LIFE-teleskopet bestod sin første test, der opdagede biosignaturer på Jorden

Vi ved, at der er tusindvis af exoplaneter derude, med mange millioner flere, der venter på at blive opdaget. Men langt de fleste exoplaneter er simpelthen ubeboelige. For de få, der kan være beboelige, kan vi kun afgøre, om de er det ved at undersøge deres atmosfærer. LIFE, det store interferometer for exoplaneter, kan hjælpe.

Søgningen efter biosignaturer på potentielt beboelige exoplaneter er ved at blive varmere. JWST har med succes indsamlet nogle atmosfæriske spektre fra exoplanetatmosfærer, men den har en masse andre opgaver at udføre, og observation af tid er meget efterspurgt. Et planlagt rumteleskop ved navn LIFE er dedikeret til at finde exoplanetbiosignaturer, og for nylig gav forskere det en test:kan det opdage Jordens biosignaturer?

Som et interferometer består LIFE af fem separate teleskoper, der vil arbejde sammen for at udvide teleskopets arbejdsstørrelse. LIFE udvikles af ETH Zürich (Federal Institute of Technology Zürich) i Schweiz. LIFE vil observere midt-infrarødt, hvor spektrallinjerne fra de vigtige bioindikative kemikalier ozon, methan og dinitrogenoxid kan findes.

LIFE vil blive placeret ved Lagrange Point 2, omkring 1,5 millioner km (1 million miles) væk, hvor JWST også er placeret. Fra det sted vil den observere en liste over exoplanetmål i håb om at finde biosignaturer. "Vores mål er at detektere kemiske forbindelser i lysspektret, der antyder liv på exoplaneterne," forklarede Sascha Quanz, professor i exoplaneter og beboelighed ved ETH Zürich, som leder LIFE-initiativet.

LIFE er stadig kun et koncept, og forskerne ønskede at teste dets ydeevne. Da det ikke er blevet bygget endnu, brugte et team af forskere Jordens atmosfære som en testcase. De behandlede Jorden, som om den var en exoplanet og testede LIFEs metoder mod Jordens kendte atmosfæriske spektrum under forskellige forhold. De brugte et værktøj kaldet LIFEsim til at arbejde med dataene. Forskere bruger ofte simulerede data til at teste missionsevner, men i dette tilfælde brugte de rigtige data.

Deres resultater er offentliggjort i The Astronomical Journal . Forskningen har titlen "Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). XII. Detectability of Capstone Biosignatures in the Mid-infrared-Sniffing Exoplanetary Latter Gas and Methylated Halogens." Hovedforfatteren er Dr. Daniel Angerhausen, en astrofysiker og astrobiolog ved ETH i Zürich.

I et scenarie i den virkelige verden ville Jorden bare være et fjernt, næsten umuligt at skelne pletter. Alt, hvad LIVET ville se, er planetens atmosfæriske spektrum, som ville ændre sig over tid afhængigt af, hvilke visninger teleskopet fangede og, kritisk, hvor længe det observerede det.

Disse spektre ville blive indsamlet over tid, og det fører til et vigtigt spørgsmål:hvordan ville observationsgeometrien og sæsonbestemte variationer påvirke LIFEs observationer?

Heldigvis for forskerholdet har vi rigelige observationer af Jorden, som de kan arbejde med. Forskerne arbejdede med tre forskellige observationsgeometrier:to visninger fra polerne og en fra ækvatorialområdet. Fra disse tre synspunkter arbejdede de med atmosfæriske data fra januar og juli, som tegner sig for de største sæsonmæssige variationer.

Selvom planetariske atmosfærer kan være ekstremt komplekse, fokuserer astrobiologer på visse aspekter for at afsløre en planets potentiale til at være vært for liv. Af særlig interesse er kemikalierne N₂ 0, CH₃ Cl og CH₃ Br (nitrogenoxid, chlormethan og brommethan), som alle kan fremstilles biogent. "Vi bruger et sæt scenarier afledt af kemiske kinetikmodeller, der simulerer den atmosfæriske reaktion af forskellige niveauer af biogen produktion af N₂ O, CH₃ Cl og CH₃ Br i O₂ -rige jordiske planetatmosfærer til at producere fremadrettede modeller til vores LIFEsim-observationssimulatorsoftware," skriver forfatterne.

Især ville forskerne vide, om LIFE vil være i stand til at påvise CO₂ , vand, ozon og metan på planeten Jorden fra omkring 30 lysår væk. Disse er tegn på en tempereret, livbærende verden – især ozon og metan, som produceres af livet på Jorden – så hvis LIV kan detektere biologisk kemi på Jorden på denne måde, kan det opdage det på andre verdener.

LIFE var i stand til at detektere CO₂ , vand, ozon og metan på Jorden. Det opdagede også nogle overfladeforhold, der indikerer flydende vand. Spændende nok afhang LIFEs resultater ikke af, hvilken vinkel Jorden ses fra. Dette er vigtigt, da vi ikke ved, hvilke vinkler LIFE vil observere exoplaneter fra.

Sæsonudsving er det andet problem, og de var ikke så lette at observere. Men heldigvis ser det ud til, at det ikke vil være en begrænsende faktor. "Selv om atmosfærisk sæsonbestemt ikke let kan observeres, viser vores undersøgelse, at næste generations rummissioner kan vurdere, om nærliggende tempererede terrestriske exoplaneter er beboelige eller endda beboede," sagde Quanz.

Det er dog ikke nok at opdage de ønskede kemikalier. Den kritiske brik er, hvor lang tid det tager. At bygge et ruminterferometer, der opdagede disse kemikalier, men som tog for meget tid at gøre det, ville ikke være praktisk eller effektivt. "Vi bruger resultaterne til at udlede observationstider, der er nødvendige for at opdage disse scenarier og anvender dem til at definere videnskabelige krav til missionen," skriver forskerholdet i deres papir.

For at tegne et større billede af LIFEs observationstider udviklede forskerne en liste over mål. De skabte en "... afstandsfordeling af HZ-planeter med radier mellem 0,5 og 1,5 jordradier omkring stjerner af M- og FGK-typen inden for 20 pct. af solen, som kan detekteres med LIV." Dataene for disse mål kommer fra NASA og fra anden tidligere forskning.

Resultaterne viser, at der kun er brug for et par dage for nogle mål, mens det for andre kan tage op til 100 dage at opdage relevante mængder.

Det, holdet kalder "gyldne mål", er de nemmeste at observere. Planeter i Proxima Centauri er et eksempel på disse typer mål. Kun et par dages observation er nødvendig for disse planeter. Det vil tage omkring ti dages observationer med LIFE at observere "visse standardscenarier såsom tempererede, terrestriske planeter omkring M-stjerneværter ved fem pc'er," skriver forskerne. De mest udfordrende tilfælde, der stadig er mulige, er exoplaneter, der er Jordens tvillinger omkring 5 parsec væk. Ifølge resultaterne har LIFE brug for mellem omkring 50-100 dages observation for at opdage biosignaturerne.

LIVET er stadig kun en potentiel mission på dette tidspunkt. Det er ikke den første foreslåede mission, der udelukkende vil være fokuseret på exoplanets beboelighed. I 2023 foreslog NASA Habitable Worlds Observatory (HWO). Dens mål er direkte at afbilde mindst 25 potentielt beboelige verdener og derefter søge efter biosignaturer i deres atmosfærer.

Men ifølge forfatterne viser deres resultater, at LIV er den bedste mulighed.

"Hvis der er exoplanetære systemer af sen type stjerne i solområdet med planeter, der udviser globale biosfærer, der producerer N₂ O og CH₃ X-signaler, LIFE vil være den bedst egnede fremtidige mission til systematisk at søge efter og til sidst opdage dem," konkluderer de.

Flere oplysninger: Daniel Angerhausen et al., Large Interferometer For Exoplanets (LIFE). XII. Detekterbarheden af ​​Capstone-biosignaturer i det mellem-infrarøde - sniffede exoplanetariske lattergas og methylerede halogener, The Astronomical Journal (2024). DOI:10.3847/1538-3881/ad1f4b

Leveret af Universe Today