Opladet ilt i ionosfæren kan tilbyde biomarkør for eksoplaneter

Den 9. januar, 1992, astronomer annoncerede en vigtig opdagelse:to planeter, der kredser om en pulsar 2, 300 lysår fra vores sol. De to planeter, senere kaldet Poltergeist og Draugr, var de første bekræftede "eksoplaneter" - verdener uden for vores solsystem, kredser om en fjern stjerne. Forskere kender nu til 3, 728 (bekræftede) eksoplaneter i 2, 794 systemer, hver og en beder om spørgsmålet:"Er der andre derude?"

"Hvilket vigtigere spørgsmål kunne vi stille? Er vi alene?" spørger professor ved astronomi ved Boston University Michael Mendillo. "Jeg kender ikke noget mere fascinerende spørgsmål inden for videnskab."

I årtier, astronomer har ledt efter disse fjerne eksoplaneter efter tegn på liv, mest på udkig efter det mest essentielle molekyle, vand. Men Mendillo og hans kolleger har en anden idé. I et papir udgivet i Natur Astronomi den 12. februar, 2018, Mendillo, BU lektor i astronomi Paul Withers, og ph.d. kandidat Paul Dalba (GRS'18) foreslår i stedet at se på en exoplanets ionosfære, det tynde øverste lag af atmosfære, som suser med ladede partikler. Find en som Jordens, de siger, pakket med enkelte iltioner, og du har fundet liv. Eller, i det mindste, livet som vi kender det.

"Gennem historien om den menneskelige civilisation, vi er aldrig nået dertil - indtil stort set de sidste 15 år - hvor vi kunne se planeter omkring andre stjerner. Og nu er vi på det punkt, hvor vi kommer med ideer til at opdage liv uden for Jorden, "siger John Clarke, professor i astronomi ved Boston University, og direktør for Center for Rumfysik. "Dette er et stort intellektuelt eventyr, vi er på."

Deres arbejde begyndte, da Mendillo og Withers modtog et tilskud fra National Science Foundation (NSF) til at sammenligne alle planetariske ionosfærer i solsystemet. (Alle planeter har dem undtagen Merkur, som er så tæt på solen, at dens atmosfære fjernes helt.) Samtidig, holdet arbejdede også med NASAs MAVEN -mission, forsøger at forstå, hvordan molekylerne, der udgjorde Mars 'ionosfære, var undsluppet den planet. Siden de tidlige år af rumalderen, forskere har vidst, at planetariske ionosfærer er meget forskellige, og BU -teamet begyndte at fokusere på, hvorfor det var tilfældet, og hvorfor Jordens var så anderledes. Mens andre planeter fylder deres ionosfærer fulde af komplicerede ladede molekyler, der stammer fra kuldioxid eller hydrogen, Jorden holder det enkelt, med for det meste ilt, der fylder rummet. Og det er en bestemt type ilt - enkelte atomer med en positiv ladning.

"Jeg begyndte at tænke, hvorfor er vores ionosfære anderledes end de andre seks? "husker Mendillo.

Teamet afkrydset talrige muligheder for Jordens høje koncentration af O+, før de bosatte sig på en synder:grønne planter og alger.

"Det er fordi vi har denne atomare ilt, der sporer sin oprindelse tilbage til fotosyntese, "siger Mendillo." Vi har atomiske iltioner, O+, i ionosfæren som en direkte konsekvens af at have liv på planeten. Så hvorfor ser vi ikke, om vi kan komme med et kriterium, hvor ionosfæren kan være en biomarkør, ikke bare om muligt liv, men om det virkelige liv. "

De fleste planeter i vores solsystem har noget ilt i deres lavere atmosfære, men Jorden har meget mere, omkring 21 procent. Det er fordi så mange organismer har haft travlt med at tænde lys, vand, og kuldioxid til sukker og ilt - processen kaldet fotosyntese - i de sidste 3,8 milliarder år.

"Ødelæg alle planterne på Jorden, og vores atmosfæres ilt forsvinder om tusinder af år, "siger Withers, der bemærker, at alt dette ilt, der udåndes af planter, ikke bare klistrer rundt på jordens overflade. "For de fleste mennesker, O2, ilt vi indånder, er ikke et meget spændende molekyle. Til kemikere, imidlertid, O2 er en vild, spændende, og farligt dyr. Det vil bare ikke sidde stille; det reagerer kemisk med næsten ethvert andet molekyle, det kan finde, og det gør det meget hurtigt. "

På Jorden i dag, overskydende iltmolekyler, i form af O2, flyde opad. Når O2 kommer omkring 150 kilometer over jordens overflade, ultraviolet lys deler det i to. De enkelte iltatomer flyder højere, ind i ionosfæren, hvor mere ultraviolet lys og røntgenstråler fra solen river elektroner fra deres ydre skaller, efterlader ladet ilt zipper gennem luften. Mængden af ​​O2 nær Jordens overflade - så anderledes end de andre planeter - fører til en overflod af O+ højt på himlen.

Dette fund, siger Mendillo, antyder, at forskere, der søger udenjordisk liv, måske kunne indsnævre deres søgeområde. Paul Dalba, der arbejdede på eksoplanetatmosfærer med BU -assisterende professor i astronomi Philip Muirhead, sluttede sig til teamet for at veje ind. "Dalbas viden om stjerne-eksoplanetsystemer hjalp virkelig, "Siger Mendillo. I øjeblikket er de fleste forskere på denne søgen fokuserer på stjerner i M-klassen-de mest udbredte i galaksen-og planeterne, der kredser dem i den "beboelige zone, "hvor vand kan eksistere.

Dette giver mening, because life as we know it needs water. But scientists don't know exactly how much water a planet needs to support life. "If we only had the Mediterranean, would that have been enough? Do we need the Pacific, but not the Atlantic?" asks Mendillo. "If you look at the ionosphere, you don't need to know the number. You just need to know that if the maximum electron density is associated with oxygen ions, then you've nailed it—you've got a planet where there's photosynthesis and life."

Selvfølgelig, this assumes that "life" is at least somewhat analogous to life on Earth, which requires not only water and oxygen, but also a certain temperature range, probably a magnetic field, og andre faktorer. "That's a good starting point, " says Clarke. "But in the back of our mind, we are all aware that there may be kinds of life we're not thinking about that may surprise us."

There's one other catch, at least for now:scientists don't have the tools to detect an ionosphere on any exoplanet—yet. "If you look at the space telescopes that might come next, a lot is going to be possible, " says Clarke. "I think in ten years we will have the technology to do this experiment."

Mendillo hopes his team's work makes a case for further research, udvikling, and exploration in this area. "Just the idea of using the ionosphere as a signature is a captivating idea, " he says. "We don't have the observational capability yet, but I'm optimistic. We offer this up as a challenge."