Новое исследование осложняет поиски инопланетного кислорода

Фото из открытых источников

Кислород до сих пор был самым важным газом в наших поисках жизни в космосе. На Земле он в изобилии, потому что образуется в результате биологического синтеза. Но на других планетах это может быть не так, поэтому даже если мы обнаружим очень четкий сигнал высокого содержания кислорода в атмосфере экзопланеты, это может не быть явным признаком существования там жизни. 

Новая статья, доступная в препринте на arXiv, Маргарет Туркотт Сиви и группы исследователей из таких учреждений, как Центр космических полетов имени Годдарда НАСА и Университет Джонса Хопкинса, добавляет дополнительный контекст к тому, что еще может происходить в этих атмосферах. В частности, они отмечают, что даже небольшое количество водяного пара может существенно повлиять на то, будет ли безжизненная скала выглядеть как живой, процветающий мир.

Частично вдохновение для этой новой статьи они почерпнули из основополагающей работы, опубликованной в 2015 году Питером Гао и его коллегами в журнале Astrophysical Journal. В ней они описывают, как обезвоженные планеты вокруг звезд типа M-карликов могут иметь чрезвычайно высокое содержание кислорода в атмосфере — даже сравнимое с земным, — несмотря на то, что она образована исключительно абиотическими процессами. Это имеет решающее значение для астробиологов по нескольким причинам. M-карлики — наиболее распространенный тип звезд в галактике, а также наиболее легкодоступные для поиска экзопланет вокруг них. Многие из их планет, по-видимому, имеют в основном атмосферы из углекислого газа, который является еще одним важным компонентом в цепочке производства кислорода.

Согласно статье 2015 года, интенсивное ультрафиолетовое излучение от звезды планеты может расщеплять молекулы углекислого газа на оксид углерода и кислород посредством процесса, называемого фотолизом. В результате этого процесса образуется атмосфера, подозрительно похожая на биологическую, но на самом деле полностью абиотическая.

Затем мы переходим к другой любимой молекуле астробиологов — воде. Сиви и ее команда хотели посмотреть, что произойдет, если они проведут тот же процесс, что и в статье 2015 года, но включат в него также различные уровни водяного пара в атмосфере. Они использовали сложную фотохимико-климатическую модель под названием «Атмос» для моделирования каменистой планеты размером с Марс с атмосферой из CO2 под давлением 1 бар, вращающейся вокруг звезды типа M-карлик, но при этом варьировали количество водяного пара в атмосфере планеты.

При различных уровнях воды, которые они исследовали, максимальное содержание кислорода в этих сценариях достигало всего 2,7% — примерно 10% от уровня, указанного в статье 2015 года, и аналогично тому, что наблюдается на Земле. Химический механизм этого снижения содержания кислорода хорошо изучен. Тот же ультрафиолетовый свет, который расщепляет молекулы CO2, также расщепляет воду, в результате чего образуется свободный атом водорода и гидроксильный (OH) радикал. Эти OH-радикалы действуют как катализатор с атомарным кислородом и монооксидом углерода, превращая их обратно в CO2, тем самым снижая общий уровень свободного кислорода.

В конечном итоге, кислород так и не успевает накопиться в атмосфере при протекании этого процесса, что делает сценарий, при котором в атмосфере присутствует высокий процент как водяного пара, так и кислорода, скорее «уликой», указывающей на какой-то биологический, а не абиотический процесс. У нас уже есть хорошая модель того, как это могло бы выглядеть, поскольку Земля сама по себе является тому примером.

По мере того, как набирают обороты новые астробиологические миссии, такие как Обсерватория обитаемых миров и телескопы LIFE, всё больше подобных работ, основанных на моделях и описывающих, на что, по мнению учёных, следует обращать внимание, становятся критически важными. Важный вывод из этой работы заключается в том, что нам необходимо изучать всю атмосферу экзопланеты — понимание наличия водяного пара и кислорода в атмосфере поможет определить, является ли мир высохшим ложным срабатыванием или потенциально богатым жизнью объектом, представляющим интерес. В конечном итоге, подобные работы приближают нас к тому, чтобы, когда мы наконец обнаружим жизнь в космосе, мы могли быть уверены в её подлинности.