Как Джеймс Уэбб поможет нам найти жизнь в других мирах

Ингредиенты для жизни разбросаны по всей вселенной. Хотя Земля — единственное известное место во Вселенной, где есть жизнь, обнаружение жизни за пределами Земли — главная цель современной астрономии и планетологии.

Мы два ученых, которые изучают экзопланеты и астробиологию. Во многом благодаря телескопам следующего поколения, таким как Джеймс Уэбб, такие исследователи, как мы, скоро смогут измерять химический состав атмосфер планет вокруг других звезд. Есть надежда, что одна или несколько из этих планет будут иметь химическую сигнатуру жизни.

Обитаемые экзопланеты

Жизнь может существовать в Солнечной системе, где есть жидкая вода — например, в подземных водоносных горизонтах на Марсе или в океанах спутника Юпитера Европы. Однако поиск жизни в этих местах невероятно сложен, так как до них трудно добраться, а для обнаружения жизни потребуется отправить зонд для возврата физических образцов.

Многие астрономы считают, что существует большая вероятность того, что жизнь существует на планетах, вращающихся вокруг других звезд, и вполне возможно, что именно там жизнь будет впервые обнаружена.

Теоретические расчеты показывают, что только в галактике Млечный Путь находится около 300 миллионов потенциально обитаемых планет и несколько обитаемых планет размером с Землю всего в 30 световых годах от Земли — по сути, галактические соседи человечества.

К настоящему времени астрономы обнаружили более 5000 экзопланет, в том числе сотни потенциально пригодных для жизни, используя косвенные методы, которые измеряют, как планета влияет на ближайшую к ней звезду. Эти измерения могут дать астрономам информацию о массе и размере экзопланеты, но не более того.

Ищем биосигнатуры

Чтобы обнаружить жизнь на далекой планете, астробиологи будут изучать звездный свет, взаимодействующий с поверхностью или атмосферой планеты. Если атмосфера или поверхность были преобразованы жизнью, свет может нести подсказку, называемую «биосигнатурой».

В течение первой половины своего существования Земля имела атмосферу без кислорода, хотя на ней существовала простая одноклеточная жизнь. В эту раннюю эпоху биосигнатура Земли была очень слабой. Ситуация резко изменилась 2,4 миллиарда лет назад, когда появилось новое семейство водорослей.

Водоросли использовали процесс фотосинтеза, производящий свободный кислород — кислород, химически не связанный с каким-либо другим элементом. С тех пор насыщенная кислородом атмосфера Земли оставляет сильную и легко обнаруживаемую биосигнатуру на проходящем через нее свете.

Когда свет отражается от поверхности материала или проходит через газ, некоторые длины волн света с большей вероятностью останутся в газе или на поверхности материала, чем другие.

Это выборочное улавливание длин волн света является причиной того, что объекты имеют разные цвета. Листья зеленые, потому что хлорофилл особенно хорошо поглощает свет в красных и синих длинах волн. Когда свет попадает на лист, красные и синие длины волн поглощаются, оставляя в основном зеленый свет, отражающийся обратно в ваши глаза.

Характер пропускаемого света определяется конкретным составом материала, с которым взаимодействует свет. Из-за этого астрономы могут узнать что-то о составе атмосферы или поверхности экзопланеты, по сути, измеряя определенный цвет света, исходящего от планеты.

Этот метод можно использовать для распознавания присутствия определенных атмосферных газов, связанных с жизнью, таких как кислород или метан, поскольку эти газы оставляют очень специфические следы в свете.

Его также можно использовать для обнаружения специфических цветов на поверхности планеты. На Земле, например, хлорофилл и другие пигменты, используемые растениями и водорослями для фотосинтеза, улавливают определенные длины волн света. Эти пигменты производят характерные цвета, которые можно обнаружить с помощью чувствительной инфракрасной камеры. Если бы вы увидели этот цвет, отражающийся от поверхности далекой планеты, это потенциально означало бы присутствие хлорофилла.

Телескопы в космосе и на Земле

Требуется невероятно мощный телескоп, чтобы обнаружить эти тонкие изменения света, исходящего от потенциально обитаемой экзопланеты. На данный момент единственным телескопом, способным на такой подвиг, является новый космический телескоп Джеймса Уэбба.

Когда в июле 2022 года он начал научную деятельность, Джеймс Уэбб измерил спектр газовой экзопланеты-гиганта WASP-96b. Спектр показал присутствие воды и облаков, но такая большая и горячая планета, как WASP-96b, вряд ли может быть местом жизни.

Однако эти ранние данные показывают, что Джеймс Уэбб способен обнаруживать слабые химические сигнатуры в свете, исходящем от экзопланет. В ближайшие месяцы Уэбб направит свои зеркала на TRAPPIST-1e, потенциально пригодную для жизни планету размером с Землю всего в 39 световых годах от Земли.

Уэбб может искать биосигнатуры, изучая планеты, когда они проходят перед своими звездами, и фиксируя звездный свет, который проходит через атмосферу планеты. Но Уэбб не был предназначен для поиска жизни, поэтому телескоп способен тщательно изучить лишь несколько ближайших потенциально обитаемых миров.

Он также может обнаруживать только изменения атмосферных уровней углекислого газа, метана и водяного пара. Хотя определенные комбинации этих газов могут свидетельствовать о наличии жизни, Уэбб не может обнаружить присутствие несвязанного кислорода, который является самым сильным признаком жизни.

Ведущие концепции будущих, еще более мощных космических телескопов включают в себя планы блокировать яркий свет звезды-хозяина планеты, чтобы выявить звездный свет, отраженный от планеты. Эта идея похожа на использование вашей руки, чтобы блокировать солнечный свет, чтобы лучше видеть что-то на расстоянии. Будущие космические телескопы могут использовать для этого маленькие внутренние маски или большие внешние космические корабли, похожие на зонты. Как только звездный свет блокируется, становится намного легче изучать свет, отражающийся от планеты.

Также в настоящее время строятся три огромных наземных телескопа, которые смогут искать биосигнатуры: Гигантский Магелленовский Телескоп, Тридцатиметровый Телескоп и Европейский Чрезвычайно Большой Телескоп. Каждый из них намного мощнее, чем существующие телескопы на Земле, и, несмотря на то, что земная атмосфера искажает звездный свет, эти телескопы могут исследовать атмосферы ближайших миров на наличие кислорода.

Это биология или геология?

Даже используя самые мощные телескопы ближайших десятилетий, астробиологи смогут обнаружить только сильные биосигнатуры, созданные мирами, которые были полностью преобразованы жизнью.

К сожалению, большинство газов, выделяемых земной жизнью, также могут быть произведены небиологическими процессами — коровы и вулканы выделяют метан. Фотосинтез производит кислород, но солнечный свет тоже, когда расщепляет молекулы воды на кислород и водород.

Есть большая вероятность, что астрономы обнаружат некоторые ложные срабатывания при поиске далекой жизни. Чтобы исключить ложные срабатывания, астрономам необходимо будет достаточно хорошо понять интересующую планету, чтобы понять, могут ли ее геологические или атмосферные процессы имитировать биосигнатуру.

Следующее поколение исследований экзопланет может преодолеть планку экстраординарных доказательств, необходимых для доказательства существования жизни. Первый выпуск данных с космического телескопа Джеймса Уэбба дает нам представление о захватывающем прогрессе, который скоро произойдет.

Крис Импей, заслуженный профессор астрономии Аризонского университета, и Даниэль Апаи, профессор астрономии и планетологии Аризонского университета.