W poszukiwaniu obcego życia astronomowie będą szukać wskazówek w atmosferach odległych planet – Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba właśnie udowodnił, że jest to możliwe

Składniki życia są rozsiane po całym wszechświecie. Podczas gdy Ziemia jest jedynym znanym miejscem we wszechświecie, w którym istnieje życie, wykrycie życia poza Ziemią jest głównym celem współczesnej astronomii i nauk planetarnych.

Jesteśmy dwoma naukowcami, którzy badają egzoplanety i astrobiologię. W dużej mierze dzięki teleskopom nowej generacji, takim jak James Webb, naukowcy tacy jak my będą mogli wkrótce zmierzyć skład chemiczny atmosfer planet wokół innych gwiazd. Mamy nadzieję, że jedna lub więcej z tych planet będzie miała chemiczną sygnaturę życia.

Istnieje wiele znanych egzoplanet w strefach zamieszkiwalnych – orbitach nie za blisko gwiazdy, aby woda się zagotowała, ale nie tak daleko, aby planeta była zamarznięta – jak zaznaczono na zielono zarówno dla Układu Słonecznego, jak i dla systemu gwiezdnego Kepler-186 z jego planetami oznaczonymi jako b, c, d, e i f. NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech/Wikimedia Commons

Egzoplanety nadające się do zamieszkania

Życie może istnieć w Układzie Słonecznym tam, gdzie jest płynna woda – jak w podpowierzchniowych warstwach wodonośnych na Marsie lub w oceanach księżyca Jowisza – Europy. Jednak poszukiwanie życia w takich miejscach jest niezwykle trudne, ponieważ są one trudno dostępne, a wykrycie życia wymagałoby wysłania sondy, która zwróciłaby próbki fizyczne.

Wielu astronomów uważa, że istnieje duża szansa na istnienie życia na planetach krążących wokół innych gwiazd i możliwe, że właśnie tam zostanie ono po raz pierwszy znalezione.

Teoretyczne obliczenia sugerują, że w samej galaktyce Drogi Mlecznej znajduje się około 300 milionów potencjalnie nadających się do zamieszkania planet, a w odległości zaledwie 30 lat świetlnych od Ziemi kilka nadających się do zamieszkania planet wielkości Ziemi – czyli w zasadzie są to galaktyczni sąsiedzi ludzkości. Do tej pory astronomowie odkryli ponad 5000 egzoplanet, w tym setki potencjalnie nadających się do zamieszkania, używając metod pośrednich, które mierzą wpływ planety na jej pobliską gwiazdę. Pomiary te mogą dać astronomom informacje na temat masy i rozmiaru egzoplanety, ale niewiele więcej.

Każdy materiał absorbuje pewne długości fal świetlnych, jak pokazano na tym diagramie przedstawiającym długości fal świetlnych najłatwiej absorbowanych przez różne rodzaje chlorofilu. Daniele Pugliesi/Wikimedia Commons, CC BY-SA

Szukanie sygnatur biologicznych

Aby wykryć życie na odległej planecie, astrobiolodzy będą badać światło gwiazd, które weszło w interakcję z powierzchnią lub atmosferą planety. Jeśli atmosfera lub powierzchnia zostały przekształcone przez życie, światło może zawierać wskazówkę, zwaną „biosygnaturą”.

Przez pierwszą połowę swojego istnienia, Ziemia miała atmosferę bez tlenu, mimo że gościła proste, jednokomórkowe życie. Biosygnatura Ziemi była bardzo słaba podczas tej wczesnej ery. Zmieniło się to gwałtownie 2,4 miliarda lat temu, gdy wyewoluowała nowa rodzina alg. Algi wykorzystały proces fotosyntezy, w wyniku którego powstał wolny tlen – tlen, który nie jest chemicznie związany z żadnym innym pierwiastkiem. Od tego czasu atmosfera Ziemi wypełniona tlenem pozostawia silną i łatwo wykrywalną biosignaturę na świetle, które przez nią przechodzi.

Kiedy światło odbija się od powierzchni materiału lub przechodzi przez gaz, pewne długości fal światła częściej pozostają uwięzione na powierzchni gazu lub materiału niż inne. To selektywne wychwytywanie długości fali światła powoduje, że przedmioty mają różne kolory. Liście są zielone, ponieważ chlorofil szczególnie dobrze pochłania światło o czerwonej i niebieskiej długości fali. Gdy światło uderza w liść, czerwone i niebieskie fale są pochłaniane, pozostawiając głównie zielone światło, które odbija się od niego i trafia do oczu.

Wzór brakującego światła zależy od składu materiału, z którym światło wchodzi w interakcję. Z tego powodu astronomowie mogą dowiedzieć się czegoś o składzie atmosfery lub powierzchni egzoplanety, mierząc w istocie specyficzny kolor światła pochodzącego od planety.

Metoda ta może być wykorzystana do rozpoznania obecności pewnych gazów atmosferycznych, które są związane z życiem – takich jak tlen czy metan – ponieważ gazy te pozostawiają bardzo specyficzne ślady w świetle. Można by ją również wykorzystać do wykrywania osobliwych kolorów na powierzchni planety. Na Ziemi, na przykład, chlorofil i inne pigmenty używane przez rośliny i algi w procesie fotosyntezy wychwytują określone długości fal światła. Pigmenty te wytwarzają charakterystyczne kolory, które można wykryć za pomocą czułej kamery na podczerwień. Gdybyś zobaczył ten kolor odbijający się od powierzchni odległej planety, potencjalnie oznaczałby on obecność chlorofilu.

Teleskopy w kosmosie i na Ziemi

Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba jest pierwszym teleskopem zdolnym do wykrywania sygnatur chemicznych z egzoplanet, ale jego możliwości są ograniczone. NASA/Wikimedia Commons

Aby wykryć te subtelne zmiany w świetle pochodzącym od potencjalnie nadającej się do zamieszkania egzoplanety, potrzeba niezwykle potężnego teleskopu. Na razie jedynym teleskopem zdolnym do takiego wyczynu jest nowy Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba. Rozpoczynając operacje naukowe w lipcu 2022 roku, James Webb dokonał odczytu widma gazowego giganta egzoplanety WASP-96b. Widmo wykazało obecność wody i chmur, ale jest mało prawdopodobne, aby planeta tak duża i gorąca jak WASP-96b mogła gościć życie.

Jednak te wczesne dane pokazują, że James Webb jest w stanie wykryć słabe sygnatury chemiczne w świetle pochodzącym od egzoplanet. W najbliższych miesiącach Webb skieruje swoje lustra w stronę TRAPPIST-1e, potencjalnie nadającej się do zamieszkania planety wielkości Ziemi, znajdującej się zaledwie 39 lat świetlnych od Ziemi.

Webb może szukać sygnatur biologicznych badając planety, które przechodzą przed swoimi gwiazdami-gospodarzami i przechwytując światło gwiazdowe, które filtruje przez atmosferę planety. Jednak Webb nie został zaprojektowany do poszukiwania życia, więc teleskop jest w stanie zbadać tylko kilka najbliższych, potencjalnie nadających się do zamieszkania światów. Może on również wykryć jedynie zmiany w atmosferycznych poziomach dwutlenku węgla, metanu i pary wodnej. Podczas gdy pewne kombinacje tych gazów mogą sugerować życie, Webb nie jest w stanie wykryć obecności niezwiązanego tlenu, który jest najsilniejszym sygnałem dla życia.

Wiodące koncepcje przyszłych, jeszcze potężniejszych teleskopów kosmicznych obejmują plany blokowania jasnego światła gwiazdy-gospodarza planety, aby ujawnić światło gwiazdy odbite z powrotem od planety. Ten pomysł jest podobny do użycia dłoni do zablokowania światła słonecznego, aby lepiej zobaczyć coś w oddali. Przyszłe teleskopy kosmiczne mogłyby używać małych, wewnętrznych masek lub dużych, zewnętrznych, przypominających parasolki statków kosmicznych. Gdy światło gwiazd zostanie zablokowane, znacznie łatwiej będzie badać światło odbijające się od planety.

Obecnie w budowie są trzy ogromne teleskopy naziemne, które będą w stanie poszukiwać biosygnatur: Giant Magellen Telescope, Thirty Meter Telescope oraz European Extremely Large Telescope. Każdy z nich jest znacznie potężniejszy niż istniejące teleskopy na Ziemi i pomimo utrudnień związanych z ziemską atmosferą, która zniekształca światło gwiazd, te teleskopy mogą być w stanie zbadać atmosfery najbliższych światów w poszukiwaniu tlenu.

Zwierzęta, w tym krowy, produkują metan, ale podobnie jest z wieloma procesami geologicznymi. Jernej Furman/Wikimedia Commons, CC BY

Czy to biologia czy geologia?

Nawet przy użyciu najpotężniejszych teleskopów nadchodzących dekad, astrobiolodzy będą w stanie wykryć tylko silne biosygnatury produkowane przez światy, które zostały całkowicie przekształcone przez życie.

Niestety, większość gazów uwalnianych przez ziemskie życie może być również wytwarzana przez procesy niebiologiczne – zarówno krowy, jak i wulkany uwalniają metan. Fotosynteza wytwarza tlen, ale światło słoneczne również, gdy rozszczepia cząsteczki wody na tlen i wodór. Istnieje duża szansa, że astronomowie wykryją kilka fałszywych odczytów podczas poszukiwania odległego życia. Aby wykluczyć fałszywe alarmy, astronomowie będą musieli poznać interesującą ich planetę na tyle dobrze, by zrozumieć, czy zachodzące na niej procesy geologiczne lub atmosferyczne mogą naśladować sygnatury biologiczne.

Następna generacja badań egzoplanet ma potencjał, aby podnieść poprzeczkę dla nadzwyczajnych dowodów potrzebnych do udowodnienia istnienia życia. Pierwsze dane z Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba dają nam poczucie ekscytującego postępu, który wkrótce nastąpi.