Hvis exoplaneter har lyn, vil det komplicere søgen efter liv

At opdage exoplaneter er næsten rutine nu. Vi har fundet over 5.500 exoplaneter, og næste skridt er at studere deres atmosfærer og lede efter biosignaturer. James Webb-rumteleskopet fører an i denne indsats. Men i nogle exoplanetatmosfærer kunne lyn gøre JWST's arbejde vanskeligere ved at skjule nogle potentielle biosignaturer, mens de forstærker andre.

At opdage biosignaturer i atmosfæren på fjerne planeter er fyldt med vanskeligheder. De reklamerer ikke for deres tilstedeværelse, og de signaler, vi modtager fra exoplanetatmosfærer, er komplicerede. Ny forskning tilføjer endnu en komplikation til indsatsen. Den siger, at lyn kan maskere tilstedeværelsen af ​​ting som ozon, en indikation af, at komplekst liv kunne eksistere på en planet. Det kan også forstærke tilstedeværelsen af ​​forbindelser som metan, som anses for at være en lovende biosignatur.

Den nye forskning har titlen "Effekten af ​​lyn på den atmosfæriske kemi af exoplaneter og potentielle biosignaturer," og den er blevet accepteret til offentliggørelse i tidsskriftet Astronomy and Astrophysics . Den er tilgængelig på arXiv preprint server. Hovedforfatteren er Patrick Barth, en forsker fra rumforskningsinstituttet ved det østrigske videnskabsakademi.

Mens vi har opdaget over 5.500 exoplaneter, er kun 69 af dem i de potentielt beboelige zoner omkring deres stjerner. De er klippeplaneter, der modtager nok energi fra deres stjerner til potentielt at opretholde flydende vand på deres overflader. Vores søgen efter biosignaturer er fokuseret på dette lille antal planeter.

Det vigtige næste skridt er at afgøre, om disse planeter har atmosfærer, og derefter hvad sammensætningen af ​​disse atmosfærer er. JWST er vores mest kraftfulde instrument til disse formål. Men for at forstå, hvad JWST viser os i fjerne atmosfærer, er vi nødt til at vide, hvad dets signaler fortæller os. Forskning som denne hjælper videnskabsmænd med at forberede sig på JWST's observationer ved at advare dem om potentielle falske positiver og maskerede biosignaturer.

I deres forskning kombinerede forfatterne laboratorieforsøg med fotokemisk og strålingsoverførselsmodellering. Atmosfærer kan være ekstraordinært komplekse, og ingen to exoplaneter har sandsynligvis de samme atmosfæriske kvaliteter. Men fysik og kemi dikterer, hvad der kan ske, og fotokemiske og strålingsoverførselsmodeller kan håndtere tusindvis af forskellige typer kemiske reaktioner i atmosfæren.

I laboratorieforsøgene stod gnistudladning for lynet. Forskerne fokuserede på atmosfærer indeholdende N₂ , CO₂ og H₂ og de forskellige produkter lynet producerede. Anden forskning har gjort det samme, men dette arbejde er anderledes. Tidligere forskning fokuserede på enten individuelle produkter eller kun et lille antal produkter. Men Barth og hans kolleger udvidede det arbejde. De undersøgte produktionen af ​​et bredere udvalg af kemikalier.

Det gjorde det muligt for dem at "... undersøge tendenser i vores eksperimenter vedrørende oxidationstilstanden af ​​lynprodukter og indflydelsen af ​​vanddamp," forklarer de. "Vi var især interesseret i lynets effekt på produktionen af ​​potentielle (anti-)biosignaturer i forbindelse med aktuelle og kommende observationer af exoplanetariske atmosfærer."

Forskerne fandt ud af, at lynets effekt på biosignaturer afhænger af typen af ​​atmosfære og mængden af ​​lyn. De så på to brede typer atmosfærer:reducerende og oxiderende. En reducerende atmosfære har ingen oxygen eller andre oxiderende gasser og kan ikke producere nogen oxiderede forbindelser. En oxiderende atmosfære er det modsatte. Det indeholder ilt, som producerer oxiderede forbindelser.

Deres resultater viser, at for en planet med overfladevand og beboelige forhold med en let reducerende eller let oxiderende atmosfære, er det mindre sandsynligt, at lyn producerer falske positiver. Forfatterne forudsiger, at "... for den slags atmosfærer, der er studeret her, er lyn ikke i stand til at producere en falsk-positiv NH₃ eller CH₄ biosignatur." De siger, at det også er usandsynligt, at lyn kunne producere en falsk positiv N₂ O biosignatur.

Men lynet producerede nogle forbindelser, herunder CO og NO. Forskerne brugte produktionshastighederne af begge kemikalier til at beregne, hvordan lynhurtigheden påvirker atmosfærens kemiske sammensætning. Dernæst anvendte de denne model på planeter på størrelse med Jorden i solens beboelige zoner og TRAPPIST-1 for både oxiske og anoxiske atmosfærer. De udførte simuleringer af disse scenarier på planeter med og uden biosfærer. De beregnede også de simulerede spektre fra disse verdener for at identificere kemiske signaturer.

Deres resultater? "Vi finder ud af, at lyn ikke er i stand til at producere en falsk-positiv CO-anti-biosignatur på en beboet planet," forklarer forfatterne. "I en iltrig atmosfære kan lynhastigheder, der kun er et par gange højere end den moderne Jords, maskere O₃ [ozon] biosignatur."

Men i andre situationer kan lyn forhindre falske positiver. I en anoxisk atmosfære på en planet, der kredser om en gammel rød dværg, kan lyn, der er hyppigere end Jordens, fjerne én type forvirrende falsk positiv.

"Tilsvarende, i en anoxisk, abiotisk atmosfære på en planet, der kredser om en sen M-dværg, kan lyn med flashhastigheder ti gange eller mere end den moderne Jords, fjerne den abiotiske ozonegenskab, der produceres af CO₂ fotolyse, der forhindrer en falsk-positiv biosignaturdetektion," forklarer de. At sige, at det er kompliceret, er en underdrivelse.

Der er endnu et twist. Lyn forhindrer muligvis ikke andre vigtige falske positiver. "... lyn kan muligvis ikke forhindre alle falsk-positive O₂ scenarier for CO₂ -rige terrestriske planeter, der kredser om ultracool M-dværge," skriver forfatterne.

Dem med øje for ironi vil måske bemærke nogle her. Forskere er ret sikre på, at lynet spillede en rolle i livet på Jorden ved at give den energiske gnist, der fik bolden til at rulle. Men det faktum, at lyn også kunne gøre det sværere for os at opdage livet, er noget ironisk.

Men ironi er et menneskeligt udspil. Naturen er ligeglad. Den gør, hvad den gør, og det er op til os at finde ud af det.

"Opsummeret giver vores arbejde nye begrænsninger for den fulde karakterisering af atmosfæriske og overfladeprocesser på exoplaneter," konkluderer forfatterne.

Flere oplysninger: Patrick Barth et al., Effekten af ​​lyn på den atmosfæriske kemi af exoplaneter og potentielle biosignaturer, arXiv (2024). DOI:10.48550/arxiv.2402.13682

Journaloplysninger: arXiv , Astronomi og astrofysik

Leveret af Universe Today