Które egzoplanety mogą mieć oceany? Aby zidentyfikować w kosmosie światy podobne do Ziemi, astronomowie twierdzą, że mogą porównać poziom dwutlenku węgla w ich atmosferach z poziomem sąsiednich planet. Z ich badań wynika, że ​​planeta o znacząco niskim poziomie dwutlenku węgla w atmosferze gazowej wskazuje na możliwość występowania na jej powierzchni wody w stanie ciekłym, a nawet życia. Niska zawartość może wynikać z obecności gazu w oceanach lub z rozległej biomasy. Naukowcy twierdzą, że wykrycie atmosferycznego dwutlenku węgla w odległych układach planetarnych może skierować uwagę obiecujących kandydatów na bardziej szczegółowe badania.

Widok z kosmosu pokazuje, co jest takiego wyjątkowego w naszej rodzimej planecie: lśniące błękitne oceany – na powierzchni Ziemi znajduje się woda w stanie ciekłym. Biorąc pod uwagę ponad 5000 egzoplanet odkrytych w kosmosie, pojawia się pytanie, czy jest wśród nich więcej niebieskich klejnotów. Możliwe jest również, że życie, jakie znamy, wyewoluowało na takich bogatych w wodę egzoplanetach. Poszukując planet podobnych do Ziemi, astronomowie zazwyczaj skupiają się na ciałach niebieskich znajdujących się w tzw. ekosferze wokół odległych gwiazd. Jest to obszar, w którym orbitująca planeta otrzymuje poziom promieniowania, który teoretycznie umożliwia uformowanie się na jej powierzchni wody w stanie ciekłym.

Możliwe – ale czy na pewno jest tam woda?

Jednak nadal nie jest jasne, czy woda nadająca się do zamieszkania faktycznie istnieje. Przy obecnych możliwościach astronomicznych wodne powierzchnie egzoplanet są nie do poznania. Dlatego potrzebne są pośrednie źródła informacji. Astronomowie pod kierownictwem Amory'ego Triwooda z Uniwersytetu w Birmingham wpadli na swój pomysł, przyglądając się porównawczo planetom skalistym w naszym Układzie Słonecznym. Wenus ma pewne podobieństwa do Ziemi i Marsa, a one krążą wokół Słońca w obszarze umiarkowanego promieniowania. Jednak Ziemia jest jedyną planetą w tym trio, na której nadal znajdują się zbiorniki wodne. Kolejną zauważalną różnicą jest poziom dwutlenku węgla w atmosferze. W naszym przypadku są to niewielkie ilości – jednak na Marsie i Wenus gaz stanowi ponad 95 procent atmosfery.

„Zakładamy, że te trzy planety powstały w podobny sposób, więc jeśli teraz widzimy planetę zawierającą znacznie mniej dwutlenku węgla, musiała ona gdzieś zniknąć” – mówi Triode. Jest oczywiste, że intensywny obieg wody na Ziemi usunął dwutlenek węgla z atmosfery. W historii Ziemi oceany pochłonęły mniej więcej tyle samo substancji, ile znajduje się obecnie w atmosferze Wenus. „Na Ziemi znaczna część atmosferycznego dwutlenku węgla jest magazynowana w wodzie morskiej i skałach w geologicznych skalach czasowych, pomagając regulować klimat i jakość życia przez miliardy lat” – mówi współautor Frieder Klein z Woods Hole Oceanographic Institution.

Wyraźny sygnał

W ramach swoich badań naukowcy zestawili odpowiednie czynniki chemiczne, geologiczne i biologiczne oraz przeanalizowali procesy, które w przypadku Ziemi są powiązane z redukcją dwutlenku węgla. Korzystając z symulacji modelowych, przeanalizowali także zakres, w jakim inne przyczyny mogą być odpowiedzialne za niską zawartość dwutlenku węgla w atmosferze na planetach. „Zbadaliśmy możliwość wystąpienia fałszywie pozytywnych sygnałów i odkryliśmy, że wszystkie, jakie mogliśmy sobie wyobrazić, wydawały się mało prawdopodobne” – napisali naukowcy. Dlatego zespół doszedł do wniosku, że brak dwutlenku węgla na egzoplanecie w porównaniu z jej sąsiadami jest wyraźnym wskaźnikiem obecności ciekłych oceanów, a nawet życia na jej powierzchni.

Według naukowców można to teraz przełożyć na konkretną strategię poszukiwania planet podobnych do Ziemi. Układy lepiej by się do tego nadawały, gdyby znanych było już kilku kandydatów: planety skaliste mniej więcej tej samej wielkości i planety sąsiadujące – podobne do Wenus, Ziemi i Marsa. Pierwszym krokiem jest zatem podstawowe wykrycie atmosfery poprzez zbadanie światła przechodzącego przez nią, gdy przechodzi przed gwiazdą. Kiedy astronomowie ustalą, że w układzie znajduje się wiele planet, w których panuje atmosfera, mogą przystąpić do pomiaru poziomu dwutlenku węgla w tych planetach. „CO2 jest bardzo silnym pochłaniaczem w zakresie podczerwieni i można go wykryć w atmosferach egzoplanetarnych” – wyjaśnia współautor Julian de Wit z Massachusetts Institute of Technology w Cambridge. Należący do NASA Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba (JWST) zademonstrował już tę zdolność.

Na tropie środowisk żywych

Jeśli widoczny będzie brak dwutlenku węgla, będzie to wyraźna wskazówka, że ​​na powierzchni egzoplanety znajdują się duże ilości wody w stanie ciekłym. Ale samo to nie oznacza życia. Aby uzyskać na to dowód, zespół sugeruje, że zidentyfikowanych kandydatów należy następnie szczegółowo przeszukać pod kątem obecności innej substancji w atmosferze: Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba może również wykryć ozon, który składa się z trzech atomów tlenu. Jest to pośredni dowód na obecność tlenu, który do tej pory był trudny do wykrycia za pomocą spektroskopii w jego postaci dwuatomowej. Konkretny pomysł jest taki, że niektórzy kosmici mogą uwalniać tlen podczas fotosyntezy, który zamienia się w ozon wraz z fotonami promieniowania gwiazdowego. „Jeśli zobaczymy ozon, istnieje bardzo duże prawdopodobieństwo, że jest on powiązany ze zużyciem dwutlenku węgla w życiu” – mówi Triaud. „A w takim razie musi to być biomasa na skalę planety, która może przetworzyć znaczną ilość węgla”.

Naukowcy skupili się już na odpowiednim systemie do zastosowania swojej metody: siedmiu znanych planetach krążących wokół jasnej gwiazdy TRAPPIST-1, która znajduje się zaledwie 40 lat świetlnych od Ziemi. „To jeden z systemów, dzięki któremu mogliśmy badać atmosferę ziemską za pomocą Kosmicznego Teleskopu Jamesa Webba” – mówi de Wit. „Mamy teraz plan znalezienia planet nadających się do zamieszkania. Jeśli wszyscy będziemy współpracować, w ciągu najbliższych kilku lat będziemy mogli dokonać przełomowych odkryć” – podsumował naukowiec.

Źródło: Massachusetts Institute of Technology, University of Birmingham, artykuł specjalistyczny: Astronomia naturalna, doi: 10.1038/s41550-023-02157-9

© Wissenschaft.de – Martin Viewe