Skinnende (stjerne)lys på søgen efter liv

I jagten på livet i andre verdener, astronomer søger over planeter, der er lysår væk. De har brug for måder at identificere liv på lang afstand - men hvad tæller som gode beviser?

Vores egen planet giver lidt inspiration. Mikrober fylder luften med metan; fotosyntetiserende planter udviser ilt. Måske kan disse gasser findes overalt, hvor livet har taget fat.

Men i verdener, der er meget forskellige fra vores egen, formodede tegn på liv kan vækkes af ikke-biologiske processer. At kende et sandt tegn, når du ser det, astronom Kevin France ved University of Colorado, Kampesten, siger, du skal se ud over planeten selv, hele vejen til den skinnende stjerne, den kredser om.

Til denne ende, Frankrig og hans team designede SISTINE-missionen. Flyver på en klingende raket i en 15-minutters flyvning, den vil observere fjerntliggende stjerner for at hjælpe med at fortolke tegn på liv på de planeter, der kredser om dem. Missionen vil starte fra White Sands Missile Range i New Mexico i de tidlige morgentimer den 5. august, 2019.

Når Jorden er et dårligt eksempel

Kort efter at Jorden blev dannet for 4,6 milliarder år siden, det var indhyllet af en skadelig atmosfære. Vulkaner udslyngede metan og svovl. Luften vrimlede med op til 200 gange mere kuldioxid end nutidens niveauer.

Det var ikke i endnu en milliard og et halvt år, at molekylær oxygen, som indeholder to oxygenatomer, kom ind på scenen. Det var et affaldsprodukt, kasseret af gamle bakterier gennem fotosyntese. Men det kickstartede det, der blev kendt som den store oxidationsbegivenhed, permanent at ændre Jordens atmosfære og bane vejen for mere komplekse livsformer.

"Vi ville ikke have store mængder ilt i vores atmosfære, hvis vi ikke havde det overfladeliv, " sagde Frankrig.

Ilt er kendt som en biomarkør:en kemisk forbindelse forbundet med liv. Dens tilstedeværelse i Jordens atmosfære antyder de livsformer, der lurer nedenfor. Men som sofistikerede computermodeller nu har vist, biomarkører på Jorden er ikke altid så troværdige for exoplaneter, eller planeter, der kredser om stjerner andre steder i universet.

Frankrig peger på M-dværgstjerner for at gøre denne sag. Mindre og koldere end vores sol, M-dværge tegner sig for næsten tre fjerdedele af Mælkevejens stjernepopulation. For at forstå exoplaneter, der kredser om dem, videnskabsmænd simulerede planeter på størrelse med Jorden, der kredser om M-dværge. Forskelle fra Jorden dukkede hurtigt op.

M-dværge genererer intenst ultraviolet lys. Da det lys ramte den simulerede jordlignende planet, det rev kulstoffet fra kuldioxid, efterlader frit molekylært oxygen. UV-lys opbrød også molekyler af vanddamp, frigivelse af enkelte oxygenatomer. Atmosfærerne skabte ilt - men uden liv.

"Vi kalder disse falsk-positive biomarkører, " sagde Frankrig. "Du kan producere ilt på en jordlignende planet gennem fotokemi alene."

Jordens lave iltniveau uden liv var en slags lykketræf - tak, delvis, til vores interaktion med vores sol. Exoplanetsystemer med forskellige stjerner kan være forskellige. "Hvis vi tror, ​​vi forstår en planets atmosfære, men ikke forstår stjernen, den kredser om, vi kommer nok til at tage fejl, " sagde Frankrig.

At kende en planet, Studer dens stjerne

Frankrig og hans team designede SISTINE for bedre at forstå værtsstjerner og deres virkninger på exoplanetatmosfærer. Forkortelse for Suborbital Imaging Spectrograph for Transition region Irradiance from Nearby Exoplanet host stars, SISTINE måler højenergistrålingen fra disse stjerner. Med viden om værtsstjerners spektre, forskere kan bedre skelne ægte biomarkører fra falske positive på deres kredsende planeter.

For at foretage disse målinger, SISTINE bruger en spektrograf, et instrument, der adskiller lys i dets bestanddele.

"Spekter er som fingeraftryk, " sagde Jane Rigby, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, hvem der bruger metoden. "Det er sådan, vi finder ud af, hvad ting er lavet af, både på vores planet og når vi ser ud i universet."

SISTINE måler spektre i bølgelængder fra 100 til 160 nanometer, en række langt UV-lys, der, blandt andet, kan skabe ilt, muligvis generere en falsk-positiv. Lysoutput i dette område varierer med stjernens masse - hvilket betyder, at stjerner med forskellig masse næsten helt sikkert vil adskille sig fra vores sol.

SISTINE kan også måle blus, eller lyse stjerneeksplosioner, som frigiver intense doser af langt UV-lys på én gang. Hyppige udbrud kan gøre et beboeligt miljø til et dødeligt miljø.

SISTINE-missionen vil flyve på en Black Brant IX-klingende raket. Lydende raketter gør kort, målrettede flyvninger ud i rummet, før de falder tilbage til Jorden; SISTINEs flyvning giver den omkring fem minutters observationstid. Selvom det er kort, SISTINE kan se stjerner i bølgelængder, der er utilgængelige for observatorier som Hubble-rumteleskopet.

To lanceringer er planlagt. Den første, fra White Sands i august, vil kalibrere instrumentet. SISTINE vil flyve 174 miles over jordens overflade for at observere NGC 6826, en gassky, der omgiver en hvid dværgstjerne placeret omkring 2, 000 lysår væk i stjernebilledet Cygnus. NGC 6826 er skarp i UV-lys og viser skarpe spektrallinjer - et klart mål for at tjekke deres udstyr.

Efter kalibrering, den anden opsendelse vil følge i 2020 fra Arnhem Space Center i Nhulunbuy, Australien. Der vil de observere UV-spektrene for Alpha Centauri A og B, de to største stjerner i det trestjernede Alpha Centauri-system. 4,37 lysår væk, disse stjerner er vores nærmeste stjernenaboer og primære mål for exoplanetobservationer. (Systemet er hjemsted for Proxima Centauri B, den nærmeste exoplanet til Jorden.)

Test af ny teknologi

Både SISTINEs observationer og teknologien brugt til at erhverve dem er designet med fremtidige missioner i tankerne.

Det ene er NASAs James Webb-rumteleskop, i øjeblikket indstillet til at blive opsendt i 2021. Det dybe rumobservatorium vil se synligt for mellem-infrarødt lys - nyttigt til at detektere exoplaneter, der kredser om M-dværge. SISTINE-observationer kan hjælpe videnskabsmænd med at forstå lyset fra disse stjerner i bølgelængder, som Webb ikke kan se.

SISTINE bærer også nye UV-detektorplader og nye optiske belægninger på sine spejle, designet til at hjælpe dem med at reflektere bedre i stedet for at absorbere ekstremt UV-lys. At flyve denne teknologi på SISTINE hjælper med at teste dem til NASAs fremtidige store UV/optiske rumteleskoper.

Ved at fange stjernespektre og avancere teknologi til fremtidige missioner, SISTINE forbinder det, vi ved, med det, vi endnu ikke har lært. Det er, når det rigtige arbejde starter. "Vores job som astronomer er at samle de forskellige datasæt for at fortælle en komplet historie, sagde Rigby.