWST) se dostává do vesmíru. Sara Seagerová , třída profesora fyziky a planetárních věd na MIT z roku 1941, vede odpovědnou výzkumnou skupinu (aka. Seager Group) a byla spoluautorem článku. Jak řekla Universe Today prostřednictvím e-mailu:
„S nadcházejícím vypuštěním vesmírného teleskopu Jamese Webba v říjnu 2021 budeme mít naši první schopnost pátrat po biosignačních plynech – ale bude to těžké, protože atmosférické signály malé kamenné planety jsou pro začátek tak slabé. S JWST na obzoru počet lidí pracujících v této oblasti ohromně vzrostl. Studie, jako je tato, přinášející nové potenciální biosignační plyny a další práce ukazující potenciální falešně pozitivní výsledky i pro plyny, jako je kyslík.“
Umělcův obraz ukazuje planetu Proxima b obíhající kolem červeného trpaslíka Proxima Centauri, hvězdy nejbližší Sluneční soustavě. Kredit: ESO/M. Kornmesser
Jakmile bude JWST nasazen a zprovozněn, bude schopen pozorovat náš vesmír na delších vlnových délkách (v blízké a střední infračervené dosah) a s výrazně zlepšenou citlivostí. Dalekohled bude také spoléhat na řadu spektrografů pro získávání údajů o složení, stejně jako na koronografy, které blokují zatemňující světlo mateřských hvězd. Tato technologie umožní astronomům charakterizovat atmosféru menších kamenných planet.
Tato data zase vědcům umožní klást mnohem přísnější omezení na obyvatelnost exoplanety a mohla by dokonce vést k detekci známých (a/nebo potenciálních) biologických signatur. Jak bylo uvedeno, tyto „biologické podpisy“ zahrnují chemické indikace spojené se životem a biologickým procesem, nemluvě o typech podmínek, které jsou pro něj příznivé.
Patří mezi ně plynný kyslík (O2), který je nezbytný pro většinu forem života na Zemi a je produkován fotosyntetickými organismy (rostliny, stromy, sinice atd.). Tyto stejné organismy metabolizují oxid uhličitý (CO2), který život metabolizující kyslík vydává jako odpadní produkt. Je tam také voda (H2O), který je nezbytný pro veškerý život, jak jej známe, a metan (CH4), který je emitován rozkládající se organickou hmotou.
Vzhledem k tomu, že se předpokládá, že vulkanická aktivita hraje důležitou roli v obyvatelnosti planet, chemické vedlejší produkty spojené s vulkanismem – sirovodík (H2S), oxid siřičitý (SO2), oxid uhelnatý (CO), plynný vodík (H2), atd. – jsou rovněž považovány za biologické podpisy. K tomuto seznamu si Zhan, Seager a jejich kolegové přáli přidat další možný biologický podpis – isopren. Jak Zhan vysvětlil Universe Today prostřednictvím e-mailu:
„Naše výzkumná skupina na MIT se zaměřuje na použití holistického přístupu k prozkoumání všech možných plynů jako potenciálního biosignálního plynu. Naše předchozí práce vedla k vytvoření databáze všech malých molekul. Pokračujeme ve filtrování databáze ASM, abychom identifikovali nejpravděpodobnější kandidáty na biosignální plyn, z nichž jeden je isopren, pomocí strojového učení a přístupů založených na datech – Dr. Zhuchang Zhan.“
Snímek pořízený členem posádky Expedice 13 z ISS, ukazující erupci sopky Cleveland, Aleutské ostrovy, Aljaška. Kredit: NASA
Stejně jako jeho příbuzný metan, isopren je organická uhlovodíková molekula, která je produkována jako sekundární metabolit různými druhy zde na Zemi. Kromě listnatých stromů je isopren produkován také rozmanitou řadou evolučně vzdálených organismů – jako jsou bakterie, rostliny a zvířata. Jak Seager vysvětlil, díky tomu je slibný jako potenciální biologický podpis:
„Isopren je slibný, protože ho život na Zemi produkuje v obrovské kvalitě – stejně jako produkce metanu! Kromě toho obrovská škála forem života (od bakterií po rostliny a zvířata), které jsou od sebe evolučně vzdálené, produkuje isopren, což naznačuje, že by to mohl být nějaký klíčový stavební kámen, který může tvořit i život jinde.“
Zatímco isopren je zde na Zemi zastoupen asi stejně jako metan, isopren se ničí interakcí s kyslíkem a radikály obsahujícími kyslík. Z tohoto důvodu se Zhang, Seager a jejich tým rozhodli zaměřit se na anoxické atmosféry. Jedná se o prostředí, která jsou převážně složena z H2,CO2a plynný dusík (N2), což je podobné tomu, z čeho se skládala prvotní atmosféra Země.
Podle jejich zjištění by praplaneta (kde se začíná objevovat život) měla ve své atmosféře hojný izopren. Tak tomu bylo na Zemi před 4 až 2,5 miliardami let, kdy jediným životem byly jednobuněčné organismy a fotosyntetické sinice pomalu přeměňovaly zemskou atmosféru na atmosféru bohatou na kyslík.
Před 2,5 miliardami let to vyvrcholilo „ Velká akce okysličení “ (GOE), který se ukázal jako toxický pro mnoho organismů (a metabolity jako isopren). Bylo to také během této doby, kdy se začaly objevovat složité formy života (eukaryota a mnohobuněčné organismy). V tomto ohledu by mohl být izopren použit k charakterizaci planet, které jsou uprostřed velkého evolučního posunu a pokládají základy pro budoucí živočišné kmeny.
Ale jak poznamenal Zhang, vyzvednutí tohoto potenciálního biologického podpisu bude výzvou, dokonce i pro JWST:
„U isoprenu jako biomarkeru platí, že: 1. K detekci je zapotřebí 10x-100x produkce izoprenu na Zemi; 2. Detekce blízkého infračerveného spektru isoprenu může být omezena přítomností metanu nebo jiných uhlovodíků. Unikátní detekce isoprenu bude s JWST náročná, protože mnoho uhlovodíkových molekul sdílí podobné spektrální vlastnosti v blízkých infračervených vlnových délkách. Ale budoucí dalekohledy, které se zaměřují na střední vlnovou délku IR, budou schopny jedinečně detekovat izoprenové spektrální prvky.'
Kromě JWST, Římský vesmírný dalekohled Nancy Grace (nástupce mise Hubble) také vzlétne do vesmíru do roku 2025. Tato observatoř bude mít sílu „ Sto Hubbleů ' a jeho nedávno modernizované infračervené filtry umožní charakterizovat exoplanety samostatně a prostřednictvím spolupráce s JWST a dalšími „velkými observatořemi“.
V současné době se zde na Zemi staví také několik pozemních dalekohledů, které se budou spoléhat na sofistikované spektrometry, koronografy a adaptivní optiku (AO). Mezi ně patří Extrémně velký dalekohled (ELT), Obří Magellanův dalekohled (GMT), Třicetimetrový dalekohled (TMT) Tyto teleskopy budou také schopny provádět přímé zobrazování exoplanet a očekává se, že výsledky budou průlomové.
Relativní velikosti planet obyvatelné zóny Kepler objevené k 18. dubnu 2013. Zleva doprava: Kepler-22b, Kepler-69c, Kepler-62e, Kepler-62f a Země (kromě Země, toto jsou ztvárnění umělců). Poděkování: NASA/Ames/JPL-Caltech.
Očekává se, že mezi vylepšenými přístroji, rychle se zlepšující analýzou a technikami dat a zlepšením naší metodologie se studium exoplanet dále urychlí. Kromě toho, že máme k dispozici další desítky tisíc pro studium (mnoho z nich bude skalnatých a „podobných Zemi“), bezprecedentní pohledy, které na ně budeme mít, nám umožní vidět, kolik obyvatelných světů je tam venku.
Zda to povede k objevu mimozemského života během našich životů, nebo ne, se teprve uvidí. Jedno je ale jasné. V nadcházejících letech, až astronomové začnou prohledávat všechna nová data, která budou mít o atmosférách exoplanet, budou mít k dispozici obsáhlý seznam biologických podpisů, který je povede.
Předchozí práce Seagera a Zhana zahrnují koncept marťanského skleníku, který by mohl poskytnout veškeré potřebné jídlo pro posádku čtyř astronautů po dobu až dvou let. Tento skleník, známý jako Biosférická architektura pro životaschopnou mimozemskou rezidenci (BEAVER), obsadil druhé místo v roce 2019 NASA BIG Idea Challenge . Můžete si o tom přečíst více tady .
Další čtení: arXiv