For at søge efter fremmed liv vil astronomer lede efter spor i atmosfæren på fjerne planeter

Ingredienserne til livet er spredt over hele universet. Mens Jorden er det eneste kendte sted i universet med liv, er det et vigtigt mål for moderne astronomi og planetarisk videnskab at opdage liv uden for Jorden.

Vi er to videnskabsmænd, der studerer exoplaneter og astrobiologi. I høj grad takket være næste generations teleskoper som James Webb, vil forskere som os snart være i stand til at måle den kemiske sammensætning af atmosfærer på planeter omkring andre stjerner. Håbet er, at en eller flere af disse planeter vil have en kemisk signatur af liv.

Beboelige exoplaneter

Der eksisterer muligvis liv i solsystemet, hvor der er flydende vand - som de underjordiske grundvandsmagasiner på Mars eller i oceanerne på Jupiters måne Europa. Men at søge efter liv på disse steder er utroligt vanskeligt, da de er svære at nå, og at opdage liv ville kræve at sende en sonde for at returnere fysiske prøver.

Mange astronomer mener, at der er en god chance for, at der eksisterer liv på planeter, der kredser om andre stjerner, og det er muligt, at det er her, livet først vil blive fundet.

Teoretiske beregninger tyder på, at der er omkring 300 millioner potentielt beboelige planeter i Mælkevejsgalaksen alene og flere beboelige planeter på størrelse med Jorden inden for kun 30 lysår fra Jorden - i det væsentlige menneskehedens galaktiske naboer. Indtil videre har astronomer opdaget over 5.000 exoplaneter, inklusive hundredvis af potentielt beboelige, ved hjælp af indirekte metoder, der måler, hvordan en planet påvirker sin nærliggende stjerne. Disse målinger kan give astronomer information om massen og størrelsen af ​​en exoplanet, men ikke meget andet.

Leder efter biosignaturer

For at opdage liv på en fjern planet vil astrobiologer studere stjernelys, der har interageret med en planets overflade eller atmosfære. Hvis atmosfæren eller overfladen blev forvandlet af liv, kan lyset bære et spor, kaldet en "biosignatur."

I den første halvdel af sin eksistens havde Jorden en atmosfære uden ilt, selvom den var vært for simpelt, encellet liv. Jordens biosignatur var meget svag i denne tidlige æra. Det ændrede sig brat for 2,4 milliarder år siden, da en ny familie af alger udviklede sig. Algerne brugte en fotosynteseproces, der producerer frit ilt - ilt, der ikke er kemisk bundet til noget andet element. Fra det tidspunkt af har Jordens iltfyldte atmosfære efterladt en stærk og let påviselig biosignatur på lys, der passerer gennem den.

Når lys preller af overfladen af ​​et materiale eller passerer gennem en gas, er der større sandsynlighed for, at visse bølgelængder af lyset forbliver fanget i gassen eller materialets overflade end andre. Denne selektive indfangning af lysets bølgelængder er grunden til, at objekter har forskellige farver. Blade er grønne, fordi klorofyl er særlig god til at absorbere lys i de røde og blå bølgelængder. Når lys rammer et blad, absorberes de røde og blå bølgelængder, og det efterlader for det meste grønt lys til at hoppe tilbage i dine øjne.

Mønstret af manglende lys bestemmes af den specifikke sammensætning af det materiale, lyset interagerer med. På grund af dette kan astronomer lære noget om sammensætningen af ​​en exoplanets atmosfære eller overflade ved i det væsentlige at måle den specifikke farve af lys, der kommer fra en planet.

Denne metode kan bruges til at genkende tilstedeværelsen af ​​visse atmosfæriske gasser, der er forbundet med liv - såsom oxygen eller metan - fordi disse gasser efterlader meget specifikke signaturer i lyset. Det kunne også bruges til at opdage ejendommelige farver på overfladen af ​​en planet. På Jorden, for eksempel, fanger klorofyl og andre pigmenter, som planter og alger bruger til fotosyntese, specifikke bølgelængder af lys. Disse pigmenter producerer karakteristiske farver, der kan detekteres ved at bruge et følsomt infrarødt kamera. Hvis du skulle se denne farve reflektere fra overfladen af ​​en fjern planet, ville det potentielt betyde tilstedeværelsen af ​​klorofyl.

Teleskoper i rummet og på jorden

Det kræver et utroligt kraftfuldt teleskop at opdage disse subtile ændringer i lyset, der kommer fra en potentielt beboelig exoplanet. Indtil videre er det eneste teleskop, der er i stand til en sådan bedrift, det nye James Webb-rumteleskop. Da det begyndte videnskabelige operationer i juli 2022, tog James Webb en aflæsning af spektret af gasgiganten exoplanet WASP-96b. Spektret viste tilstedeværelsen af ​​vand og skyer, men en planet så stor og varm som WASP-96b vil sandsynligvis ikke være vært for liv.

Imidlertid viser disse tidlige data, at James Webb er i stand til at opdage svage kemiske signaturer i lys, der kommer fra exoplaneter. I de kommende måneder er Webb indstillet til at vende sine spejle mod TRAPPIST-1e, en potentielt beboelig planet på størrelse med Jorden kun 39 lysår fra Jorden.

Webb kan lede efter biosignaturer ved at studere planeter, når de passerer foran deres værtsstjerner, og fange stjernelys, der filtrerer gennem planetens atmosfære. Men Webb var ikke designet til at søge efter liv, så teleskopet er kun i stand til at granske nogle få af de nærmeste potentielt beboelige verdener. Det kan også kun registrere ændringer i atmosfæriske niveauer af kuldioxid, metan og vanddamp. Selvom visse kombinationer af disse gasser kan antyde liv, er Webb ikke i stand til at detektere tilstedeværelsen af ​​ubundet oxygen, som er det stærkeste signal for liv.

Førende koncepter for fremtidige, endnu mere kraftfulde rumteleskoper inkluderer planer om at blokere det skarpe lys fra en planets værtsstjerne for at afsløre stjernelys, der reflekteres tilbage fra planeten. Denne idé svarer til at bruge din hånd til at blokere sollys for bedre at se noget i det fjerne. Fremtidige rumteleskoper kunne bruge små, interne masker eller store, eksterne, paraplylignende rumfartøjer til at gøre dette. Når først stjernelyset er blokeret, bliver det meget lettere at studere lys, der preller fra en planet.

Der er også tre enorme, jordbaserede teleskoper under konstruktion, som vil være i stand til at søge efter biosignaturer:Giant Magellen Telescope, Thirty Meter Telescope og European Extremely Large Telescope. Hver af dem er langt kraftigere end eksisterende teleskoper på Jorden, og på trods af handicappet ved, at Jordens atmosfære forvrænger stjernelys, kan disse teleskoper muligvis undersøge atmosfærerne i de nærmeste verdener for ilt.

Er det biologi eller geologi?

Selv ved at bruge de mest kraftfulde teleskoper i de kommende årtier, vil astrobiologer kun være i stand til at opdage stærke biosignaturer produceret af verdener, der er blevet fuldstændig transformeret af livet.

Desværre kan de fleste gasser, der frigives af jordlevende liv, også produceres af ikke-biologiske processer - både køer og vulkaner frigiver metan. Fotosyntese producerer ilt, men det gør sollys også, når det spalter vandmolekyler til ilt og brint. Der er en god chance for, at astronomer vil opdage nogle falske positiver, når de leder efter fjerntliggende liv. For at hjælpe med at udelukke falske positiver bliver astronomer nødt til at forstå en planet af interesse godt nok til at forstå, om dens geologiske eller atmosfæriske processer kan efterligne en biosignatur.

Den næste generation af exoplanetundersøgelser har potentialet til at bestå overliggeren med de ekstraordinære beviser, der er nødvendige for at bevise eksistensen af ​​liv. Den første datafrigivelse fra James Webb-rumteleskopet giver os en fornemmelse af de spændende fremskridt, der snart kommer. + Udforsk yderligere

Webb afslører dampende atmosfære fra en fjern planet i detaljer

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.