Alternative Jorder:Karakteriserer Jorden i forskellige stadier af dens 4,5 milliarder år lange eksistens

For tre milliarder år siden, Jorden var et meget andet sted. Solen, der skinnede på dens oceaner og kontinenter, var ikke så lys, som den er i dag, og snarere end den iltrige atmosfære, mennesker har brug for for at overleve, metan spillede en meget større rolle i det gaslag, der omsluttede vores unge planet. På trods af deres forskelle, denne tidlige Jord og vores nuværende har noget vigtigt til fælles:de kunne begge understøtte livet.

I meget af sin eksistens, Jorden har været beboet. Men hvis forskere fjernanalyserede atmosfæren på den unge jord, de kunne have gået glip af beviserne for livet.

"Jorden har været mange forskellige ting, " siger Timothy Lyons, en professor ved Institut for Jord- og Planetvidenskab ved University of California, Riverside. "Det er en bemærkelsesværdig historie, at vores planet har bevaret beboelighed så længe."

Lyons leder NASA Astrobiology Institutes "Alternative Earths"-hold, hvor forskere karakteriserer Jorden i forskellige stadier i dens 4,5 milliarder år lange eksistens.

"Vi ser på Jordens fortid for at forfine vores evne til at lede efter biosignaturer [livets kemiske fingeraftryk] ud over vores planet og solsystem, " siger han. "Det er ekstrasolare planeter, der interesserer os mest."

I øjeblikket, der er mere end 4, 000 kendte exoplaneter og tusindvis flere afventer bekræftelse. Forskere udvikler fjerntliggende metoder til at se, om disse planeter er potentielt beboelige og måske endda beboede. Signaturerne for ethvert fjernt liv vil højst sandsynligt blive fundet i de gasser, der tilhører atmosfæren på en exoplanet.

Jorden i forandring

Mens Jorden er det eneste sted i universet, der er kendt for at rumme liv, der er mange andre tidligere, alternative versioner af vores hjemmeplanet, som det ændrede sig gennem tiden, som også lod livet overleve og trives.

"I mere end fire milliarder år, Jorden har haft oceaner, og vi har haft liv det meste af den tid, alligevel har Jorden ændret sig så dybt gennem sin historie, " siger Lyons.

Gennem forskningsprogrammet Alternative Earths, holdet er i stand til at "tage denne indsamlede viden om de forskellige tilstande på vores beboelige og beboede planet og udvide denne forståelse højere - bogstaveligt talt - til atmosfæren på en fjern planet."

Ved at kombinere data fra geologien, kemi, og biologi af jordens kontinenter, oceaner, og atmosfærer fra forskellige tidsperioder, Alternative Earths-teamet modellerer, hvordan atmosfærerne på disse tidlige jorder ville have set ud baseret, delvis, om forhold til livet i de underliggende oceaner. Denne evne til at modellere gamle atmosfærer og udvide erfaringerne til atmosfærer omkring fjerne planeter er afgørende for jagten på potentielt beboelige planeter uden for vores solsystem.

"Jorden har allerede lært os mange forskellige lektioner, " siger Lyons. "[Vores forskning] leder ikke efter en anden jord i sig selv. Det handler mere om at lede efter de forskellige dele af, hvad det er at være en planet, der kan opretholde liv. Når du først ved, hvad disse processer gør på en planet som Jorden, du kan samle dem i utallige andre planetariske scenarier, der måske eller måske ikke er i stand til at gøre det samme."

Specifikt, holdet undersøger tre forskellige gamle jorder ved at indsamle data fra klipper for at skabe et billede af geologien, kemi, og planetens biologi på de tidspunkter. Kapitlerne af særlig interesse spænder fra 3,2 til 2,4 milliarder år siden, da de tidligste former for liv begyndte at frigive ilt til atmosfæren via fotosyntese; 2,4 til 2,0 milliarder år siden, da den "store oxidationsbegivenhed" fandt sted, og ilt oversvømmede Jordens atmosfære og oceaner; og for 2,0 milliarder til 500 millioner år siden, da livet blev mere og mere komplekst, sætter scenen for de organismer, der ville udvikle sig til at blive de skabninger, der bebor Jorden i dag.

"Forståelse af udviklingen af ​​vores egen planet, inklusive stadier af bemærkelsesværdig stabilitet såvel som episoder med uro, er et væsentligt første skridt mod at forstå mangfoldigheden af ​​beboelige planeter og liv, som vi kan støde på i universet, " siger teammedlem Stephanie Olson fra University of Chicago. Olson har specialiseret sig i samspillet mellem havet og atmosfæren på den tidlige Jord.

Tegninger for beboelighed

Forskere kan også justere deres planetmodeller for at skabe et uendeligt antal tegninger for muligvis beboelige exoplaneter. For eksempel, de kan bruge modeller, der kan fremskynde planetens rotation, justere hældningen af ​​sin akse, læg alle kontinenterne i én halvkugle (eller fjern dem helt), eller tillade den ene side af planeten at vende konstant mod sin stjerne. Kontinenter er en integreret del af havenes beboelighed. Gennem forvitring af jordoverflader, næringsstoffer kommer ind i havene for at nære livet i dem, og disse landmassers positioner og højder ændrer, hvordan disse næringsstoffer bevæger sig til og gennem havene.

"Disse faktorer påvirker også kommunikationen mellem havet og atmosfæren, og dermed sporbarheden af ​​liv i havet, "Olson siger. "Forståelse af, hvordan planetariske parametre påvirker biologisk aktivitet og hav-atmosfære-forbindelse kan hjælpe med at identificere de mest lovende mål for påvisning af exoplanet-liv, som vil være mindst sårbare over for falske negative biosignaturer."

Muligheden for falske negativer - når der faktisk er liv på en exoplanet, men signaturerne på det liv undslipper opdagelse - fascinerer Alternative Earths-teamet.

I et papir fra 2017 ledet af Chris Reinhard ved Georgia Tech, Alternative Earths-holdet markerede faren for falske negativer i jagten på beboelige planeter. Tilstedeværelsen af ​​både metan og ilt i en atmosfære er blevet betragtet som en guldstandard i søgen efter fjerntliggende liv. Disse to gasser bør ikke eksistere side om side i nævneværdige mængder, da de reagerer hurtigt med hinanden, men levende organismer kan konstant genopbygge dem i atmosfæren, lader denne uligevægt fortsætte.

Imidlertid, hvis forskerne så på den tidlige Jord over de fleste, hvis ikke alle, af dens historie, de har måske ikke været i stand til at detektere både metan og ilt i den gamle atmosfære, på trods af at livet har været til stede i det meste af den tid.

"[At påvise] atmosfærisk metan ville have været problematisk i det meste af de sidste ~2,5 milliarder år af Jordens historie, Reinhard og kolleger skriver. For klippeverdener med oceaner, såsom Jorden, disse gasser kan genbruges i havene, i stedet for at kunne spores i atmosfæren. Denne mulighed indebærer, at "planeter, der er mest befordrende for udvikling og vedligeholdelse af en omsiggribende biosfære, såsom dem med forvitrende kontinenter og store oceaner, vil ofte være udfordrende at karakterisere ved hjælp af konventionelle atmosfæriske biosignaturer, " de skriver.

Derudover selvom både ilt og metan er til stede, de er ikke nødvendigvis produkter af liv.

Ilt kan være resultatet af fotosyntese, og mikrober producerer metan, men de kan også dannes gennem fotokemiske og geologiske processer. Faktisk, NASA Astrobiology Institute har et hold, der undersøger metanproduktion via geologiske snarere end biologiske reaktioner.

"Produkterne af disse reaktioner kunne opretholde livet på en havverden, men selve gasserne har måske intet med livet at gøre, " siger Lyons. "Man kan ikke vurdere, hvad gasserne betyder uden en streng kontekst."

"Vi ser typisk beboelighed som binært:en planet kan enten understøtte liv, eller den kan ikke, men der eksisterer sandsynligvis et spektrum af beboelighed, " tilføjer Olson.

En proxy for ilt

Forskere fra Alternative Earths-teamet kombinerer, hvad de ved om de forskellige tilstande på vores planet og bruger deres data og tilhørende computersimuleringer til at generere eksempler på, hvilke kemiske fingeraftryk, eller syntetiske spektre, videnskabsmænd bør lede efter omkring exoplaneter.

Lyons peger på ozon og sæsonbestemte som særligt vigtige i søgen efter liv på andre planeter.

"Vi er store fans af ozon [O ₃ ] fordi det lettere kan påvises ved spektroskopiske teknikker end [molekylært] oxygen [O ₂ ]", siger han. "Vi vil se efter ozon og dets tidsmæssige variation som en proxy for O ₂ og dets sæsonbestemte."

Opdagelsen af ​​mulige falske negativer ved hjælp af traditionelle livsdetektionsmetoder har fået holdet til at tænke på nye og måske endnu mere robuste livstegn. "Det har været den sjoveste del, " siger Lyons.

Mens O ₂ kan have været svært at opdage fjernt fra den unge jord, ozon, som dannes af O ₂ , har måske ikke været. Dette er kun et eksempel på de mange måder, hvorpå Jordens historie informerer vores valg af mulige exoplanetariske mål til livsdetektion.

Imidlertid, hvis astrobiologer vil være i stand til at lede efter ozon på exoplaneter, de skal presse på for at få disse eksperimenter med på fremtidige missioner.

"Vi begynder kun at få data fra andre planeter, " siger Lyons. "For at erhverve de rigtige data fra disse planeter i fremtiden, vi skal begynde at planlægge nu."

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NASAs Astrobiology Magazine. Udforsk Jorden og videre på www.astrobio.net.