Кто стащил углерод из атмосферы? (новый способ найти жизнь на экзопланете)

Низкое содержание углерода в атмосфере экзопланет может быть признаком потенциальной их обитаемости, в частности, указывать на существование жидкого океана. Так происходит на Земле, где Мировой океан поглощает и связывает в горных породах значительную долю углекислоты. Концентрацию углерода в атмосфере вполне по силам измерить новому космическому телескопу Джеймса Уэбба. А если на планете, кроме дефицита углекислоты, удастся зафиксировать озон — шансы на её обитаемость возрастают.

Астрономы Массачусетского Института Технологий (MIT) предположили, что для поиска жидкой воды, а возможно и жизни на других планетах следует не только искать особые компоненты атмосферы (биосигнатуры), но и обратить внимание на аномальное отсутствие определённых химических соединений. Планета земного типа, в атмосфере которой наблюдается пониженное (по сравнению с аналогичными мирами в той же звёздной системе) содержание углекислого газа, может обладать обширным океаном на поверхности, а это — заявка на обитаемость такого мира.

Интереснее в таких выводах другое: предложенная биосигнатура находится в поле зрения приборов нового инфракрасного космического телескопа Джеймса Уэбба. Он, в отличие от «Хаббла», работающего в видимом и ультрафиолетовом диапазоне, умеет определять молекулярный состав атмосферы. Планетологи предложили множество других химических соединений, которые могут указывать на обитаемость. Но пока что такие соединения сложно или невозможно определить на современной технике, в частности, при помощи «Джеймса Уэбба». А углекислый газ, точнее, его пониженная концентрация — единственный уверенно доступный маркер. Статья авторов из MIT о предложенной «антисигнатуре» обитаемости в начале 2024 года вышла в Nature Astronomy.

Венера, Земля и Марс похожи тем, что они относятся к классу каменных планет и расположены по отношению к Солнцу в зоне умеренных температур. Инопланетные астрономы, наблюдая за ними и располагая инструментами нашего уровня техники, отнесли бы все три к потенциально обитаемым. Но Земля — единственная из трёх, на поверхности которой есть жидкая вода. Она отличается от двух других по ещё одному признаку: пониженное содержание углекислого газа в атмосфере. Мы предполагаем, что эти земные планеты возникли в примерно одинаковых условиях и состав их вещества должен быть сопоставимым. Поэтому недостающий углерод должен куда-то деться. Единственный известный нам процесс, способный извлечь значимое количество углерода из атмосферы — интенсивный водный цикл, для которого необходимы океаны жидкой воды.

Океаны на Земле играли существенную роль в современном балансе углерода и многих других элементов. За сотни миллионов лет Мировой океан поглотил огромное количество углекислого газа, сопоставимое с его сегодняшними запасами в атмосфере Венеры. Как следствие, этот процесс планетарного масштаба оставил атмосферу Земли существенно обеднённой углеродом по сравнению с двумя соседними планетами. Напомним, что содержание CO₂ в современной атмосфере составляет 0,05%, а марсианская атмосфера состоит из углекислого газа почти целиком. Углерод, который в результате таких планетарных циклов изымается из атмосферы, связывается в морской воде и горных породах (например, в карбонатных; известняк CaCO₃ — это соль угольной кислоты и кальция). В частности, этот механизм позволял в течение геологического времени регулировать климат на планете и поддерживать её обитаемость. Поэтому, если на удалённой планете удастся зафиксировать подобное обеднение атмосферы углеродом по сравнению с соседями, это может указывать на существование на ней океана.

Стратегия, предложенная в работе, состоит в поиске пониженного содержания углекислого газа. Такое исследование имеет больше шансов для планетарных систем, в которых есть несколько землеподобных планет сопоставимого размера, находящихся не очень далеко друг от друга — так же, как четыре планеты земной группы в Солнечной системе. Первый шаг — нужно проверить, есть ли на таких планетах атмосфера вообще. Для этого следует поискать признаки углекислого газа CO₂ — предполагается, что он должен доминировать в атмосфере большинства планет, где она есть (как это происходит, например, на Марсе). Поскольку углекислый газ сильно поглощает инфракрасное излучение, его можно сравнительно легко обнаружить по этому признаку, анализируя транзит планеты, то есть её прохождение на фоне своей звезды. Если выяснится, что несколько планет в системе имеют атмосферу с CO₂, нужно определить, нет ли там одной из планет, в атмосфере которой углекислого газа существенно меньше, чем у соседей. Такая ситуация может указывать на существование обширных областей с жидкой водой на её поверхности — например, нескольких океанов или одного мирового океана.

Далее можно пытаться определить, действительно ли на такой планете развилась жизнь. В связке с углекислым газом астрономы предлагают использовать стандартный биомаркер — озон O₃. На Земле некоторые растения и микробы также поглощают углекислый газ, хотя этот процесс не сравним по масштабам с работой океана. Но как часть такого процесса, эти формы жизни выделяют кислород. Часть кислорода под действием излучения звезды превращается в озон. Озон полезен астрономам прежде всего тем, что его легче зафиксировать в атмосфере космического тела по сравнению с кислородом. Таким образом, если атмосфера планеты имеет сразу два признака: наличие озона и пониженное содержание углекислого газа, это указывает на потенциальную обитаемость планеты.

Телескоп NASA James Webb в принципе может измерить концентрацию углекислого газа, а возможно и озона в находящихся поблизости звёздных системах с несколькими планетами, например, в известной системе TRAPPIST-1 на расстоянии 40 световых лет в созвездии Водолея, в которой как минимум семь планет обращаются вокруг яркой звезды. Солнце этой системы — красный карлик с массой около 9% солнечной. Поэтому несмотря на «близкое» расстояние в обычную оптику любительского уровня её разглядеть не получится — её звёздная величина составляет +19. Зато из её семи планет три или четыре находятся в зоне потенциальной обитаемости в классическом понимании, то есть на расстоянии от звезды, где температура допускает существование жидкой воды. Система TRAPPIST-1 — одна из нескольких планетарных систем, в которых телескоп Джеймса Уэбба может эффективно изучать состав атмосферы.