Открытие экзопланет сейчас стало почти рутиной. Мы нашли более 5500 экзопланет, и следующим шагом будет изучение их атмосфер и поиск биосигнатур. Космический телескоп Джеймса Уэбба лидирует в этих усилиях. Но в атмосферах некоторых экзопланет молнии могут усложнить работу JWST, скрывая одни потенциальные биосигнатуры и усиливая другие.
Обнаружение биосигнатур в атмосферах далеких планет сопряжено с трудностями. Они не афишируют свое присутствие, а сигналы, которые мы получаем из атмосфер экзопланет, сложны. Новое исследование добавляет еще одну сложность в усилия. В нем говорится, что молния может маскировать присутствие таких веществ, как озон, что является признаком того, что на планете может существовать сложная жизнь. Он также может усиливать присутствие таких соединений, как метан, который считается многообещающим биосигнатурой.
Новое исследование называется «Влияние молнии на химию атмосферы экзопланет и потенциальные биосигнатуры» и было принято к публикации в журнале «Астрономия и астрофизика». Ведущий автор — Патрик Барт, исследователь из Института космических исследований Австрийской академии наук.
Хотя мы обнаружили более 5500 экзопланет, только 69 из них находятся в потенциально обитаемых зонах вокруг своих звезд. Это каменистые планеты, которые получают от своих звезд достаточно энергии, чтобы потенциально поддерживать жидкую воду на своей поверхности. Наш поиск биосигнатур сосредоточен на этом небольшом количестве планет.
Следующий важный шаг — определить, есть ли у этих планет атмосфера, а затем каков ее состав. JWST — наш самый мощный инструмент для этих целей. Но чтобы понять, что JWST показывает нам в далеких атмосферах, мы должны знать, что говорят нам его сигналы. Подобные исследования помогают ученым подготовиться к наблюдениям JWST, предупреждая их о потенциальных ложных срабатываниях и замаскированных биосигнатурах.
В своих исследованиях авторы объединили лабораторные эксперименты с моделированием фотохимического и радиационного переноса. Атмосфера может быть чрезвычайно сложной, и вряд ли две экзопланеты будут иметь одинаковые атмосферные качества. Но физика и химия диктуют, что может произойти, а модели фотохимического и радиационного переноса могут учитывать тысячи различных типов химических реакций в атмосфере.
В лабораторных экспериментах молнию заменял искровой разряд. Исследователи сосредоточились на атмосферах, содержащих N2Колорадо2и Х2 и различные продукты, производимые молнией. Другие исследования сделали то же самое, но эта работа отличается. Предыдущие исследования были сосредоточены либо на отдельных продуктах, либо только на небольшом количестве продуктов. Но Барт и его коллеги расширили эту работу. Они изучали производство более широкого спектра химических веществ.
Это позволило им «… исследовать тенденции в наших экспериментах, касающиеся степени окисления продуктов молнии и влияния водяного пара», — объясняют они. «В частности, нас интересовало влияние молнии на производство потенциальных (анти-)биосигнатур в контексте текущих и предстоящих
наблюдения экзопланетных атмосфер».
Исследователи обнаружили, что влияние молнии на биосигнатуры зависит от типа атмосферы и количества молний. Они рассмотрели два основных типа атмосфер: восстановительную и окислительную. Восстановительная атмосфера не содержит кислорода или других окисляющих газов и не может образовывать окисленные соединения. В окислительной атмосфере все наоборот. Он содержит кислород, который образует окисленные соединения.
Их результаты показывают, что на планете с поверхностной водой и пригодными для жизни условиями со слегка восстановительной или слегка окислительной атмосферой молния с меньшей вероятностью будет давать ложные срабатывания. Авторы прогнозируют, что «… для изученных здесь атмосфер молния не способна производить ложноположительный NH3 или CH4
биосигнатура». Они говорят, что также маловероятно, что молния может дать ложноположительный результат N.2О биосигнатура.
Но молния произвела некоторые соединения, в том числе CO и NO. Исследователи использовали темпы производства обоих химических веществ, чтобы рассчитать, как частота вспышек молний влияет на химический состав атмосферы. Затем они применили эту модель к планетам размером с Землю в обитаемых зонах Солнца и TRAPPIST-1 как для кислородных, так и для бескислородных атмосфер. Они провели моделирование этих сценариев на планетах с биосферой и без нее. Они также рассчитали смоделированные спектры этих миров, чтобы идентифицировать химические признаки.
Их результаты?
«Мы обнаружили, что молния не способна создавать ложноположительную антибиосигнатуру CO на обитаемой планете», — объясняют авторы. «Однако в богатой кислородом атмосфере частота молний всего в несколько раз превышает
выше, чем на современной Земле, может маскировать биосигнатуру O3 ».
Но в других ситуациях молния может предотвратить ложные срабатывания. В бескислородной атмосфере планеты, вращающейся вокруг старого красного карлика, молнии, более частые, чем у Земли, могут устранить один тип ложноположительных результатов.
«Аналогичным образом, в бескислородной, абиотической атмосфере планеты, вращающейся вокруг карлика позднего М, молнии с частотой вспышек в десять или более раз превышающей таковую у современной Земли, могут удалить особенность абиотического озона, образующуюся в результате фотолиза CO2, предотвращая ложноположительное обнаружение биосигнатуры. — объясняют они. Сказать, что это сложно – ничего не сказать.
Есть еще один поворот. Молния может не предотвратить другие важные ложные срабатывания. «…молния может
не сможет предотвратить все ложноположительные сценарии O2 для богатых CO2 планет земной группы, вращающихся вокруг ультрахолодных M-карликов», — пишут авторы.
Любители иронии могут заметить здесь некоторые из них. Ученые почти уверены, что молния сыграла роль в жизни на Земле, обеспечив энергетическую искру, которая запустила дело. Но тот факт, что молния может также затруднить нам обнаружение жизни, несколько ироничен.
Но ирония — человеческое изобретение. Природе все равно. Он делает то, что делает, и нам предстоит разобраться в этом.
«Подводя итог, наша работа предоставляет новые ограничения для полной характеристики атмосферных и приземных процессов на экзопланетах», — заключают авторы.
