Пришельцы, дышащие водородом? Новый подход к поиску внеземной жизни

Но что, если инопланетная жизнь использует несколько иную химию, чем наша? Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Astronomy, утверждает, что наши лучшие шансы использовать атмосферы для поиска свидетельств жизни — это расширить наши поиски, сосредоточив внимание на планетах, подобных нашей, и включив в них планеты с водородной атмосферой.

Мы можем исследовать атмосферу экзопланеты, когда она проходит перед своей звездой. Когда происходит такое прохождение, свет звезды должен пройти через атмосферу планеты, чтобы достичь нас, и часть его поглощается по мере прохождения.

Глядя на спектр звезды — ее свет разбит в зависимости от длины волны — и выясняя, какой свет отсутствует из-за прохождения, можно понять, из каких газов состоит атмосфера. Документирование атмосфер экзопланет — одна из задач космического телескопа Джеймса Уэбба, который так долго откладывался.

Если бы мы нашли атмосферу с химическим составом, отличным от того, что мы ожидали бы, одним из самых простых объяснений было бы то, что она поддерживается живыми процессами. Так обстоит дело на Земле. Атмосфера нашей планеты содержит метан (CH₄), который естественным образом реагирует с кислородом с образованием углекислого газа. Но метан пополняется биологическими процессами.

Другой способ взглянуть на это состоит в том, что кислорода вообще не было бы, если бы он не был освобожден из углекислого газа фотосинтезирующими микробами во время так называемого великого события оксигенации, которое началось около 2,4 миллиарда лет назад.

Не ограничивайтесь кислородной атмосферой

Авторы нового исследования утверждают, что мы должны начать исследовать миры размером больше Земли, в атмосфере которых преобладает водород. В них может не быть свободного кислорода, потому что водород и кислород составляют легковоспламеняющуюся смесь.

Водород — самая легкая из всех молекул и легко улетает в космос. Чтобы каменистая планета имела достаточно сильную гравитацию, чтобы удерживать водородную атмосферу, она должна быть «супер-Землей» с массой примерно от двух до десяти масс Земли.

Водород мог быть либо уловлен непосредственно из газового облака, где росла планета, либо был выпущен позже в результате химической реакции между железом и водой.

Плотность атмосферы с преобладанием водорода уменьшается примерно в 14 раз медленнее, чем выше вы поднимаетесь, чем в атмосфере с преобладанием азота, как на Земле.

Это делает оболочку атмосферы, окружающей планету, в 14 раз большей, что упрощает обнаружение в данных спектров. Большие размеры также улучшили бы наши шансы наблюдать такую ​​атмосферу путем прямого получения изображений с помощью оптического телескопа.

Водородное дыхание в лаборатории

Авторы провели лабораторные эксперименты, в которых они продемонстрировали, что бактерии E. coli (миллиарды которых живут в вашем кишечнике) могут выжить и размножаться в атмосфере водорода при полном отсутствии кислорода. Они продемонстрировали то же самое для различных дрожжей.

Хотя это интересно, это не добавляет веса аргументу, что жизнь может процветать в водородной атмосфере. Мы уже знаем о многих микробах в земной коре, которые выживают за счет метаболизма водорода, и есть даже многоклеточный организм, который всю свою жизнь проводит в бескислородной зоне на дне Средиземного моря.

Атмосфера Земли, которая начиналась без кислорода, вряд ли когда-либо содержала более 1% водорода. Но в раннем возрасте, возможно, пришлось метаболизировать путем реакции водорода с углеродом с образованием метана, а не путем реакции кислорода с углеродом с образованием диоксида углерода, как это делают люди.

Биосигнатурные газы

Однако в ходе исследования было сделано важное открытие. Исследователи продемонстрировали, что существует «поразительное разнообразие» десятков газов, производимых продуктами в кишечной палочке, живущей под водородом.

Многие из них, такие как диметилсульфид, карбонилсульфид и изопрен, могут быть обнаруживаемыми «биосигнатурами» в атмосфере водорода. Это увеличивает наши шансы распознать признаки жизни на экзопланете — вы должны знать, что искать.

Тем не менее, метаболические процессы с использованием водорода менее эффективны, чем с использованием кислорода. Однако, с точки зрения астробиологов, водородная жизнь — это уже устоявшаяся концепция. Разумные водородные дышащие даже появлялись в некоторых научно-фантастических произведениях, основанных на рациональных принципах, таких как романы Дэвида Брина «Восход».

Авторы нового исследования также отмечают, что молекулярный водород в достаточной концентрации может действовать как парниковый газ. Это может держать поверхность планеты достаточно теплой для жидкой воды и, следовательно, жизни на поверхности, дальше от звезды, чем это было бы в противном случае.

Авторы уклоняются от рассмотрения шансов найти жизнь на гигантских газовых планетах, таких как Юпитер. Тем не менее, расширив пул обитаемых миров, включив в него суперземли с богатой водородом атмосферой, они потенциально удвоили количество тел, которые мы могли бы исследовать, чтобы найти эти первые неуловимые признаки внеземной жизни.