Пошук позаземного життя на далеких планетах може мати суттєву «сліпу зону». Ми ризикуємо неправильно тлумачити хімічні сліди можливого життя — біосигнатури — якщо не враховуємо властивості світла самої зорі-господаря. Про це йдеться в аналітичному матеріалі на Live Science.
Попри відкриття тисяч екзопланет, переконливих доказів існування інопланетного життя поки немає. Водночас астрономія входить у епоху, коли потужні телескопи здатні досліджувати значно більше потенційно придатних для життя світів.
Чому M-карлики здаються ідеальними мішенями
Особливо перспективними вважають планети біля M-карликів — невеликих і холодніших, ніж Сонце, зірок. Коли така планета проходить перед диском зорі, вона закриває відносно велику частину її світла, завдяки чому стає простіше виявити саму планету та її атмосферу.
До того ж M-карлики — найпоширеніший тип зірок у Чумацькому Шляху. Але саме тут ховається проблема: якщо неправильно розуміти, як випромінювання M-карликів взаємодіє з атмосферою планет, ми ризикуємо неправдиво інтерпретувати сигнали з найцікавіших світів.
Метан і озон: корисні, але неоднозначні сліди
Найчастіше як біосигнатури розглядають метан, кисень і озон. На Землі ці гази здебільшого пов’язані з життям; озон, наприклад, є непрямим індикатором кисню. Однак навіть на нашій планеті вони не є «ідеальними відбитками пальців» біології.
Такі молекули можуть утворюватися й без участі живих організмів — через геологічні процеси, хімію атмосфери або реакції під дією сонячного світла. Тому виявлення метану чи озону на іншій планеті — це лише підказка, а не доказ існування життя.
Особливо важливо зрозуміти, як на атмосферу діє ультрафіолетове (УФ) випромінювання зорі. M-карлики випромінюють УФ-світло, яке руйнує молекули та запускає каскади хімічних реакцій. Інтенсивність і спектр цього випромінювання визначають, які саме молекули утворюються, скільки їх накопичується і як довго вони існують.
У результаті дві зовні схожі планети можуть мати зовсім різну атмосферу лише тому, що обертаються навколо зірок із різним УФ-випромінюванням. Одна і та сама біологічна активність виглядатиме сильнішою на планеті біля старішої, спокійнішої зорі, а неорганічна хімія — навпаки, може маскуватися під сліди життя.
Моделювання показало, як зірки спотворюють біосигнатури
Нещодавнє моделювання, подане 19 серпня до сервера препринтів arXiv, демонструє це на штучних планетах. Команда під керівництвом аспіранта Каліфорнійського університету в Санта-Крус С. Евана Девіса (C. Evan Davis) змоделювала землеподібні світи біля двох типів M-карликів віком від 650 мільйонів до 5 мільярдів років.
Розглядалися два сценарії атмосфери: схожа на земну в доіндустріальну епоху, багату на кисень, та аналог атмосфери архейської Землі (близько 4–2,5 мільярда років тому), коли перші форми життя вже існували, але кисню в повітрі було дуже мало. У моделях враховували «спокійне» УФ-випромінювання зірок, без короткочасних спалахів.
Змінюючи вік та УФ-активність зірок, але зберігаючи планети подібними, дослідники простежили, як еволюція зорі змінює атмосферу планети та хімічні сигнали, які ми могли б спостерігати.
Метан: старші зірки посилюють сигнал
Одним із найяскравіших результатів виявився метан. Для планет із «доіндустріальною» атмосферою, що обертаються навколо M-карликів віком близько 5 мільярдів років, моделі показали до 10 разів більше метану, ніж для аналогічних планет біля молодих 650-мільйоннорічних зірок.
У змодельованих спостереженнях це означало, що сигнал метану був до 68% сильнішим у старіших систем. Причина — слабше УФ-випромінювання старших M-карликів, яке повільніше руйнує метан, дозволяючи йому накопичуватися в атмосфері.
З боку це могло б виглядати так, ніби на планеті біля старішої зорі відбувається набагато активніша біологічна метанова продукція, хоча реальна різниця зумовлена лише випромінюванням зорі-господаря.
Озон без життя: коли УФ-спалах підмінює біологію
Ще радикальніший ефект стосувався озону. У моделях архейських землеподібних атмосфер із великою часткою вуглекислого газу (CO2) та низьким вмістом кисню сильніше УФ-випромінювання молодих M-карликів розщеплювало більше CO2.
Це запускало реакції, які створювали кисень і озон без жодної участі живих організмів. Деякі змодельовані атмосфери містили більш ніж у 100 000 разів більше озону, ніж відповідні моделі біля старших, спокійніших зірок.
Уявний спостерігач міг би помилково сприйняти такий потужний озоновий сигнал як непрямий доказ великої кількості кисню біологічного походження. Моделі показують: озон усе ще корисний як біосигнатура, але інтерпретувати його без точних даних про УФ-середовище небезпечно.
Моделі атмосфер без точних даних про зорі — надто ризиковані
Астрономи й зараз не покладаються на одну молекулу як доказ життя. Вони використовують атмосферні моделі, шукають характерні комбінації газів і намагаються пояснити сигнали небіологічними процесами.
Ці підходи справді допомагають відібрати найперспективніші цілі для детальніших спостережень, навіть якщо інформація про зорю неповна. Дехто може вважати, що цього достатньо на перших етапах, а поглиблені дослідження зірок потрібні лише для найкращих кандидатів.
Однак навіть найкраща атмосферна модель може ввести в оману, якщо УФ-випромінювання зорі враховано неправильно. УФ-спостереження M-карликів поки що обмежені, тому вчені часто змушені орієнтуватися на аналогії з подібними зірками. Проблема в тому, що дві на вигляд однакові зорі можуть випромінювати дуже різну кількість ультрафіолету.
Сучасні моделі, засновані на наявних даних про зірки, ще можуть бути придатними для попереднього відбору цілей. Але вони недостатні, щоб упевнено сказати, чи має спостережуваний сигнал біологічне походження. Важливо не просто визнавати роль зорі, а мати точні вимірювання саме тієї зорі, біля якої обертається планета.
Що потрібно змінити в стратегії пошуку життя
Перед тим як спрямовувати телескопи на перспективні екзопланети, слід ретельно дослідити їхні зорі-господарі. Це вимагає багаторазових УФ-спостережень, зазвичай на інших телескопах та в інші періоди, ніж спостереження самої планети.
Такі вимірювання допоможуть описати, як змінюється випромінювання зорі з часом. Кращі оцінки віку зірок — наприклад, за швидкістю обертання чи магнітною активністю — дадуть змогу простежити еволюцію цього випромінювання.
Коли астрономи переходять до вивчення атмосфери екзопланети, потенційні біосигнатури потрібно аналізувати за допомогою моделей, побудованих уже на точних даних про конкретну зорю. Як радять автори препринту, варто також активно шукати додаткові молекули, зокрема чадний газ (CO), які можуть вказати, що озон виник унаслідок реакцій між світлом і CO2, а не завдяки біології.
Перші по-справжньому переконливі докази життя за межами Землі залежатимуть не лише від того, наскільки добре ми розуміємо саму планету, а й від того, наскільки точно знаємо її зорю, яка формує атмосферу, що ми спостерігаємо.