Jordens fætre:Kommende missioner for at lede efter biosignaturer i exoplanetatmosfærer

Forskere har opdaget tusindvis af exoplaneter, inklusive snesevis af terrestriske – eller klippefyldte – verdener i de beboelige zoner omkring deres forældrestjerner. En lovende tilgang til at søge efter tegn på liv på disse verdener er at undersøge exoplanetatmosfærer for "biosignaturer" - særheder i kemisk sammensætning, der er afslørende tegn på liv. For eksempel, takket være fotosyntesen, vores atmosfære er næsten 21% ilt, et meget højere niveau end forventet givet Jordens sammensætning, kredsløb og moderstjerne.

At finde biosignaturer er ingen ligetil opgave. Forskere bruger data om, hvordan exoplanetatmosfærer interagerer med lys fra deres moderstjerne for at lære om deres atmosfærer. Men oplysningerne, eller spektre, at de kan samles ved hjælp af nutidens jord- og rumbaserede teleskoper, er for begrænset til at måle atmosfærer direkte eller detektere biosignaturer.

Exoplanetforskere som Victoria Meadows, professor i astronomi ved University of Washington, er fokuseret på hvilke kommende observatorier, som James Webb rumteleskopet, eller JWST, kunne måle i exoplanetatmosfærer. Den 15. februar ved American Association for the Advancement of Sciences årsmøde i Seattle, Enge, en hovedefterforsker af UW's Virtual Planetary Laboratory, vil holde en tale for at opsummere, hvilken slags data disse nye observatorier kan indsamle, og hvad de kan afsløre om jordbaserede atmosfærer, Jordlignende exoplaneter. Meadows satte sig ned med UW News for at diskutere løftet om disse nye missioner for at hjælpe os med at se exoplaneter i et nyt lys.

Spørgsmål:Hvilke ændringer er der på vej til området for exoplanetforskning?

I de næste fem til 10 år, vi vil potentielt få vores første chance for at observere atmosfæren af ​​terrestriske exoplaneter. Dette skyldes, at nye observatorier er sat til at komme online, herunder James Webb Space Telescope og jordbaserede observatorier som Extremely Large Telescope. Meget af vores seneste arbejde på Virtual Planetary Laboratory, samt af kolleger på andre institutioner, har fokuseret på at simulere, hvordan jordlignende exoplaneter vil "se ud" for JWST og jordbaserede teleskoper. Det giver os mulighed for at forstå de spektre, som disse teleskoper vil opfange, og hvad disse data vil og ikke vil fortælle os om disse exoplanetatmosfærer.

Spørgsmål:Hvilke typer exoplanetatmosfærer vil JWST og andre missioner være i stand til at karakterisere?

Vores mål er faktisk en udvalgt gruppe af exoplaneter, der er i nærheden – inden for 40 lysår – og kredser meget små, seje stjerner. Til reference, Kepler-missionen identificerede exoplaneter omkring stjerner, der er mere end 1, 000 lysår væk. De mindre værtsstjerner hjælper os også med at få bedre signaler om, hvad planetatmosfærerne er lavet af, fordi det tynde lag af planetatmosfæren kan blokere mere af en mindre stjernes lys.

Så der er en håndfuld exoplaneter, vi fokuserer på for at lede efter tegn på beboelighed og liv. Alle blev identificeret ved jordbaserede undersøgelser som TRAPPIST og dets efterfølger, SPECULOOS - begge drevet af University of Liège - såvel som MEarth Project drevet af Harvard. De mest kendte exoplaneter i denne gruppe er sandsynligvis de syv terrestriske planeter, der kredser om TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 er en M-dværgstjerne - en af ​​de mindste, du kan have og stadig være en stjerne - og dens syv exoplaneter spænder indvendigt til og ud over den beboelige zone, med tre i den beboelige zone.

Vi har identificeret TRAPPIST-1 som det bedste system at studere, fordi denne stjerne er så lille, at vi kan få ret store og informative signaler ud af atmosfærerne i disse verdener. Disse er alle fætre til Jorden, men med en meget anderledes forælderstjerne, så det bliver meget interessant at se, hvordan deres atmosfære er.

Spørgsmål:Hvad har du indtil videre lært om atmosfæren på TRAPPIST-1 exoplaneterne?

Astronomisamfundet har taget observationer af TRAPPIST-1-systemet, men vi har ikke set andet end "ikke-detekteringer". Det kan stadig fortælle os meget. For eksempel, observationer og modeller tyder på, at disse exoplanetatmosfærer er mindre tilbøjelige til at blive domineret af brint, det letteste element. Det betyder, at de enten slet ikke har atmosfære, eller de har atmosfærer med relativt høj tæthed som Jorden.

Q:Ingen atmosfære overhovedet? Hvad ville forårsage det?

M-dværgstjerner har en meget anderledes historie end vores egen sol. Efter deres barndom, sollignende stjerner lysner med tiden, når de gennemgår fusion.

M-dværge starter stort og lyst, efterhånden som de tyngdemæssigt kollapser til den størrelse, de så vil have i det meste af deres levetid. Så, M-dværgplaneter kan blive udsat for lange perioder - måske så længe som en milliard år - med højintensitetslysstyrke. Det kunne fratage en planet dens atmosfære, men vulkansk aktivitet kan også genopbygge atmosfærer. Baseret på deres tætheder, vi ved, at mange af TRAPPIST-1 verdenerne sandsynligvis har reservoirer af forbindelser - på meget højere niveauer end Jorden, faktisk - det kunne genopbygge atmosfæren. De første signifikante JWST-resultater for TRAPPIST-1 vil være:Hvilke verdener beholdt atmosfærer? Og hvilke typer atmosfærer er det?

Jeg er stille og roligt optimistisk over, at de har atmosfærer på grund af disse reservoirer, som vi stadig opdager. Men jeg er villig til at blive overrasket over dataene.

Hvilke typer signaler vil JWST og andre observatorier lede efter i atmosfæren på TRAPPIST-1 exoplaneter. Sandsynligvis det nemmeste signal at se efter vil være tilstedeværelsen af ​​kuldioxid.

Q:Er CO2 en biosignatur?

Ikke alene, og ikke kun fra et enkelt signal. Jeg siger altid til mine elever - se rigtigt, se til venstre. Både Venus og Mars har atmosfærer med høje niveauer af CO2, men intet liv. I jordens atmosfære, CO2-niveauet tilpasser sig vores årstider. Om foråret, niveauerne trækker ned, når planter vokser og tager CO2 ud af atmosfæren. I efteråret, planter nedbrydes og CO2 stiger. Så hvis du ser sæsonbestemt cykling, det kan være en biosignatur. Men sæsonbestemte observationer er meget usandsynlige med JWST.

I stedet, JWST kan lede efter en anden potentiel biosignatur, metangas i nærvær af CO2. Metan skal normalt have en kort levetid med CO2. Så hvis vi opdager begge sammen, noget producerer formentlig aktivt metan. På jorden, det meste af metanen i vores atmosfære produceres af livet.

Q:Hvad med at detektere ilt?

Ilt alene er ikke en biosignatur. Det afhænger af dets niveauer og hvad der ellers er i atmosfæren. Du kan få en iltrig atmosfære fra tabet af et hav, for eksempel:Lys spalter vandmolekyler til brint og ilt. Brint slipper ud i rummet, og ilt ophobes i atmosfæren.

JWST vil sandsynligvis ikke direkte opsamle ilt fra oxygenisk fotosyntese - den biosfære, vi er vant til nu. Det ekstremt store teleskop og relaterede observatorier kan muligvis, fordi de vil se på en anden bølgelængde end JWST, hvor de vil have en bedre chance for at se ilt. JWST vil være bedre til at opdage biosfærer svarende til det, vi havde på Jorden for milliarder af år siden, og til at skelne mellem forskellige typer atmosfærer.

Q:Hvad er nogle af de forskellige typer atmosfærer, som TRAPPIST-1 exoplaneter kan besidde?

M-dværgens fase med høj lysstyrke kan drive en planet mod en atmosfære med en løbsk drivhuseffekt, ligesom Venus. Som jeg sagde tidligere, du kan miste et hav og få en iltrig atmosfære. En tredje mulighed er at have noget mere jordagtigt.

Q:Lad os tale om den anden mulighed. Hvordan kunne JWST afsløre en iltrig atmosfære, hvis den ikke kan detektere ilt direkte?

Skønheden ved JWST er, at den kan opfange processer, der sker i en exoplanets atmosfære. Det vil opfange signaturerne af kollisioner mellem iltmolekyler, hvilket vil ske oftere i en iltrig atmosfære. Så vi kan sandsynligvis ikke se iltmængder forbundet med en fotosyntetisk biosfære. Men hvis en meget større mængde ilt blev efterladt fra havtab, vi kan sandsynligvis se kollisioner af ilt i spektret, og det er sandsynligvis et tegn på, at exoplaneten har mistet et hav.

Så, JWST vil næppe give os afgørende bevis for biosignaturer, men kan give nogle fristende hints, som kræver yderligere opfølgning og - fremadrettet - at tænke på nye missioner ud over JWST. NASA overvejer allerede nye missioner. Hvad vil vi gerne have, at deres evner skal være?

Det bringer mig også til et meget vigtigt punkt:Exoplanetvidenskab er massivt tværfagligt. At forstå miljøet i disse verdener kræver at man overvejer kredsløb, sammensætning, historie og værtsstjerne - og kræver input fra astronomer, geologer, atmosfæriske videnskabsmænd, stjernernes videnskabsmænd. Det kræver virkelig en landsby at forstå en planet.