JWST — лучший инструмент астрономов для исследования атмосфер экзопланет. Его мощные инструменты могут анализировать свет, проходящий через атмосферу далекого мира, и определять его химические компоненты. Ученых интересует все, что находит JWST, но когда он находит что-то, указывающее на возможность жизни, это привлекает всеобщее внимание.
Именно это произошло в сентябре 2023 года, когда JWST обнаружил диметилсульфид (ДМС) в атмосфере экзопланеты K2-18b.
K2-18b вращается вокруг красного карлика на расстоянии около 124 световых лет от нас. Это субнептун, радиус которого примерно в 2,5 раза превышает земной, а масса составляет 8,6 земных. Экзопланета может представлять собой мир Гиса, мир умеренного пояса, покрытый океаном, с большой водородной атмосферой.
В октябре 2023 года исследователи объявили о предварительном обнаружении диметилсульфида в атмосфере K2-18b. Они обнаружили это в наблюдениях JWST за атмосферным спектром планеты. «Спектр также предполагает потенциальные признаки диметилсульфида (ДМС), который, по прогнозам, будет наблюдаемым биомаркером в мирах Хайса, что мотивирует рассматривать возможную биологическую активность на планете», — пишут исследователи.
DMS привлек внимание людей, потому что он производится живыми организмами здесь, на Земле, в основном морскими микробами. Итак, обнаружение его в океанском мире — повод для более глубокого изучения. Группа исследователей из США, Германии и Великобритании изучила это обнаружение, чтобы увидеть, как оно согласуется с моделями атмосферы.
«Лучшие биосигнатуры на экзопланете могут значительно отличаться от тех, которые мы сегодня находим наиболее распространенными на Земле».
Эдди Швитерман, астробиолог, Калифорнийский университет, Риверсайд
Свои результаты они опубликовали в статье в Astrophysical Journal Letters. Он называется «Биогенные серные газы как биосигнатуры в умеренных водных мирах субнептуна». Ведущий автор — Шанг-Мин Цай, научный сотрудник проекта Калифорнийского университета в Риверсайде.
Большинство из тысяч открытых нами экзопланет не имеют ничего общего с Землей. Обитаемость невозможна по всем известным показателям. Но некоторые из них более интригуют. Некоторые, например K2-18b, сложнее понять в отношении обитаемости.
Существуют некоторые разногласия по поводу типа планеты K2-18b. Это была первая экзопланета, на которой ученые когда-либо обнаружили водяной пар. Возможно, это первый пример хайковского мира, если они существуют.
Есть некоторые явные различия между K2-18b и Землей. В нашей атмосфере преобладает азот, который составляет около 78%. В атмосфере K2-18b преобладает водород. Но в некотором смысле она достаточно похожа на Землю, и ученые стремятся лучше ее понять.
«Эта планета получает почти такое же количество солнечной радиации, как и Земля. А если исключить атмосферу как фактор, K2-18b будет иметь температуру, близкую к земной, что также является идеальной ситуацией для обнаружения жизни», — сказал ведущий автор Шан-Мин Цай.
Исследователи, обнаружившие DMS в атмосфере K2-18b, также обнаружили углекислый газ и метан. Поиск CO2 и СН4 примечательно, но найти с ними ДМС еще более интригующе.
«Что было вишенкой на торте с точки зрения поиска жизни, так это то, что в прошлом году эти исследователи сообщили о предварительном обнаружении диметилсульфида, или ДМС, в атмосфере этой планеты, который вырабатывается океаническим фитопланктоном на Земле», — сказал Цай. DMS окисляется в океанах Земли и является основным источником атмосферной серы на планете.
Однако выводы 2023 года не были окончательными. Были намеки на DMS, но ничего достаточно сильного, чтобы убедить ученых и преодолеть их профессиональный скептицизм. «Потенциальный вывод DMS имеет большое значение, поскольку известно, что он является надежным биомаркером на Земле и широко пропагандируется как многообещающий биомаркер для экзопланет», — объяснили авторы статьи 2023 года.
«Сигнал DMS от телескопа Уэбба был не очень сильным и проявлялся только определенным образом при анализе данных», — сказал Цай. «Мы хотели знать, можем ли мы быть уверены в намеке на DMS».
JWST не имеет тревожного звонка и мигающего индикатора, который загорается и сообщает: «Обнаружен биомаркер!» Он производит данные, которые необходимо обработать, чтобы раскрыть его секреты. Ученые также полагаются на проверенные в боевых условиях модели климата и химии атмосферы, чтобы понять, что видит JWST.
«В этом исследовании мы исследуем биогенную серу в широком диапазоне биологических потоков и звездной УФ-среды», — пишут исследователи. Они провели эксперименты с 2D-фотохимической моделью и 3D-моделью общей циркуляции (GCM). По словам Цая и его коллег, данные вряд ли покажут наличие DMS в атмосфере K2-18b.
«Сигнал сильно перекрывается с метаном, и мы думаем, что выделение DMS из метана выходит за рамки возможностей этого прибора», — сказал Цай.
Это не означает, что DMS исключен. Вполне возможно, что это химическое вещество могло бы накопиться до заметного уровня, если бы его производил планктон или какая-то другая форма жизни. Но им придется производить примерно в 20 раз больше DMS, чем существует на Земле.
Профессор Мадхусудхан из Кембриджского университета является ведущим автором статьи 2023 года об атмосфере K2-18b. В средствах массовой информации его рекламируют как человека, открывшего инопланетную жизнь на другой планете. Ему явно неприятны некоторые гиперболы, но послание становится больше, чем посланник.
Это исследование, вероятно, омрачит энтузиазм средств массовой информации. Но для людей, которые следуют науке, это всего лишь еще один пример того, как наука исправляет себя.
Дело в том, что мы только нащупываем путь к пониманию атмосфер экзопланет. У ученых есть мощный инструмент JWST, но он имеет ограничения. Он измеряет освещенность очень детально, а все остальное оставляет на наше усмотрение. «Мы считаем, что сложно идентифицировать DMS на уровне 3,4. ?м, где он сильно перекрывается с CH4», — поясняют авторы. Но, продолжают они, «более правдоподобно обнаружить DMS… в среднем инфракрасном диапазоне между 9 и 13 ?м», — поясняют авторы.
Это означает, что есть надежда на K2-18b. Эти наблюдения были сделаны с помощью инструментов ближнего инфракрасного диапазона JWST, NIRISS и NIRSpec. Где-то в следующем году JWST снова исследует атмосферу экзопланеты, на этот раз с помощью прибора среднего инфракрасного диапазона MIRI. Этот прибор должен точно сказать нам, присутствует ли DMS.
Понимание учёными биосигнатур стало более детальным. Вместо поиска биосигнатур, подобных тем, что есть на Земле, ученые рассматривают биосигнатуры и природу атмосфер, в которых они могут присутствовать, более широко и целостно.
«Лучшие биосигнатуры на экзопланете могут значительно отличаться от тех, которые мы сегодня находим наиболее распространенными на Земле. На планете с богатой водородом атмосферой мы с большей вероятностью найдем DMS, созданный жизнью, а не кислород, вырабатываемый растениями и бактериями, как на Земле», — сказал астробиолог UCR Эдди Швитерман, старший автор исследования.
Работа команды действительно показывает, что сера может быть обнаруживаемым биомаркером для миров Хайса. «Умеренный порог биологического производства предполагает, что поиск биогенных сернистых газов как одного из классов потенциальных биосигнатур вполне правдоподобен для хайских миров», — заключают они.
