Vi kunne finde udenjordiske civilisationer ved deres luftforurening

Kommende teleskoper vil give os mere kraft til at søge efter biosignaturer på alle de exoplaneter, vi har fundet. Meget af biosignatursamtalen er centreret om biogen kemi, såsom atmosfæriske gasser produceret af simple, encellede væsner. Men hvad nu hvis vi ønsker at søge efter teknologiske civilisationer, der kan være derude? Kunne vi finde dem ved at søge efter deres luftforurening?

Hvis en fjern civilisation gav vores planet et overfladisk blik i sin egen undersøgelse af fremmede verdener og teknosignaturer, de kunne ikke undgå at bemærke vores luftforurening.

Kunne vi vende bordet om dem?

Luftforurening som teknosignatur er ikke en helt ny idé. Et nyt papir ser på et specifikt kemisk forurenende stof, der er både biogent og menneskeskabt på Jorden:NEJ ₂ , eller nitrogendioxid. Forfatterne siger, at nitrogendioxid kunne detekteres som en teknosignatur på en jordlignende planet, der kredser om en sollignende stjerne med et 15 meter (49 fod) teleskop svarende til NASAs foreslåede Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR). Imidlertid, det ville tage flere hundrede timers observationstid.

Papiret, der præsenterer disse resultater, har titlen "Nitrogen Dioxide Pollution as a Signature of Extraterrestrial Technology." Den er tilgængelig på pre-press-siden arxiv.org og er endnu ikke blevet peer reviewed. Hovedforfatteren er Dr. Ravi Kopparapu, en forsker ved NASAs Goddard Space Flight Center.

I høj grad takket være Kepler-missionen og TESS-missionen, vi lever i en tid med opdagelse af exoplaneter. Vi kender nu til flere tusinde exoplaneter, og antallet bliver ved med at vokse. Astronomer har karakteriseret massen, massefylde, potentiel beboelighed, og andre egenskaber ved mange af dem.

Det næste trin er at studere atmosfæren på nogle af de tusindvis af bekræftede exoplaneter. Exoplanet-forskere venter spændt på den kommende opsendelse af James Webb Space Telescope (JWST.). JWST har evnen til at undersøge exoplanetatmosfærer i detaljer.

Andre kommende faciliteter såsom Atmospheric Remote-sensing Infrared Exoplanet Large-survey (ARIEL) rumteleskop og store jordbaserede observatorier såsom European Extremely Large Telescope (E-ELT), Thirty Meter Telescope (TMT) og Giant Magellan Telescope (GMT) vil også være i stand til at studere exoplaneter mere detaljeret.

Forskere har på forhånd forberedt sig på al den observationskraft for at forstå, hvad de skal kigge efter, og hvad de vil se, når de undersøger atmosfærer. Denne nye undersøgelse fokuserer på NO ₂ og hvordan det kan detekteres i disse atmosfærer. De nulstillede NEJ ₂ fordi det er produceret menneskeskabt gennem forbrænding og er et af de vigtigste teknologiske forurenende stoffer. Ikke alt produceres ved forbrænding, men noget af det er.

"Nogle NEJ ₂ på Jorden er produceret som et biprodukt af forbrænding, hvilket antyder muligheden for scenarier, hvor større produktion af NO ₂

understøttes af mere avanceret teknologi på en anden planet, " skriver de. "Detekterer høje niveauer af NO ₂ på niveauer over niveauet for ikke-teknologiske emissioner fundet på Jorden kunne være et tegn på, at planeten kan være vært for aktive industrielle processer."

For at finde ud af, hvordan det skal opdages, forskere brugte en simpel fotokemisk model og genererede syntetiske atmosfæriske spektre. De atmosfæriske spektre efterlignede, hvad astronomer kunne se på en fjern exoplanet, når planeten passerer sin sol.

Et af begreberne i undersøgelsen er geometrisk albedo. Det er forholdet mellem et himmellegemes lysstyrke ved en nulfasevinkel og en idealiseret perfekt reflekterende skive. Ved en fasevinkel nul, en observatør ville se direkte på lyskilden. Men på en exoplanet med en atmosfære, lyset er spredt, og vi ville aldrig se det i en nulfasevinkel. Den geometriske albedo hjælper astronomer med at løse det problem.

Selvom NEJ ₂ er sporbar, det vil tage lang tid at se det. Det 15 meter lange LUVOIR-teleskop ville tage omkring 400 timer at opdage NO ₂ på en jordlignende planet omkring en sollignende stjerne 10 parsec væk. Selvom det er en masse observationstid at afsætte til ét mål, det er ikke helt uden fortilfælde. Til sammenligning, Hubble Ultra Deep Field tog omkring 11,5 dage, eller 276 timers observationstid.

Undersøgelsen har en særhed ved sig. Teamet arbejder med atmosfærisk NO ₂ niveauer fra omkring 40 år siden, hvor koncentrationen i Jordens atmosfære var højere. Så hvis resultater som disse nogensinde blev fundet, og hvis de nogensinde blev bekræftet at være fra en teknologisk kilde, det ville være en civilisation, der var på jordniveau fra 40 år siden.

"Historisk set, USA NO ₂ koncentrationerne har varieret (faldet) med en faktor tre over en periode på 40 år, fra 1980-2019, " skriver forfatterne i avisen. "Derfor, vi kan udvide mulighederne for at opdage en teknologisk civilisation på det stadie, hvor Jordens civilisation var for 40 år siden. Det er muligt at forestille sig et mere højt industrialiseret samfund, der muligvis kunne operere i regimet fem gange Jorden NO ₂ niveau, gør det muligt at detektere det med LUVOIR-15m med endnu mindre observationstid end for nuværende jordforhold."

Men det går lidt foran tingene.

Bare at finde NEJ ₂ i en exoplanets atmosfære fortæller astronomerne ikke, hvordan den blev produceret. "Det er vigtigt at bemærke, at det at lægge begrænsninger på en planets NEJ ₂ overflod fra sit spektrum ville ikke endeligt svare på, om NEJ ₂ er biologisk eller abiotisk produceret. Man ville være nødt til at estimere de produktionshastigheder, der kræves for at producere det observerede NO ₂ overflod og vurdere, om abiotiske kilder alene kan opretholde den udledte produktionshastighed."

Det vil kræve meget mere arbejde, både observation og modellering, for at afgøre, om et NEJ ₂ signalet havde en teknologisk kilde. Men der er ingen tvivl om, at en utvetydig påvisning af teknologisk NO ₂ ville være en kæmpe begivenhed.

"Den serendipitøse påvisning af NO ₂ eller enhver anden potentiel kunstig atmosfærisk spektral signatur (CFC'er, for eksempel) kan blive et skelsættende begivenhed i søgen efter liv (biologisk eller teknologisk), " konkluderer forskerne. "Er det sandsynligt, at biosignaturer er mere udbredte end teknosignaturer? Vi ved det ikke med sikkerhed, før vi søger."