Atmosfæriske beacons guider NASA-forskere i deres søgen efter liv

Nogle exoplaneter skinner klarere end andre i søgen efter liv hinsides solsystemet. Ny NASA-forskning foreslår en ny tilgang til at opsnuse exoplanetatmosfærer. Den udnytter hyppige stjernestorme - som kaster enorme skyer af stjernemateriale og stråling ud i rummet - fra kølige, unge dværgstjerner for at fremhæve tegn på beboelige exoplaneter.

Traditionelt set forskere har søgt potentielle biosignaturer som måder at identificere beboede verdener på:biprodukter fra livet, som vi kender det, såsom ilt eller metan, der over tid akkumuleres i atmosfæren til påviselige mængder. Men med den nuværende teknologi, ifølge Vladimir Airapetian, hovedforfatter til en Videnskabelige rapporter undersøgelse offentliggjort den 2. november, 2017, at identificere disse gasser på fjerne terrestriske exoplaneter er tidskrævende, kræver dages observationstid. Den nye undersøgelse tyder på, at man i stedet for jagter mere grove signaturer af potentielt beboelige verdener, som ville være lettere at opdage med nuværende ressourcer på kortere tid.

"Vi leder efter molekyler dannet ud fra fundamentale forudsætninger til liv - specifikt molekylært nitrogen, hvilket er 78 procent af vores atmosfære, " sagde Airapetian, som er solforsker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og på American University i Washington, D.C. "Dette er grundlæggende molekyler, der er biologisk venlige og har en stærk infrarød emitterende kraft, øge vores chance for at opdage dem."

Nuværende liv på Jorden fortæller Airapetian og hans team af forskere, at de skal lede efter atmosfærer rig på vanddamp og nitrogen, og ilt, livets produkt. Ilt og nitrogen flyder stabilt i deres molekylære form - dvs. to atomer af enten oxygen eller nitrogen bundet sammen i et molekyle. Men i nærheden af ​​en aktiv dværgstjerne, ekstremt rumvejr udløser forskellige kemiske reaktioner, som forskere kan bruge som indikatorer for atmosfærisk sammensætning.

Stjerner som vores sol er turbulente i deres teenageår og producerer ofte kraftige udbrud, der kaster stjernepartikler foran dem til næsten lyshastigheder. I modsætning til vores sol, nogle gule og de fleste orange stjerner - som er en smule køligere end Solen - kan fortsætte med at producere disse stærke stjernestorme i milliarder af år, genererer hyppige sværme af højenergipartikler.

Når disse partikler når en exoplanet, de oversvømmer dens atmosfære med nok energi til at bryde molekylært nitrogen og oxygen i individuelle atomer, og vandmolekyler til hydroxyl - et atom hver af oxygen og brint, bundet sammen. Derfra, de reaktive nitrogen- og oxygenatomer udløser en kaskade af kemiske reaktioner, der i sidste ende producerer, hvad forskerne kalder atmosfæriske beacons:hydroxyl, mere molekylær oxygen, og nitrogenoxid - et molekyle lavet af et nitrogen- og et oxygenatom.

Airapetian og hans kolleger brugte en model til at beregne, hvor meget nitrogenoxid og hydroxyl der ville danne, og hvor meget ozon der ville blive ødelagt i en jordlignende atmosfære omkring en aktiv stjerne. Jordforskere har brugt denne model i årtier til at studere, hvordan ozon - som dannes naturligt, når sollys rammer ilt - i den øvre atmosfære reagerer på solstorme, men det fandt en ny anvendelse i denne undersøgelse; Jorden er, trods alt, det bedste casestudie, der findes i søgen efter livet.

Ved hjælp af en computersimulering, forskerne udsatte modelatmosfæren for det rumvejr, de ville forvente af en kølig, aktiv stjerne. De fandt ud af, at ozon falder til et minimum og giver næring til produktionen af ​​atmosfæriske beacons.

For forskere, disse kemiske reaktioner er meget nyttige. Når stjernelys rammer atmosfæren, fjederlignende bindinger i beacon-molekylerne absorberer energien og vibrerer, sender den energi tilbage til rummet som varme, eller infrarød stråling. Forskere ved, hvilke gasser der udsender stråling ved bestemte bølgelængder af lys, så ved at se på al den stråling, der kommer fra atmosfæren, det er muligt at få en fornemmelse af, hvad der er i selve atmosfæren.

At danne en påviselig mængde af disse beacons kræver en stor mængde molekylært oxygen og nitrogen. Så, hvis de opdages, disse forbindelser kunne indikere en atmosfære fyldt med biologisk venlig kemi, såvel som jordlignende atmosfærisk tryk - og dermed muligheden for en beboelig verden, en nål i en stor høstak af exoplaneter.

Denne tilgang er også beregnet til at luge ud exoplaneter uden et jordlignende magnetfelt. "En planet har brug for et magnetfelt, som skærmer atmosfæren og beskytter planeten mod stjernestorme og stråling, " sagde Airapetian. "Hvis stjernevinde ikke er så ekstreme, at de komprimerer en exoplanets magnetfelt tæt på dens overflade, magnetfeltet forhindrer atmosfærisk udslip, så der er flere partikler i atmosfæren og et stærkere resulterende infrarødt signal."

Airapetian og hans kolleger brugte data fra NASA's Earth-studing TIMED-mission - en forkortelse for Thermosphere Ionosphere Mesophere Energetics Dynamics - til at simulere, hvordan infrarøde observationer af disse beacons kan se ud. Dataene kom fra TIMEDs spektroskopiinstrument kaldet SABER – en forkortelse for Sounding of the Atmosphere ved hjælp af Broadband Emission Radiometry – som studerer den samme kemi, som genererer de atmosfæriske beacons, som det forekommer i Jordens øvre atmosfære som reaktion på solaktivitet.

"Når vi tager det, vi ved om infrarød stråling, der udsendes af Jordens atmosfære, Ideen er at se på exoplaneter og se, hvilken slags signaler vi kan detektere, " sagde Martin Mlynczak, en medforfatter af papiret og SABRE associeret hovedforsker ved NASAs Langley Research Center i Hampton, Virginia. "Hvis vi finder exoplanetsignaler i næsten samme forhold som Jordens, vi kan sige, at planeten er en god kandidat til at være vært for liv."

SABRE-dataene viste, at hyppigheden af ​​intense stjernestorme er direkte relateret til styrken af ​​varmesignalerne fra de atmosfæriske beacons. Med flere storme, flere beacon-molekyler genereres, og det infrarøde signal ville være stærkt nok, forskerne vurderer, at blive observeret fra nærliggende exoplaneter med et seks til 10 meter rumbaseret teleskop på kun to timers observationstid.

"Dette er en spændende ny foreslået måde at se efter livet på, " sagde Shawn Domagal-Goldman, en Goddard-astrobiolog, der ikke er forbundet med undersøgelsen. "Men som med alle tegn på liv, exoplanetsamfundet skal tænke grundigt over konteksten. Hvordan kan ikke-biologiske processer efterligne denne signatur?"

Med den rigtige slags stjerne, dette arbejde kunne føre til nye strategier i søgen efter liv, der identificerer ikke kun potentielt beboelige planeter, men planetsystemer, da den måde, hvorpå en planets atmosfære interagerer med dens moderstjerne, også har en central effekt på dens beboelighed. Hvis der opdages lovende signaler, forskere kan koordinere observationer med et fremtidigt rumbaseret observatorium såsom NASAs James Webb Space Telescope, øger sandsynligheden for at opdage et sådant potentielt system.

"Ny indsigt om potentialet for liv på exoplaneter afhænger kritisk af tværfaglig forskning, hvor data, modeller og teknikker er brugt fra NASA Goddards fire videnskabsafdelinger:heliofysik, astrofysik, planet- og jordvidenskab, "Goddard senior astrofysiker og medforfatter William Danchi sagde. "Denne blanding producerer unikke og kraftfulde nye veje til exoplanetforskning."