At undersøge exoplanetatmosfærer kunne afsløre afslørende signaturer af liv

Det kan være, at der lurer liv derude på andre planeter. Men sidder fast her på jorden, hvordan kan vi nogensinde vide det med sikkerhed? Et godt sted at starte er ved at lede efter forbindelserne på andre verdener, som er kendt for at være nøgleingredienserne i livet, som vi kender det.

Detektering af disse såkaldte biosignaturer, forbindelser, der vides at blive produceret af levende organismer, ville være et stærkt bevis på, at verdener kan indeholde liv. Men at opsamle kemikalier fra så fjerne verdener, og at vælge de rigtige forbindelser at kigge efter, er kompliceret.

Professor Ignas Snellen ved Leiden Universitet i Holland har forfinet teknikker, der kombinerer data fra de største jordbaserede teleskoper med højkontrastbilleder, der kan afsløre svage objekter som planeter. Teleskoperne bruger højpræcisionsspektroskopi til at undersøge de forskellige bølgelængder af det lys, de registrerer fra rummet.

"Du ønsker at filtrere det faktiske stjernelys fra så meget som muligt for at synliggøre enhver information, du kan få fra exoplaneten, " sagde Prof. Snellen.

Ved at undersøge stjernelyset, der filtrerer gennem en planets atmosfære og når os på Jorden, det er muligt at udlede de typer gasser, der er til stede.

Mens teleskoper endnu ikke er store nok til at undersøge spektrene for planeter på størrelse med Jorden, videnskabsmænd finpudser deres metoder på større exoplaneter, såkaldte varme Jupiters, som er alt for varme til at understøtte livet, som vi kender det. Disse er gasgigantiske exoplaneter, der kredser meget tæt på deres moderstjerne. Så tæt på, faktisk, at de er tidevandslåste, som vores måne, med exoplaneten, der kun roterer én gang for hver bane omkring sin stjerne.

Med den ene side af sådanne planeter altid i lys og den anden altid i mørke, lyssiden bliver så varm, at atmosfæren kan koge af, skaber en vind af stof, der flyder væk fra planeten, lidt ligesom en komets hale.

I EXOPLANETBIO-projektet, Prof. Snellen og hans team brugte højpræcisionsspektroskopi for første gang til at bekræfte mængden af ​​helium i en varm Jupiters atmosfære ved hjælp af jordbaserede teleskoper, som kan afsløre, hvor langt denne proces er gået.

"Det var et gennembrud for disse varme Jupiters, " sagde han. "Denne slags eksosfæriske haler var kendt, men de er meget svære at observere, fordi den eneste måde at se dem var ved at detektere brint, som ikke kan detekteres gennem jordens atmosfære, ved hjælp af Hubble-rumteleskopet.

"Nu, med den stærkere heliumlinje kan vi gøre dette meget godt fra jorden med teleskoper."

At forstå, om en varm Jupiter kan bløde ud af sin atmosfære, og hvor lang tid det kan tage, kan forklare, hvordan atmosfæren på alle exoplaneter ændrer sig over tid.

"Denne form for atmosfæriske flugtprocesser er ikke særlig vigtige nu, men i det tidlige solsystem var de, fordi solen var meget mere aktiv, " sagde Prof. Snellen.

Exoplanet klima

Ved at bruge disse nye teknikker, hans hold har også været i stand til at opnå endnu en førsteplads, at detektere spinhastigheden - hvor hurtigt en planet roterer - og kredsløbshastigheden for exoplaneter.

"Spinhastighederne på varme Jupiters er generelt ret lave, da de generelt er tidevandslåste, " han sagde.

Det kan afsløre noget om klimaet og det relaterede vejr på exoplaneten.

"Når en planet roterer hurtigt, det får bands som Jupiter. Jorden roterer langsommere og har nogle bånd, men det er stadig mest domineret af lavtrykssystemer. Nu, hvis du har en varm Jupiter, som roterer endnu langsommere, du ville ikke få nogen båndstruktur. Du får meget forskellige vejrsystemer, " han sagde.

Han har været i stand til at observere vinde højt oppe i atmosfæren på sådanne planeter, som energi fra det varmere, evigdagssiden drejes til den køligere natside.

Prof. Snellen er sikker på, at en opgradering til CRIRES-instrumentet (CRyogenic high-resolution InfraRed Echelle Spectrograph), klar til at gå online næste år på European Southern Observatory's (ESO) Very Large Telescope, vil lade dem finde forbindelser såsom metan på køligere planeter. Metan kan være en komponent i livet, hvis det findes på planeter på størrelse med Jorden.

"Jeg ser det her som en slags legeplads. Vi lærer metoderne nu, som vi en dag kan anvende på jordlignende planeter. (ESO's) Extremely Large Telescope skulle være klar i 2026, og med det kan vi begynde at undersøge jordlignende planeter."

Tegn på liv

Men selvom du har gode prøver fra rocky, Planeter på størrelse med jorden, hvordan ved du, om en forbindelse virkelig er et tegn på liv?

"Geologi er meget god til at producere ting, der ligner liv, såsom metan. Det kunne komme fra køer eller det kunne komme fra sten, " sagde professor Kevin Heng, professor ved universitetet i Bern i Schweiz.

"Hvis du tænker på biosignaturer, de skal opfylde forskellige betingelser. De skal ikke efterlignes af geologi, de skal eksistere i atmosfæren i lange perioder, hvilket betyder, at de er meget stabile eller genopfyldes på en eller anden måde, og de skal kunne spores."

Som en del af EXOKLEIN-projektet, Prof. Heng arbejder på at afgøre, om sådanne forbindelser, som methylchlorid og ammoniak, kan vare længe nok i exoplanetariske atmosfærer til at studere, ved at modellere små planeter omkring dværgstjerner. Det er en særlig udfordring for planeter på størrelse med Jorden, hvis atmosfære kan ændre sig over tid.

"Hvis du ser på en planet som Jupiter ... ligner de lidt solen. De er lavet af brint, de har sporstoffer af metaller og så videre. Baseret på forskelle mellem planeten og stjernen kan jeg finde ud af, hvordan den er dannet. Det ville føre en fossil optegnelse over, hvordan det blev dannet, " sagde Prof. Heng.

Men for mindre planeter, deres atmosfærer har ændret sig betydeligt over tid gennem processer som kulstofkredsløbet.

"Vi brugte de sidste otte til 10 år på at finde ud af, hvordan vi kunne bruge klimamodeller designet til Jorden (på exoplaneter), og hvordan man justerer og ændrer dem."

Disse modeller vil blive brugt til at give potentielle forklaringer på data indsamlet, når instrumenter er i stand til at undersøge mindre planeter for liv, at forstå, om forbindelser virkelig er biosignaturer eller kan bortforklares som geologiske.

"Ekstraordinære påstande kræver ekstraordinære standarder for bevis, så hvis noget stemmer overens med ikke at kræve biologi, Jeg vil sige, at der ikke er nogen biologi, " sagde prof. Heng.

Han modellerer også planeter, der kan have haft mere dramatiske skæbner. For små planeter omkring røde stjerner til at understøtte liv, de skal have en meget stram bane, gør dem tidevandslåste som varme Jupitere.

"Det betyder, at natsiden er rigtig kold, og måske koldt nok til, at gasserne i atmosfæren ville kondensere til is. Så, du får en løbsk kondens, og du har ingen atmosfære - atmosfærisk kollaps, " sagde han. Et sådant sammenbrud ville efterlade planeter kolde og livløse, ligesom Mars.

Selvom arbejdet kun er teoretisk nu, kommende missioner som Den Europæiske Rumorganisations CHEOPS-satellit og NASAs James Webb-rumteleskop burde give data, som han kan matche med sine teorier.

"Når Webb lanceres (i 2021), der vil være et kvantespring i kvaliteten af ​​data. Det kan ske, at atmosfærisk kollaps er så udbredt, at halvdelen af ​​de små planeter omkring røde stjerner ikke har atmosfære."