Мы знаем, что существуют тысячи экзопланет, и еще многие миллионы ждут своего открытия. Но подавляющее большинство экзопланет просто непригодны для жизни. Что касается тех немногих, которые могут быть обитаемы, мы можем определить, являются ли они обитаемыми, только исследуя их атмосферу. LIFE, Большой интерферометр для экзопланет, может помочь.
Поиски биосигнатур на потенциально обитаемых экзопланетах набирают обороты. JWST успешно собрал некоторые атмосферные спектры из атмосфер экзопланет, но у него есть много других задач, и время для наблюдений очень востребовано. Планируемый космический телескоп под названием LIFE будет предназначен для поиска биосигнатур экзопланет, и недавно исследователи провели для него тест: сможет ли он обнаружить биосигнатуры Земли?
Интерферометр LIFE состоит из пяти отдельных телескопов, которые будут работать согласованно, увеличивая рабочий размер телескопа. LIFE разрабатывается ETH Zurich (Федеральным технологическим институтом Цюриха) в Швейцарии. LIFE будет вести наблюдения в среднем инфракрасном диапазоне, где можно обнаружить спектральные линии важных биоиндикаторов – озона, метана и закиси азота.
LIFE будет расположена в точке Лагранжа 2, примерно в 1,5 миллиона км (1 миллион миль), где также расположен JWST. Из этого места он будет наблюдать за списком целей экзопланет в надежде найти биосигнатуры. «Наша цель — обнаружить химические соединения в световом спектре, которые намекают на жизнь на экзопланетах», — объяснил Саша Кванц, профессор экзопланет и обитаемости в ETH Zurich, возглавляющий инициативу LIFE.
LIFE все еще остается лишь концепцией, и исследователи хотели проверить ее эффективность. Поскольку он еще не построен, группа исследователей использовала атмосферу Земли в качестве тестового примера. Они относились к Земле как к экзопланете и тестировали методы LIFE на известном спектре атмосферы Земли в различных условиях. Для работы с данными они использовали инструмент под названием LIFEsim. Исследователи часто используют смоделированные данные для проверки возможностей миссии, но в данном случае они использовали реальные данные.
Их результаты опубликованы в The Astronomical Journal. Исследование называется «Большой интерферометр для экзопланет (LIFE). XII. Обнаруживаемость основных биосигнатур в среднем инфракрасном диапазоне — обнаружение экзопланетного веселящего газа и метилированных галогенов». Ведущий автор — доктор Даниэль Ангерхаузен, астрофизик и астробиолог из ETH в Цюрихе.
В реальном сценарии Земля была бы просто далеким, почти неразличимым пятнышком. Все, что увидит LIFE, — это спектр атмосферы планеты, который будет меняться со временем в зависимости от того, какие изображения запечатлел телескоп, и, что особенно важно, как долго он наблюдал за ним.
Эти спектры будут собираться с течением времени, и это приводит к важному вопросу: как геометрия наблюдений и сезонные изменения повлияют на наблюдения LIFE?
К счастью для исследовательской группы, у нас есть достаточно данных наблюдений за Землей, с которыми они могут работать. Исследователи работали с тремя различными геометриями наблюдений: двумя видами с полюсов и одним из экваториальной области. С этих трех точек зрения они работали с атмосферными данными за январь и июль, что объясняет самые большие сезонные колебания.
Хотя планетарные атмосферы могут быть чрезвычайно сложными, астробиологи сосредотачивают внимание на определенных аспектах, чтобы раскрыть потенциал планеты для существования жизни. Особый интерес представляют химические вещества N20, СН3Cl и CH3Br (закись азота, хлорметан и бромметан), каждый из которых может быть получен биогенным путем. «Мы используем набор сценариев, полученных на основе моделей химической кинетики, которые моделируют реакцию атмосферы на различные уровни биогенного производства N2O, CH3Cl и CH3Br в богатых O2 атмосферах планет земной группы, для создания перспективных моделей для нашего программного обеспечения симулятора наблюдений LIFEsim», — заявили в компании. пишут авторы.
В частности, исследователи хотели знать, сможет ли LIFE обнаружить CO2, воду, озон и метан на планете Земля на расстоянии примерно 30 световых лет. Это признаки умеренного мира, поддерживающего жизнь, особенно озона и метана, которые производятся жизнью на Земле, поэтому, если LIFE может таким образом обнаружить биологическую химию на Земле, она сможет обнаружить ее и в других мирах.
LIFE удалось обнаружить CO2, вода, озон и метан на Земле. Он также обнаружил некоторые поверхностные состояния, указывающие на жидкую воду. Интересно, что результаты LIFE не зависели от того, под каким углом смотреть на Землю. Это важно, поскольку мы не знаем, под какими углами LIFE будет наблюдать экзопланеты.
Другая проблема — сезонные колебания, и их было не так легко наблюдать. Но, к счастью, похоже, что это не будет ограничивающим фактором. «Даже если сезонность атмосферы наблюдать нелегко, наше исследование показывает, что космические миссии следующего поколения могут оценить, являются ли близлежащие экзопланеты умеренного пояса обитаемыми или даже обитаемыми», — сказал Кванц.
Однако обнаружения нужных химических веществ недостаточно. Важнейшим моментом является то, сколько времени это займет. Создание космического интерферометра, который обнаружил бы эти химические вещества, но потребовало бы слишком много времени, было бы непрактично и неэффективно. «Мы используем результаты для определения времени наблюдения, необходимого для обнаружения этих сценариев, и применяем их для определения научных требований для миссии», — пишет исследовательская группа в своей статье.
Чтобы нарисовать более широкую картину времени наблюдений LIFE, исследователи разработали список целей. Они создали «…распределение по расстоянию планет HZ с радиусами от 0,5 до 1,5 радиуса Земли вокруг звезд типа M и FGK в пределах 20 пк от Солнца, которые можно обнаружить с помощью LIFE». Данные по этим целям получены от НАСА и других предыдущих исследований.
Результаты показывают, что для некоторых целей требуется всего несколько дней, в то время как для других может потребоваться до 100 дней, чтобы обнаружить соответствующую численность.
То, что команда называет «золотыми целями», наблюдать легче всего. Планеты в Проксиме Центавра являются примером целей такого типа. Для этих планет необходимо всего несколько дней наблюдения. Потребуется около десяти дней наблюдений с помощью LIFE, чтобы наблюдать «определенные стандартные сценарии, такие как умеренные планеты земной группы вокруг звездных хозяев М на расстоянии пяти пк», пишут исследователи. Наиболее сложные случаи, которые все еще осуществимы, — это экзопланеты-близнецы Земли, находящиеся примерно в 5 парсеках от Земли. Согласно результатам, LIFE требуется от 50 до 100 дней наблюдений, чтобы обнаружить биосигнатуры.
На данный момент LIFE по-прежнему остается лишь потенциальной миссией. Это не первая предлагаемая миссия, которая будет сосредоточена исключительно на изучении обитаемости экзопланет. В 2023 году НАСА предложило создать Обсерваторию обитаемых миров (HWO). Его цель — получить изображения как минимум 25 потенциально обитаемых миров, а затем найти биосигнатуры в их атмосферах.
Но, по мнению авторов, их результаты показывают, что ЖИЗНЬ — лучший вариант.
«Если в окрестностях Солнца есть звездные экзопланетные системы позднего типа с планетами, которые демонстрируют глобальные биосферы, производящие сигналы N2O и CH3X, LIFE станет наиболее подходящей будущей миссией для их систематического поиска и, в конечном итоге, обнаружения», — заключают они.
