По силам ли недавно запущенному орбитальному телескопу обнаружить, что на далекой планете зарождается жизнь? Новое исследование отвечает: да. «Джеймс Уэбб» способен засечь не меньше десятка интригующих признаков. Naked Science объясняет, что именно может обнаружить телескоп и как следует понимать такие находки.
Экзопланета в представлении художника. / © Danielle Futselaar/SETI Institute
Как обнаружить жизнь в системе другой звезды? Оставим в стороне фантазии об инопланетянах, которые посылают нам радиосигналы или хотя бы освещают ночью свои города. Можем ли мы обнаружить неразумную жизнь? И, более того, жизнь зарождающуюся?
Разглядеть на далекой планете леса, степи либо острова плавучих водорослей нашим телескопам еще не под силу. Но они могут кое-что рассказать о составе атмосферы других миров.
Примерно 70% всех известных экзопланет открыты благодаря транзитам. Транзит — это «микрозатмение». Оно происходит, когда планета, двигаясь по орбите, проходит между своей звездой и наблюдателем. Тем самым она затмевает собой часть света звезды. При этом лучи светила проходят через атмосферу экзопланеты и буквально просвечивают ее насквозь.
Атмосферные газы поглощают свет и инфракрасные волны на строго определенных частотах (спектральных линиях). У каждого вещества свои линии — индивидуальные, как отпечатки пальцев. Так что по спектру звездного света во время транзита можно судить о составе планетной атмосферы. Naked Science подробно рассказывал о сильных и слабых сторонах этого метода.
Газы, присутствие которых может быть связано с жизнью, по-английски называются biosignatures. Слово signature можно перевести как «признак», «отличительная особенность» и даже «подпись», но чаще всего biosignatures называют просто «биосигнатуры».
Самая популярная у теоретиков биосигнатура — кислород и его трехатомная разновидность, озон. Оба вещества очень активны и быстро расходуются в химических реакциях. Если в атмосфере есть кислород, значит, есть процесс, пополняющий его запасы. На Земле это фотосинтез. Вполне возможно, что и на других планетах — тоже.
Еще один кандидат — метан. Многие микроорганизмы выделяют этот газ. Два-четыре миллиарда лет назад, когда Земля была планетой микробов, концентрация метана в атмосфере была в 100 — 10 тысяч раз больше современной.
Есть еще множество веществ, претендующих на звание биосигнатур, — от простейших соединений вроде закиси азота (N2O) до сравнительно сложных, например диметилсульфида (CH3SCH3).
Важно понимать, что ни наличие, ни отсутствие биосигнатур ничего не гарантирует. Например, метана много и на безжизненном Нептуне, а кислорода и озона не было на Земле в первый миллиард лет развития жизни. Но и такие косвенные признаки лучше, чем ничего.
Какие биосигнатуры уже открыты на экзопланетах? Увы, пока никакие. Это задача для следующего поколения телескопов. Однако некоторые вещества — как минимум метан — может обнаружить и недавно запущенный инфракрасный телескоп «Джеймс Уэбб».
На возможностях «Уэбба» и сосредоточились авторы нового исследования, принятого в Astronomical Journal. Они пришли к выводу, что телескопу по силам зафиксировать целый десяток интересных веществ — правда, не биосигнатур, а пребиосигнатур.
Ученые добавляют к корню «био-» приставку «пре-», когда речь идет о процессе зарождения жизни из неживого вещества. Например, химические реакции, благодаря которым возникла жизнь, называются пребиохимическими.
Здесь мы вступаем на зыбкую почву. В условиях, предположительно царивших на древней Земле, химики получили аминокислоты, сахара и некоторые другие «строительные блоки» жизни, но не саму жизнь. Проблема ее происхождения — огромное поле исследований со множеством белых пятен, трудных вопросов и конкурирующих гипотез. Если биосигнатуры не гарантируют наличия биосферы, то пребиосигнатуры тем более не гарантируют ее зарождения. И все же, кого бы не взволновала новость о далекой планете, в бурлящем химическом котле которой может на наших глазах возникать жизнь?
Что нужно для зарождения жизни? Во-первых, вещества, из которых могут синтезироваться аминокислоты, биосахара и так далее. Подобный «материал» исследователи назвали первичными пребиосигнатурами.
Во-вторых, для этого синтеза нужен источник энергии. Им могут быть вулканические извержения, молнии, падения астероидов или активность звезды. Все эти явления оставляют в атмосфере собственные следы — вторичные пребиосигнатуры.
Одно и то же вещество может быть одновременно и первичной, и вторичной пребиосигнатурой. Например, сероводород H2S может играть важную роль в синтезе аминокислот, из которых состоят белки, и азотистых оснований — строительных блоков ДНК и РНК. Так что он, конечно, первичная пребиосигнатура. Но в то же время и вторичная, ведь сероводород выбрасывают вулканы и горячие источники.
Что нужно, чтобы «Уэбб» заметил пребиосигнатуры? Прежде всего, чтобы их спектральные линии лежали в нужном диапазоне инфракрасных волн. И, конечно, чтобы эти вещества были сколько-нибудь стабильны, а не распадались, едва возникнув.
Исходя из этого, авторы выделили 10 веществ: аммиак (NH3), циановодород (HCN), цианоацетилен (HC3N), сероводород (H2S), сернистый газ (SO2), ацетилен (C2H2), метан (CH4), формальдегид (CH2O), монооксид азота (NO) и угарный газ (CO). Почти все они (кроме NO) — первичные биосигнатуры, а многие еще и вторичные.
Что делает эти вещества пребиосигнатурами? Прежде всего состав. Основа практически любой органической молекулы — каркас из атомов углерода (C), обрамленный атомами водорода (H). В большинстве биологически важных молекул присутствует и кислород (O). Бросается в глаза обилие заветных букв H, C, O в вышеприведенных формулах. Но выбранные авторами соединения — больше, чем случайные источники трех элементов. Химики знают множество пребиотических процессов с их участием: например, из формальдегида образуются сахара в знаменитой реакции Бутлерова.
Для синтеза аминокислот и азотистых оснований требуются еще и атомы азота (N). Чистый азот (N2) не годится на роль их источника: этот газ неохотно реагирует с другими веществами. Нужны активные, готовые к реакциям соединения азота. Самые перспективные кандидаты — как раз аммиак, циановодород и цианоацетилен. Для некоторых из этих реакций важны сероводород и сернистый газ. Ацетилен — естественный предшественник цианоацетилена, а метан, помимо прочего, — «сырье» для образования циановодорода.
Особняком стоит монооксид азота. Он не особенно важен в пребиотической химии, зато это прекрасная вторичная биосигнатура. NO образуется при ударах молний, падении крупных метеоритов и вторжениях в атмосферу заряженных частиц из короны звезды. Последние известны как CME (coronal mass ejection, то есть выбросы корональной массы).
Сможет ли «Уэбб» различить в спектре экзопланеты линию того или иного вещества? Это зависит в первую очередь от его концентрации в атмосфере планеты.
Увы, доля всех пребиосигнатур, вместе взятых, на любой планете с зарождающейся жизнью, скорее всего, не достигнет и 1%. Если, конечно, мы верно представляем себе химию землеподобных миров. Но для чувствительного «Уэбба» и такие цифры — еще не повод сдаться. Цель исследования состояла именно в том, чтобы вычислить минимальные обнаружимые концентрации.
Этот порог обнаружения зависит от того, сколько раз планета прошла между звездой и наблюдателем. Ясно, что чем больше наблюдалось транзитов, тем выше шансы вычленить полезный сигнал из шума. Важно и то, о какой планете идет речь и вокруг какой звезды она обращается. Все эти факторы астрономы учли в своих расчетах.
Вначале поговорим о звездах. Проще всего наблюдать транзиты у красных карликов. Во-первых, потенциально обитаемые планеты сравнимы по размеру с Землей. А Земля при наблюдении ее методом транзитов затмевала бы всего 0,008% солнечного света. «Уэббу» под силу обнаружить и такое затмение, но было бы куда легче, будь Солнце поменьше. А красные карлики как раз самые маленькие звезды во Вселенной. Во-вторых, красные карлики еще и прохладные.
Чтобы на планете были жидкая вода и жизнь, она должна находиться близко к светилу. А значит, делать оборот вокруг звезды за несколько дней или недель, а не за год, как Земля вокруг Солнца. Поэтому за разумное время можно наблюдать несколько транзитов. В общем, неудивительно, что авторы остановили свой выбор именно на красных карликах. К счастью, большинство звезд в Галактике относятся как раз к этому классу.
Осталось определиться со свойствами планеты. Ученые смоделировали шесть экзопланет радиусами от 0,9 до 2,5 земного. На всех температура и давление подходят для существования жидкой воды и, следовательно, жизни.
Первый смоделированный мир похож на раннюю Землю по давлению и составу атмосферы (она на 90% состоит из углекислого газа и на 10% — из азота). Радиус планеты — 0,9 земного, как у потенциально обитаемой экзопланеты TRAPPIST-1e.
Остальные пять сценариев исходят из того, что в атмосфере преобладает водород. Это может показаться странным: в Солнечной системе нет землеподобных планет с водородной атмосферой. В общем-то, мы не знаем, есть ли они во Вселенной вообще. «Уэбб» лишь недавно вступил в строй, а анализировать атмосферу небольших планет другими инструментами очень трудно.
Тем не менее подобные миры регулярно возникают в выкладках теоретиков. Все-таки на водород приходится 91% атомных ядер во Вселенной. Кроме того, водородная атмосфера проще для исследования, чем любая другая. Водород — легкий газ, он высоко поднимается над поверхностью. Поэтому лучи звезды лучше просвечивают газовую оболочку. Так что выбор водородной атмосферы — это в какой-то мере поиск под фонарем.
Итак, второй сценарий: планета чуть больше Земли (1,2 земного радиуса) с атмосферой, состоящей на 90% из водорода и почти на 10% из азота с небольшой примесью вулканического метана и угарного газа. Третий вариант — суперземля (1,7 земного радиуса) с водородно-азотной атмосферой (90% водорода и почти 10% азота). И во втором, и в третьем сценарии атмосферное давление земное.
Еще один гипотетический мир равен Земле по размерам, но имеет очень плотную водородную атмосферу. По мысли авторов исследования, подобная атмосфера может появиться после столкновения с другой планетой и испарения океанов (такие катастрофы не редкость в молодых системах). Свойства газовой оболочки зависят от того, как давно произошел катаклизм.
Авторы рассмотрели два варианта: 100 тысяч лет после удара (98% водорода, почти 2% метана и давление 55 атмосфер) и 10 миллионов лет после удара (99% водорода, примерно 0,6% угарного газа и давление 45 атмосфер). Это сценарии номер четыре и пять.
Последний, шестой вариант самый экзотический. Это хайшен (hyocean): планета-океан с радиусом 2,5 земного. Ее густая атмосфера состоит на 90% из водорода, на 9% — из гелия, а давит как 100 земных. Такой мир стоило бы назвать планетой Вода: доля воды в массе хайшена может составлять от 10% до 90% (для сравнения, на Земле это всего 0,02%). Термин «хайшен» ввела в оборот научная группа, недавно обосновавшая потенциальную обитаемость таких миров. Слово образовано от английских hydrogen («водород») и ocean («океан»).
Итак, какие вещества, в каких концентрациях и на каких планетах может обнаружить «Уэбб»? И сколько транзитов ему для этого понадобится?
Авторы исследования сочли, что разумный компромисс между желанием получить больше данных и дороговизной времени «Уэбба» — три транзита. Для всех пяти миров с водородными атмосферами этого оказалось достаточно, чтобы обнаружить все десять пребиосигнатур. Пороговые концентрации чаще всего составляли менее одной части на миллион, лишь иногда поднимаясь до десятых долей процента. Это очень хороший результат. Похоже, искать пребиосигнатуры в водородных атмосферах будет просто — если, конечно, реальность не разойдется с моделями.
С атмосферой древней Земли все оказалось куда сложнее. Ни одна пребиосигнатура ни при каких разумных концентрациях не наблюдалась за три транзита. Метан, аммиак, ацетилен, цианоацетилен и циановодород фиксировались за пять–десять транзитов. Остальные пребиосигнатуры если и обнаруживались, то на десятках транзитов.
Десять транзитов для пяти веществ-маркеров — это не блестящий результат, но и далеко не безнадежный. Возьмем для примера планету TRAPPIST-1e — кандидата на «древнюю Землю». Она делает один оборот вокруг звезды за шесть земных суток. «Уэбб» нарасхват у астрономов, и никто не позволит ему неотрывно следить за звездой два месяца. К счастью, этого и не требуется.
Благодаря другим телескопам мы точно знаем, когда начнется и закончится очередной транзит TRAPPIST-1e. Отводя на наблюдение одного «затмения» десять часов, уложимся в 100 часов чистого наблюдательного времени. Главное — наводить телескоп на звезду в нужные моменты.
Вписать такое задание в программу наблюдений «Уэбба» — вопрос настойчивости. Каждый астроном считает, что именно его научные задачи самые важные и интересные. Но у тех, кто ищет следы внеземной жизни, пожалуй, лучшие шансы доказать это обществу.
