Жизнь на Земле зависит от шести важнейших элементов: углерода, водорода, азота, кислорода, фосфора и серы. Эти элементы называются CHNOPS, и вместе с несколькими микроэлементами и жидкой водой они необходимы для жизни.
Ученые начинают обнаруживать экзопланеты, которые могут быть достаточно теплыми, чтобы иметь жидкую воду на их поверхности, что является самым основным сигналом об обитаемости. Но теперь они хотят улучшить свою игру, обнаружив CHNOPS в атмосферах экзопланет.
Мы только начинаем понимать, как экзопланеты могут поддерживать жизнь. Чтобы расширить наше понимание, нам необходимо понять наличие CHNOPS в планетарных атмосферах.
Новая статья исследует этот вопрос. Он называется «Ограничения обитаемости из-за наличия питательных веществ в атмосферах скалистых экзопланет». Ведущий автор — Оливер Херборт с факультета астрофизики Венского университета и постдокторант ARIEL. Статья была принята Международным журналом астробиологии.
На нашем нынешнем технологическом уровне мы только начинаем изучать атмосферы экзопланет. JWST — наш основной инструмент для решения этой задачи, и он хорошо справляется с этой задачей. Но JWST занят другими задачами. В 2029 году ЕКА запустит ARIEL — исследование большой инфракрасной экзопланеты с помощью дистанционного зондирования атмосферы. ARIEL будет сосредоточен исключительно на атмосферах экзопланет.
В ожидании миссии этого телескопа Херборт и его коллеги готовятся к результатам и к тому, что они означают для обитаемости. «Детальное понимание самих планет становится важным для интерпретации наблюдений, особенно для обнаружения биосигнатур», — пишут они. В частности, они изучают идею воздушных биосфер. «Мы стремимся понять присутствие этих питательных веществ в атмосферах, которые показывают наличие конденсатов водяных облаков, потенциально допускающих существование воздушных биосфер».
Наша сестра-планета Венера имеет непригодную для выживания поверхность. Экстремальная жара и давление делают поверхность планеты непригодной для жизни по любым меркам, которые мы можем определить. Но некоторые ученые предположили, что жизнь могла существовать в атмосфере Венеры, основываясь главным образом на обнаружении фосфина, возможного индикатора жизни. Это пример того, как может выглядеть воздушная биосфера.
«Эта концепция воздушных биосфер расширяет возможности потенциальной обитаемости от присутствия жидкой воды на поверхности до всех планет с облаками из жидкой воды», — поясняют авторы.
Авторы рассмотрели идею воздушных биосфер и то, как на них влияет обнаружение CHNOPS. Они представили концепцию уровней доступности питательных веществ в атмосферах экзопланет. В их рамках присутствие воды необходимо независимо от наличия других питательных веществ. «Мы считали любую атмосферу без водяных конденсатов непригодной для жизни», — пишут они, намекая на главенство воды. Исследователи определили разные уровни обитаемости в зависимости от присутствия и количества питательных веществ CHNOPS.
Чтобы изучить структуру доступности питательных веществ, исследователи обратились к моделированию. В смоделированной атмосфере содержались разные уровни питательных веществ, и исследователи применили свою концепцию доступности питательных веществ. Их результаты направлены на понимание не обитаемости, а химического потенциала обитаемости. Атмосфера планеты может быть радикально изменена жизнью, и это исследование направлено на понимание атмосферного потенциала для жизни.
«Наш подход направлен не на понимание биосигнатур и атмосфер обитаемых планет, а на условия, в которых может происходить предбиотическая химия», — пишут они. В их работе минимальная концентрация питательного вещества в атмосфере составляет 10?9или одна миллиардная доля (часть на миллиард).
«Мы обнаружили, что для большинства атмосфер при ( п газ, Т газ) точки, где жидкая вода стабильна, молекулы, содержащие ЦНС, присутствуют в концентрациях выше 10?9,» они пишут. Они также обнаружили, что углерод обычно присутствует в каждой моделируемой атмосфере и что доступность серы увеличивается с температурой поверхности. При более низких температурах поверхности азот (N2Нью-Хэмпшир3) присутствует в возрастающих количествах. Но при более высоких температурах поверхности азот может истощиться.
Фосфор – другое дело. «Лимитирующим элементом элементов CHNOPS является фосфор, который в основном связан в планетарной коре», — пишут они. Авторы отмечают, что в прошлом в атмосфере Земли нехватка фосфора ограничивала биосферу.
Воздушная биосфера — интересная идея. Но это не основная цель усилий ученых по обнаружению атмосфер экзопланет. Поверхностная жизнь — их Святой Грааль. Неудивительно, что, учитывая все обстоятельства, все еще сводится к жидкой воде. «Как и в предыдущей работе, наши модели предполагают, что ограничивающим фактором обитаемости на поверхности планеты является наличие жидкой воды», — пишут авторы. В их работе, когда была доступна поверхностная вода, ЦНС была доступна в нижних слоях атмосферы вблизи поверхности.
Но поверхностные воды играют несколько ролей в химии атмосферы. В некоторых случаях он может связываться с некоторыми питательными веществами, делая их недоступными, а в других случаях он может делать их доступными.
«Если на поверхности имеется вода, элементы, отсутствующие в газовой фазе, сохраняются в конденсатах коры», — пишут авторы. Химическое выветривание может сделать их доступными в качестве питательных веществ. «Это открывает путь к преодолению нехватки атмосферного фосфора и металлов, которые используются в ферментах, управляющих многими биологическими процессами».
Это усложняет ситуацию на мирах, покрытых океанами. Пребиотические молекулы могут быть недоступны, если у воды и камней не будет возможности взаимодействовать с атмосферой. «Если действительно можно будет показать, что жизнь может сформироваться в водном океане без какой-либо открытой суши, это ограничение станет слабее, и потенциал обитаемости на поверхности станет главным образом вопросом стабильности воды», — пишут авторы.
Некоторые модели удивляют атмосферной жидкой водой. «Многие модели показывают наличие в атмосферах зоны жидкой воды, оторванной от поверхности. Эти регионы могут представлять интерес для формирования жизни в формах воздушных биосфер», — пишут Херборт и его коллеги.
Если и есть что-то, что показывают подобные исследования, так это то, что планетарные атмосферы чрезвычайно сложны и могут резко меняться с течением времени, иногда из-за самой жизни. Это исследование имеет некоторый смысл в попытке понять все это. Сложность подчеркивает тот факт, что исследователи не включили звездное излучение в свою работу. В том числе это сделало бы усилия громоздкими.
Проблема обитаемости сложна и осложняется отсутствием ответов на фундаментальные вопросы. Должна ли кора планеты контактировать с водой и атмосферой, чтобы питательные вещества CHNOPS были доступны? На Земле существует временная воздушная биосфера. Могут ли воздушные биосферы быть важной частью обитаемости экзопланет?
Но помимо всех симуляций и моделей, какими бы мощными они ни были, ученым больше всего нужно больше данных. Когда ARIEL запустится, у ученых будет гораздо больше данных для работы. Подобные исследования помогут ученым понять, что обнаружил ARIEL.
