Изображение каменистой экзопланеты Kepler-186f, которая является одним из наиболее перспективных кандидатов на планету, потенциально пригодную для жизни, но насколько она должна быть похожа или отличаться от Земли, чтобы на ней могла существовать жизнь? Credit: NASA/Ames/SETI Institute/JPL-Caltech.
Три миллиарда лет назад Земля была совсем другой. Солнце, освещавшее ее океаны и континенты, было не таким ярким, как сегодня, а в газовом слое, покрывавшем нашу молодую планету, вместо богатой кислородом атмосферы, необходимой людям для выживания, гораздо большую роль играл метан. Несмотря на различия, у той ранней Земли и нашей современной есть нечто общее: они могли поддерживать жизнь.
На протяжении большей части своего существования Земля была обитаема. Но если бы исследователи дистанционно проанализировали атмосферу той молодой Земли, они могли бы пропустить доказательства существования жизни.
«Земля была очень разной», — говорит Тимоти Лайонс, профессор кафедры наук о Земле и планетах Калифорнийского университета в Риверсайде. «То, что наша планета так долго сохраняла пригодность для жизни, — удивительная история».
Лайонс возглавляет группу «Альтернативные Земли» Института астробиологии НАСА, в рамках которой исследователи изучают характеристики Земли на различных этапах ее существования, продолжавшегося 4,5 млрд. лет.
«Мы изучаем прошлое Земли, чтобы уточнить наши возможности по поиску биосигнатур [химических отпечатков жизни] за пределами нашей планеты и Солнечной системы», — говорит он. «Именно внесолнечные планеты интересуют нас больше всего».
В настоящее время известно более 4 000 экзопланет и еще тысячи ожидают подтверждения. Ученые разрабатывают дистанционные методы, позволяющие определить, являются ли эти планеты потенциально пригодными для жизни и, возможно, даже обитаемыми. Признаки жизни на далеких планетах, скорее всего, будут обнаружены в газах, входящих в состав атмосферы экзопланеты.
Впечатление художника о том, как могла выглядеть Земля более трех миллиардов лет назад, когда наша планета была совсем другой, но на ней еще существовала примитивная форма жизни. Credit: Simone Marchi/NASA.
Меняющаяся Земля
Хотя Земля — единственное место во Вселенной, где, как известно, есть жизнь, существует множество других предыдущих, альтернативных вариантов нашей родной планеты, поскольку она менялась в течение времени, что также позволяло жизни выживать и процветать.
«На протяжении более чем четырех миллиардов лет на Земле существуют океаны, и большую часть этого времени на ней существует жизнь, однако на протяжении всей своей истории Земля претерпевала столь глубокие изменения», — говорит Лайонс.
В рамках исследовательской программы «Альтернативные Земли» команда может «использовать собранные знания о различных состояниях нашей пригодной для жизни и обитаемой планеты и распространить это понимание выше — буквально — на атмосферу далекой планеты».
Объединив данные по геологии, химии и биологии континентов, океанов и атмосфер Земли за разные периоды времени, команда «Альтернативные Земли» моделирует, как выглядели бы атмосферы этих ранних планет, основываясь, в частности, на взаимоотношениях с жизнью в глубине океанов. Возможность моделировать древние атмосферы и распространять полученные знания на атмосферы далеких планет крайне важна для поиска потенциально пригодных для жизни планет за пределами нашей Солнечной системы.
«Земля уже преподала нам множество различных уроков», — говорит Лайонс. «Наши исследования не направлены на поиск другой Земли как таковой. Это скорее поиск различных составляющих того, что представляет собой планета, на которой может существовать жизнь. Как только вы узнаете, какие процессы происходят на такой планете, как Земля, вы сможете собрать их в бесчисленное множество других планетарных сценариев, которые могут быть или не быть способны делать то же самое».
В частности, группа исследует три различных древних Земли, собирая данные по горным породам, чтобы создать картину геологии, химии и биологии планеты в те времена. Особый интерес представляют периоды с 3,2 до 2,4 млрд. лет назад, когда самые ранние формы жизни начали выделять кислород в атмосферу посредством фотосинтеза; с 2,4 до 2,0 млрд. лет назад, когда произошло «Великое событие окисления» и кислород заполнил атмосферу и океаны Земли; и с 2,0 до 500 млн. лет назад, когда жизнь становилась все более сложной, создавая основу для эволюции организмов, которые превратились в существ, населяющих Землю сегодня.
«Понимание эволюции нашей собственной планеты, включая этапы удивительной стабильности, а также эпизоды потрясений, является важным первым шагом к пониманию разнообразия пригодных для жизни планет и жизни, которую мы можем встретить во Вселенной», — говорит член группы Стефани Олсон из Чикагского университета. Олсон специализируется на изучении взаимодействия океана и атмосферы ранней Земли.
Биосигнатуры далеких экзопланет могут отличаться от биосигнатур современной Земли. Космический телескоп НАСА «Джеймс Уэбб» сможет исследовать атмосферы экзопланет для поиска этих биопризнаков. Могут ли биопризнаки ранней Земли дать нам подсказку, на что обратить внимание? Credit: Joshua Krissansen-Totton/NASA.
Чертежи обитаемости
Исследователи могут также корректировать свои планетарные модели, создавая бесконечное число чертежей экзопланет, возможно, пригодных для обитания. Например, они могут использовать модели, ускоряющие вращение планеты, изменяющие наклон ее оси, размещающие все континенты в одном полушарии (или полностью их удаляющие), или позволяющие одной стороне планеты быть постоянно обращенной к своей звезде. Континенты являются неотъемлемым компонентом обитаемости океанов. В результате выветривания поверхности суши в океаны попадают питательные вещества, которые питают жизнь в них, а положение и высота суши изменяют их перемещение в океаны и через них.
«Эти факторы также влияют на связь между океаном и атмосферой, а значит, и на возможность обнаружения жизни в океане», — говорит Олсон. «Понимание того, как параметры планеты влияют на биологическую активность и связь между океаном и атмосферой, поможет определить наиболее перспективные цели для обнаружения жизни на экзопланетах, которые будут наименее уязвимы для ложноотрицательных биосигнатур».
Возможность ложноотрицательных результатов — когда на экзопланете действительно есть жизнь, но признаки этой жизни ускользают от обнаружения — привлекает внимание команды Alternative Earths.
В 2017 году в своей работе под руководством Криса Рейнхарда из Технологического института Джорджии команда Alternative Earths обратила внимание на опасность ложноотрицательных результатов в поисках пригодных для жизни планет. Наличие в атмосфере метана и кислорода считается золотым стандартом при поиске жизни на далеких планетах. Эти два газа не должны сосуществовать в заметных количествах, поскольку они быстро вступают в реакцию друг с другом, но живые организмы могут постоянно пополнять их запасы в атмосфере, что позволяет сохранять такое неравновесие.
Однако если бы исследователи изучали раннюю Землю на протяжении большей части ее истории, а то и всей, то, возможно, им не удалось бы обнаружить в древней атмосфере ни метана, ни кислорода, несмотря на то, что жизнь существовала на протяжении большей части этого времени.
«[Обнаружение] атмосферного метана было бы проблематичным на протяжении большей части последнего времени.~2,5 млрд. лет истории Земли», — пишут Рейнхард и его коллеги. Для скалистых миров с океанами, таких как Земля, эти газы могут перерабатываться в океанах, а не обнаруживаться в атмосфере. Из этого следует, что «планеты, наиболее благоприятные для развития и поддержания всепроникающей биосферы, такие как планеты с выветривающимися континентами и обширными океанами, часто будет трудно охарактеризовать с помощью обычных атмосферных биосигнатур», — пишут они.
Кроме того, даже если кислород и метан присутствуют, они не обязательно являются продуктами жизнедеятельности.
Кислород может быть результатом фотосинтеза, а метан вырабатывается микробами, но они также могут образовываться в результате фотохимических и геологических процессов. Более того, в Институте астробиологии НАСА работает группа, изучающая получение метана в результате геологических, а не биологических реакций.
«Продукты этих реакций могут поддерживать жизнь на океаническом мире, но сами газы могут не иметь никакого отношения к жизни», — говорит Лайонс. «Невозможно оценить значение газов без строгого контекста».
«Обычно мы рассматриваем обитаемость как бинарную категорию: планета либо может поддерживать жизнь, либо нет, но, скорее всего, существует спектр обитаемости», — добавляет Олсон.
Прокси для кислорода
Исследователи из группы «Альтернативные Земли» объединяют все известные им сведения о различных состояниях нашей планеты и, используя полученные данные и соответствующее компьютерное моделирование, генерируют примеры химических отпечатков, или синтетических спектров, которые ученые должны искать на экзопланетах.
Лайонс отмечает, что озон и сезонность особенно важны для поиска жизни на других планетах.
«Мы большие поклонники озона [O3], поскольку его легче обнаружить с помощью спектроскопических методов, чем [молекулярный] кислород [O2]», — говорит он. «Мы хотим исследовать озон и его временную изменчивость как косвенный показатель O2 и его сезонности».
Обнаружение возможных ложноотрицательных результатов при использовании традиционных методов обнаружения жизни подтолкнуло команду к поиску новых и, возможно, еще более надежных признаков жизни. «Это было самое интересное», — говорит Лайонс.
Хотя O2 было трудно обнаружить дистанционно на молодой Земле, то озон, который образуется из O2возможно, и не было. Это лишь один из примеров того, как история Земли влияет на выбор возможных экзопланетных объектов для обнаружения жизни.
Однако если астробиологи хотят иметь возможность искать озон на экзопланетах, им необходимо добиваться включения этих экспериментов в будущие миссии.
«Мы только начинаем получать данные о других планетах», — говорит Лайонс. «Чтобы получить нужные данные с этих планет в будущем, мы должны начать планировать уже сейчас».
- «Ложные негативы при дистанционном обнаружении жизни на океаноносных планетах: Уроки ранней Земли» (Christopher T. Reinhard, Stephanie L. Olson, Edward W. Schwieterman and Timothy W. Lyons, 1 апреля 2017 г., Astrobiology . DOI: 10.1089/ast.2016.1598
- «Атмосферная сезонность как биосигнатура экзопланеты» Стефани Л. Олсон, Эдвард В. Швитерман, Кристофер Т. Рейнхард, Энди Риджуэлл, Стивен Р. Кейн, Виктория С. Медоуз и Тимоти В. Лайонс, 9 мая 2018 г., The Astrophysical Journal Letters . DOI: 10.3847/2041-8213/aac171
