Co mogłoby sygnalizować życie na innej planecie?

Źródło: NASA / JPL-CALTECH / R. HURT, T. PYLE (IPAC) 

W czerwcu astronomowie ogłosili rozczarowujące odkrycie: Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba nie wykrył gęstej atmosfery wokół skalistej planety TRAPPIST-1 C, egzoplanety znajdującej się w jednym z najbardziej obiecujących pod kątem poszukiwania obcego życia układów planetarnych. 

Odkrycie to jest następstwem podobnych wiadomości dotyczących sąsiedniej planety TRAPPIST-1 B, innej planety w układzie TRAPPIST-1. Jego słaba, czerwona gwiazda jest gospodarzem siedmiu skalistych światów, z których kilka znajduje się w strefie nadającej się do zamieszkania – w odległości od gwiazdy, w której na ich powierzchniach może istnieć woda w stanie ciekłym, a życie pozaziemskie może się rozwijać. 

Pytanie, co byłoby potrzebne do wykrycia tego życia, jeśli istnieje, nie jest nowe. Dzięki teleskopowi JWST staje się ono jednak bardziej praktyczne. W ciągu najbliższych lat teleskop może dostrzec atmosfery kilku obiecujących planet krążących wokół odległych gwiazd. W składzie chemicznym tych atmosfer mogą kryć się pierwsze ślady życia poza naszym Układem Słonecznym. Wiąże się z tym trudny problem: co kwalifikuje się jako prawdziwa chemiczna oznaka życia? 

„Próbujesz wziąć niewiele informacji o planecie i wyciągnąć wnioski, które potencjalnie mogą być dość istotne – zmieniające nasz pogląd na cały wszechświat”, mówi naukowiec planetarny Joshua Krissansen-Totton z University of Washington. 

Aby wykryć taką biosygnaturę, naukowcy muszą znaleźć sprytne sposoby pracy z ograniczonymi informacjami, jakie są w stanie zebrać podczas obserwacji egzoplanet. 

Substancje chemiczne na tle innych 

Nawet najpotężniejsze teleskopy, w tym JWST, prawie nigdy nie „widzą” egzoplanet – astronomowie znają te odległe światy jedynie z migotania ich gwiazd. 

Zamiast obserwować planety bezpośrednio, astronomowie ustawiają swoje teleskopy na gwiazdy i czekają, aż planety „przeprawią się” lub przejdą między słońcem a teleskopem. Gdy planeta się przemieszcza, część światła gwiazdy przenika przez jej atmosferę i przyciemnia gwiazdę na pewnych długościach fal, w zależności od związków chemicznych w atmosferze. Wynikające z tego spadki i szczyty jasności gwiazdy są jak chemiczny kod kreskowy orbitującej planety. 

Być może najbardziej intuicyjnym sposobem poszukiwania biosygnatury w tym kodzie kreskowym jest przeszukanie go w celu znalezienia gazu, który został ewidentnie wyprodukowany przez życie. Przez pewien czas naukowcy uważali, że tlen, który jest obfity na Ziemi z powodu fotosyntezy, służy jako samodzielny biosygnat. Tlen może jednak powstawać w wyniku innych procesów: na przykład światło słoneczne może rozbijać wodę w atmosferze planety. 

Problem ten nie dotyczy wyłącznie tlenu – większość gazów wytwarzanych przez organizmy żywe może również powstawać bez ich udziału. Zamiast więc traktować pojedyncze gazy jako biosygnatury same w sobie, naukowcy starają się dziś rozpatrywać je w określonym kontekście. 

Na przykład metan może być wytwarzany zarówno przez życie, jak i bez niego. Sam w sobie nie byłby przekonującą biosygnaturą. Jednak znalezienie metanu i tlenu razem „byłoby niezwykle ekscytujące”, mówi naukowiec planetarny Robin Wordsworth z Uniwersytetu Harvarda; bardzo trudno jest wyprodukować taką kombinację bez życia. Podobnie, praca Krissansen-Totton i jej współpracowników wykazała niedawno, że znalezienie metanu wraz z odpowiednimi ilościami innych gazów, takich jak dwutlenek węgla, byłoby trudne do wytłumaczenia bez życia. 

Obserwowanie, jak atmosfera egzoplanety zmienia się w czasie, może również zapewnić cenny kontekst, który może wzmocnić słabe biosygnatury. Sezonowe wahania stężenia ozonu, na przykład, mogą być śladem życia, stwierdzili naukowcy w 2018 roku. 

Niespodzianki, nie założenia 

Oczywiście, „jeśli szukasz pojedynczych gazów, takich jak tlen lub metan, to wiążą się z tym założenia dotyczące rodzaju życia w innym miejscu”, mówi Krissansen-Totton. Dlatego niektórzy naukowcy opracowują agnostyczne biosygnatury, które nie zakładają, że biochemia obcych będzie podobna do biochemii Ziemi. 

Jednym z możliwych agnostycznych biosygnatur jest stopień „zaskakiwania” chemicznego atmosfery egzoplanety – co naukowcy nazywają nierównowagą chemiczną. 

Atmosfera bliska równowagi byłaby chemicznie nieciekawa, trochę jak zamknięta kolba gazu w laboratorium. Oczywiście żadna planeta nie jest tak nudna, jak kolba laboratoryjna. Reakcje chemiczne zachodzące w atmosferze planety mogą być napędzane przez jej gwiazdy, a procesy geologiczne, takie jak aktywność wulkaniczna, mogą zwiększać nierównowagę, a tym samym zwiększać chemiczną niezwykłość atmosfery. 

Życie może również wypychać planety ze stanu równowagi. Zakładając, że obce życie wytwarza jakieś gazy, mogą one wypchnąć atmosferę planety znacznie dalej od równowagi, niż miałoby to miejsce w innych okolicznościach. Jednak sama nierównowaga „nie jest jednoznacznym wskaźnikiem”, mówi Krissansen-Totton. 

W 2016 roku on i jego koledzy obliczyli nierównowagę termiczną atmosfery każdej planety w Układzie Słonecznym i księżyca Saturna, Tytana. Według tej miary atmosfera Ziemi wyróżniała się jako ekstremalna – ale tylko wtedy, gdy oceany zostały uwzględnione w obliczeniach. Pomijając interakcje z oceanami, atmosfera Ziemi jest w rzeczywistości bliższa równowagi niż atmosfera Marsa. 

Mimo to nawet, jeśli nie wskazuje to na biologię, znalezienie atmosfery egzoplanety dalekiej od równowagi powiedziałoby astronomom, że dzieje się coś interesującego, mówi Krissansen-Totton, coś, co „modyfikuje atmosferę w dramatyczny sposób, który musimy zrozumieć”. 

David Kinney, filozof nauki z Uniwersytetu Yale, współpracował niedawno z biofizykiem Chrisem Kempesem z Instytutu Santa Fe nad opracowaniem nowego sposobu wykrywania możliwych agnostycznych biosygnatur. To pozornie prosty pomysł: Aby znaleźć życie, należy szukać najdziwniejszych planet. 

Jeśli nie przyjmie się żadnych założeń co do tego, jak wygląda obce życie, praktycznie każdy gaz może być biosygnaturą w odpowiednim kontekście. W 2016 roku astrofizyk z MIT, Sara Seager, wraz z kolegami zaproponowała listę około 14 000 cząsteczek, które mogłyby zostać uznane za biosygnatury. Kinney i Kempes opracowali swoją metodę oceny, wykorzystując tę listę związków wraz z metodami inspirowanymi algorytmami uczenia maszynowego zaprojektowanymi do rozpoznawania nieparzystych obrazów w zestawie. Doprowadziło to do precyzyjnego zdefiniowania i oceny „dziwności” atmosfery hipotetycznej egzoplanety w porównaniu z zestawem innych hipotetycznych atmosfer. 

Kinney i Kempes twierdzą, że najdziwniejsze atmosfery w zestawie są najbardziej prawdopodobne, aby gościć życie. Opiera się to na kilku podstawowych założeniach: Życie we wszechświecie jest rzadkie, pozostawia ślady w atmosferach planet i trudno jest naśladować te ślady bez życia. Oczywiście założenia te mogą okazać się fałszywe, mówi Kinney. Jednak „jeśli nie chcemy przyjmować żadnych założeń”, dodaje, „to myślę, że bardzo trudno jest dokonać jakiegokolwiek postępu naukowego, nie mówiąc już o obszarze z tak dużą niepewnością, jak ta”. 

Po pierwsze, zrozumieć nie-życie 

Aby zmniejszyć tę niepewność, naukowcy będą musieli być w stanie z całą pewnością wykluczyć wyjaśnienia nie-życia dla każdej potencjalnej biosygnatury. Wymaga to dogłębnego zrozumienia geologii i chemii atmosfery obcej planety. Zamiast więc skupiać się na tym, czy planeta nadaje się do zamieszkania, niektórzy naukowcy twierdzą, że badanie planet ewidentnie pozbawionych życia wzmocni poszukiwania obcego życia. 

„Jest tak wiele naprawdę podstawowych rzeczy, których moim zdaniem musimy się najpierw dowiedzieć o planetach, zanim w ogóle zaczniemy zadawać pytanie o możliwość zamieszkania”, mówi Laura Kreidberg z Max Planck Institute for Astronomy w Niemczech, która wspólnie z Wordsworthem opracowała przegląd astronomii skalistych egzoplanet w Annual Review of Astronomy and Astrophysics z 2022 roku. 

Ogromnym pytaniem jest to, czy potencjalnie skaliste planety, które może zaobserwować JWST, będą w ogóle miały atmosferę. Jedynymi gwiazdami, których planety nadające się do zamieszkania znajdują się w zasięgu teleskopu, są czerwone karły, takie jak TRAPPIST-1. Gwiazdy te mają paskudny zwyczaj wyrzucania ostrego promieniowania, które zdaniem wielu naukowców nieuchronnie pozbawiłoby atmosfery wszelkie planety nadające się do zamieszkania, co może wyjaśniać skąpe lub nieistniejące atmosfery TRAPPIST-1 B i TRAPPIST-1 C. 

Czerwone karły są również najczęściej występującymi gwiazdami w Drodze Mlecznej, więc jeśli ich skaliste planety nie są w stanie utrzymać atmosfery, znacznie zmniejszyłoby to liczbę potencjalnie nadających się do zamieszkania światów. 

Jeśli uda nam się zaobserwować wystarczającą liczbę skalistych egzoplanet, „będziemy mieli znacznie, znacznie lepsze pojęcie o tym, co oznacza dana biosygnatura”, mówi Wordsworth. „Jedną z naprawdę potężnych rzeczy, które dają nam egzoplanety, są statystyki”. 

Słowo „biosygnatura” może kojarzyć się z dymiącym pistoletem. Jednak, jak mówi Krissansen-Totton, „odkrywanie życia na egzoplanetach będzie stopniowym gromadzeniem dowodów”. 

W miarę jak dowody te będą napływać, naukowcy będą mogli zacząć testować swoje hipotezy dotyczące planet skalistych w rygorystyczny sposób i być może je przewartościować. 

„Astronomia jest w swej istocie nauką odkrywczą”, mówi Kreidberg. „Dla wszystkich naszych najlepiej ułożonych planów, ram i systemów, gdy tylko zaczniemy zbierać dane i obserwować rzeczy, wszystko wywraca się do góry nogami”.