Hvis astronomer ser isopren i atmosfæren i en fremmed verden, der er en god chance for, at der er liv der

Det er ingen overdrivelse at sige, at studiet af ekstrasolare planeter er eksploderet i de seneste årtier. Til dato, 4, 375 exoplaneter er blevet bekræftet i 3, 247 systemer, med yderligere 5, 856 kandidater afventer bekræftelse. I de seneste år, exoplanetundersøgelser er begyndt at gå fra opdagelsesprocessen til karakteriseringsprocessen. Denne proces forventes at accelerere, når næste generations teleskoper bliver operationelle.

Som resultat, astrobiologer arbejder på at skabe omfattende lister over potentielle "biosignaturer, " som henviser til kemiske forbindelser og processer, der er forbundet med liv (ilt, carbondioxid, vand, osv.) Men ifølge ny forskning fra et hold fra Massachusetts Institute of Technology (MIT), en anden potentiel biosignatur, vi bør være på udkig efter, er et kulbrinte kaldet isopren (C ₅ H ₈ ).

Undersøgelsen, der beskriver deres resultater, "Vurdering af isopren som en mulig biosignaturgas i exoplaneter med anoxiske atmosfærer, " for nylig optrådt online og er blevet accepteret til udgivelse af tidsskriftet Astrobiologi . Af hensyn til deres studie, MIT-holdet kiggede på den voksende liste over mulige biosignaturer, som astronomer vil være på udkig efter i de kommende år.

Til dato, langt de fleste exoplaneter er blevet opdaget og bekræftet ved hjælp af indirekte metoder. For det meste, astronomer har påberåbt sig transitmetoden (transitfotometri) og radialhastighedsmetoden (Dopplerspektroskopi), alene eller i kombination. Kun få har været sporbare ved hjælp af direkte billeddannelse, hvilket gør det meget vanskeligt at karakterisere exoplanetatmosfærer og overflader.

Kun i sjældne tilfælde har astronomer været i stand til at opnå spektre, der gjorde det muligt for dem at bestemme den kemiske sammensætning af den planets atmosfære. Dette var enten resultatet af lys, der passerede gennem en exoplanets atmosfære, mens den passerede foran dens stjerne, eller i de få tilfælde, hvor direkte billeddannelse fandt sted, og lys reflekteret fra exoplanetens atmosfære kunne studeres.

Meget af dette har haft at gøre med grænserne for vores nuværende teleskoper, som ikke har den nødvendige opløsning til at observere mindre, klippeplaneter, der kredser tættere på deres stjerne. Astronomer og astrobiologer mener, at det er disse planeter, der med størst sandsynlighed er potentielt beboelige, men ethvert lys, der reflekteres fra deres overflader og atmosfærer, overmandes af lyset, der kommer fra deres stjerner.

Imidlertid, det vil ændre sig snart, efterhånden som næste generations instrumenter som James Webb Space Telescope (JWST) tager til rummet. Sara Seager, klassen af ​​1941 professor i fysik og planetariske videnskaber ved MIT, leder den ansvarlige forskningsgruppe (alias Seager-gruppen) og var medforfatter på papiret. Som hun fortalte Universe Today via e-mail:

"Med den kommende opsendelse af James Webb-rumteleskopet i oktober 2021 vil vi have vores første evne til at søge efter biosignaturgasser - men det vil være svært, fordi de atmosfæriske signaler fra en lille stenet planet er så svage til at begynde med. Med JWST på horisont er antallet af mennesker, der arbejder i marken, vokset enormt. Undersøgelser som denne, der kommer med nye potentielle biosignaturgasser, og andet arbejde, der viser potentielle falske positiver selv for gasser som ilt."

Når den er installeret og operationel, JWST vil være i stand til at observere vores univers ved længere bølgelængder (i det nær- og mellem-infrarøde område) og med stærkt forbedret følsomhed. Teleskopet vil også stole på en række spektrografer for at få kompositionsdata, samt koronagrafier for at blokere det slørende lys fra forældrestjerner. Denne teknologi vil gøre det muligt for astronomer at karakterisere atmosfæren på mindre klippeplaneter.

På tur, disse data vil gøre det muligt for forskere at sætte meget strammere begrænsninger på en exoplanets beboelighed og kan endda føre til påvisning af kendte (og/eller potentielle) biosignaturer. Som nævnt, disse "biosignaturer" omfatter de kemiske indikationer forbundet med liv og biologisk proces, for ikke at nævne de typer af forhold, der er gunstige for det.

Disse omfatter oxygengas (O ₂ ), som er afgørende for de fleste former for liv på Jorden og produceres af fotosyntetiske organismer (planter, træer, cyanobakterier, etc.). Disse samme organismer metaboliserer kuldioxid (CO ₂ ), som iltomsættende liv udleder som affaldsprodukt. Der er også vand (H ₂ O), som er afgørende for alt liv, som vi kender det, og metan (CH ₄ ), som udsendes af henfaldende organisk stof.

Da vulkansk aktivitet menes at spille en vigtig rolle i planetarisk beboelighed, de kemiske biprodukter forbundet med vulkanisme - svovlbrinte (H ₂ S), svovldioxid (SO ₂ ), kulilte (CO), brintgas (H ₂ ), osv. – betragtes også som biosignaturer. Til denne liste, Zhan, Seager, og deres kolleger ønskede at tilføje en anden mulig biosignatur - isopren. Som Zhan forklarede til Universe Today via e-mail:

"Vores forskningsgruppe ved MIT fokuserer på at bruge en holistisk tilgang til at udforske alle mulige gasser som potentiel biosignaturgas. Vores tidligere arbejde førte til oprettelsen af ​​databasen med alle små molekyler. Vi fortsætter med at filtrere ASM-databasen for at identificere den mest plausible biosignaturgas. kandidater, hvoraf den ene er isopren, ved hjælp af maskinlæring og datadrevne tilgange."

Ligesom sin fætter metan, isopren er et organisk kulbrintemolekyle, der produceres som en sekundær metabolit af forskellige arter her på Jorden. Ud over løvtræer, isopren produceres også af en bred vifte af evolutionært fjerne organismer - såsom bakterier, planter, og dyr. Som Seager forklarede, dette gør det lovende som en potentiel biosignatur:

"Isopren er lovende, fordi det produceres i enorme kvaliteter af livet på Jorden - lige så meget som metanproduktion! et stort udvalg af livsformer (fra bakterier til planter og dyr), dem, der er evolutionært fjernt fra hinanden, producere isopren, tyder på, at det måske er en slags nøglebyggesten, som livet andre steder også kan skabe."

Mens isopren er omtrent lige så rigeligt som metan her på Jorden, isopren ødelægges ved interaktion med ilt og iltholdige radikaler. Af denne grund, Zhang, Seager, og deres team valgte at fokusere på anoxiske atmosfærer. Dette er miljøer, der overvejende består af H ₂ , CO ₂ , og nitrogengas (N ₂ ), som svarer til, hvad Jordens oprindelige atmosfære var sammensat af.

Ifølge deres resultater, en primordial planet (hvor liv begynder at dukke op) ville have rigeligt med isopren i sin atmosfære. Dette ville have været tilfældet på Jorden for mellem 4 og 2,5 milliarder år siden, da encellede organismer var det eneste liv, og fotosyntetiske cyanobakterier langsomt omdannede Jordens atmosfære til en, der var iltrig.

For 2,5 milliarder år siden, dette kulminerede i "Great Oxygenation Event" (GOE), som viste sig giftigt for mange organismer (og metabolitter som isopren). Det var også i løbet af denne tid, at komplekse livsformer (eukaryoter og flercellede organismer) begyndte at dukke op. I denne henseende, isopren kunne bruges til at karakterisere planeter, der er midt i et stort evolutionært skift og lægger grunden til fremtidige dyrefyla.

Men som Zhang bemærkede, at drille denne potentielle biosignatur vil være en udfordring, selv for JWST:

"Forbeholdene med isopren som en biomarkør er, at:(1) 10x-100x jordens isoprenproduktionshastighed er nødvendig til detektion; (2) Detektering af nær-infrarød isoprenspektralfunktion kan forhindres af tilstedeværelsen af ​​metan eller andre kulbrinter. Unikt påvisning af isopren vil være udfordrende med JWST, da mange kulbrintemolekyler deler lignende spektretræk i nær-infrarøde bølgelængder. Men fremtidige teleskoper, der fokuserer på den midterste IR-bølgelængde, vil være i stand til at detektere isoprenspektrale træk unikt."

Ud over JWST, Nancy Grace Roman Space Telescope (efterfølgeren til Hubble-missionen) vil også tage ud i rummet i 2025. Dette observatorium vil have kraften fra 100 Hubbles, og dets nyligt opgraderede infrarøde filtre vil give det mulighed for at karakterisere exoplaneter på egen hånd og gennem samarbejder med JWST og andre "store observatorier."

Der er også flere jordbaserede teleskoper, der i øjeblikket bygges her på Jorden, som vil stole på sofistikerede spektrometre, koronografier og adaptiv optik (AO'er). Disse omfatter Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), Thirty Meter Telescope (TMT) Disse teleskoper vil også være i stand til at udføre direkte billedstudier af exoplaneter, og resultaterne forventes at være banebrydende.

Mellem forbedrede instrumenter, hurtigt at forbedre dataanalyse og teknikker, og forbedringer i vores metodologi, undersøgelsen af ​​exoplaneter forventes kun at accelerere yderligere. Ud over at have titusindvis af flere tilgængelige for studier (hvoraf mange vil være stenede og "jordlignende"), de hidtil usete udsigter, vi vil have af dem, vil lade os se, hvor mange beboelige verdener der er derude.

Hvorvidt dette vil resultere i opdagelsen af ​​udenjordisk liv inden for vores liv, er endnu uvist. Men én ting er klar. I de kommende år, når astronomer begynder at finkæmme alle de nye data, de vil have om exoplanetatmosfærer, de vil have en omfattende liste over biosignaturer til at vejlede dem.