Naładowany tlen w jonosferze egzoplanety może być wskaźnikiem życia

9 stycznia 1992 r. astronomowie donieśli o ważnym odkryciu: dwóch planet krążących wokół pulsara odległego o 2 300 lat świetlnych od Słońca. Obydwie planety, nazwane potem Poltergeist i Draugr, były pierwszymi potwierdzonymi egzoplanetami – światami spoza Układu Słonecznego, krążącymi wokół odległej gwiazdy. Teraz naukowcy znają 3 728 potwierdzonych egzoplanet w 2 794 układach, a każda z nich przywołuje na myśl pytanie: Czy jest tam ktoś jeszcze?

Przez dziesięciolecia astronomowie poszukiwali odległych planet pozasłonecznych pod kątem istnienia na nich życia, głównie szukając tego najistotniejszego związku chemicznego – wody. Jednak Michael Mendillo, profesor astronomii z Boston University oraz jego koledzy mają inny pomysł. W artykule opublikowanym 12 lutego w Nature Astronomy Mendillo, prof. astronomii Paul Withers i dr astronomii Paul Dalba z BU sugerują, by zamiast tego spojrzeć na jonosferę egzoplanety, cienką warstwę atmosfery, pełną naładowanych cząstek. Gdyby udało się znaleźć jonosferę podobną do ziemskiej, wypełnioną pojedynczymi jonami tlenu, znaleźlibyśmy życie. A przynajmniej życie w takiej postaci, jaką znamy.

„W historii ludzkiej cywilizacji nigdy nie dotarliśmy do punktu, w którym moglibyśmy zobaczyć planety krążące wokół innych gwiazd. Teraz jesteśmy w miejscu, gdzie wymyślamy pomysły na odkrywanie życia poza Ziemią. To prawdziwa intelektualna przygoda” – mówi profesor astronomii John Clarke z Uniwersytetu Bostońskiego oraz dyrektor Center for Space Physics.

Praca zespołu rozpoczęła się, gdy Mendillo i Withers otrzymali grant z National Science Foundation (NSF) na porównanie jonosfer wszystkich planet w Układzie Słonecznym (oprócz Merkurego, który krąży tak blisko Słońca, że jest zupełnie pozbawiony atmosfery). Jednocześnie naukowcy pracowali także nad misją MAVEN, próbując zrozumieć, w jaki sposób cząsteczki tworzące jonosferę Marsa uciekły z niej. Od początku ery kosmicznej naukowcy wiedzieli, że jonosfery planet różnią się znacznie między sobą. Zespół z BU zaczął skupiać się na tym, dlaczego tak było i dlaczego Ziemia tak znacznie różniła się od nich. Podczas, gdy inne planety wypełniają swoje jonosfery mnóstwem skomplikowanych naładowanych cząstek powstających z dwutlenku węgla lub wodoru, w atmosferze Ziemi znajduje się głównie tlen – pojedyncze atomy tlenu o ładunku dodatnim. Dlaczego różni się ona tak bardzo od pozostałych sześciu?

Astronomowie odrzucili wiele możliwości mogących wyjaśnić wysoką obfitość O+ w ziemskiej jonosferze. Została im jedna: zielone rośliny i algi.

„To właśnie dlatego, że mamy ten atomowy tlen, który ma swoje początki w fotosyntezie. W jonosferze mamy atomowe jony tlenu, O+, jako bezpośrednią konsekwencję życia na Ziemi. Dlaczego więc nie sprawdzić, czy jesteśmy w stanie stworzyć kryterium, w którym jonosfera może być wskaźnikiem życia na egzoplanecie, rzeczywistego a nie jedynie prawdopodobnego” – mówi Mendillo.

Większość planet w Układzie Słonecznym posiada tlen w niższych warstwach atmosfery, ale Ziemia ma go o wiele więcej – ok. 21%. W ciągu minionych 3,8 miliardów lat żyjące na niej organizmy pracowicie przekształcały światło, wodę i dwutlenek węgla w cukier i tlen – proces zwany fotosyntezą. 

„Gdyby zniszczyć wszystkie rośliny na Ziemi, tlen w naszej atmosferze zniknąłby w ciągu zaledwie tysięcy lat. Dla większości ludzi tlen, którym oddychamy, nie jest zbyt ciekawym pierwiastkiem. Dla chemików jest jednak dziką i niebezpieczną bestią. Nie usiedzi spokojnie, wchodzi w reakcje chemiczne z prawie każdą inną cząsteczką, którą może znaleźć i działa bardzo szybko” – powiedział Withers, który zauważył, że ten wydychany tlen nie tylko opada na powierzchnię Ziemi.

Na Ziemi nadmiar cząsteczek tlenu unosi się do góry. Kiedy O2 znajdzie się na wysokości ok. 150 km nad powierzchnią Ziemi, światło ultrafioletowe dzieli je na dwa pojedyncze atomy. Pojedyncze atomy tlenu unoszą się wyżej, do jonosfery, gdzie więcej światła ultrafioletowego i promieni rentgenowskich pochodzących od Słońca odrywa elektrony z ich zewnętrznych powłok, pozostawiając naładowane jony tlenu. Obfitość O2 w pobliżu powierzchni Ziemi – tak różna od pozostałych planet – prowadzi do obfitości O+ w górnych warstwach atmosfery.

Jak twierdzi Mendillo, odkrycie to sugeruje, że naukowcy poszukujący życia pozaziemskiego mogliby zawęzić obszar poszukiwań. Paul Dalba, który pracował nad atmosferą egzoplanet w BU z profesorem astronomii Philipem Muirhead, dołączył do zespołu badawczego. „Znajomość przez Dalba układów pozasłonecznych naprawdę pomaga” – mówi Mendillo. Obecnie większość naukowców biorących udział w tym zadaniu skupia się na gwiazdach typu M – najczęściej występujących w Galaktyce – i planetach okrążających je w tzw. strefie zdolnej do zamieszkania, gdzie może istnieć woda w stanie ciekłym.

Ma to sens, ponieważ życie, jakie znamy, potrzebuje wody. Ale naukowcy nie wiedzą dokładnie, ile wody potrzebuje planeta, aby podtrzymać życie. „Czy gdybyśmy mieli tylko Morze Śródziemne, to by nam wystarczyło? Potrzebujemy Pacyfiku ale nie Atlantyku? Jeżeli spojrzysz na jonosferę, nie musisz znać liczby. Wystarczy że wiesz, czy maksymalna gęstość elektronów jest związana z jonami tlenu. Jeżeli tak to masz do czynienia z planetą, na której jest fotosynteza i życie” – wyjaśnia Mendillo.

Mamy tutaj oczywiście do czynienia z założeniem, że „życie” przynajmniej przypomina to ziemskie, które wymaga nie tylko wody i tlenu ale także pewnego zakresu temperatur, prawdopodobnie pola magnetycznego oraz innych czynników. „To dobry punkt wyjścia, ale w głębi umysłu wszyscy wiemy, że może istnieć inny rodzaj życia, o którym nigdy nie myślimy” – mówi Clarke.

Jest jeszcze jeden haczyk, przynajmniej na razie: naukowcy nie mają jeszcze narzędzi do wykrywania jonosfery na jakiejkolwiek egzoplanecie. „Jeżeli rozważymy przyszłe kosmiczne teleskopy, wiele rzeczy dziś nieosiągalnych stanie się możliwe. Myślę, że w ciągu dziesięciu lat będziemy mieć technologię zdolną do wykonania takiego eksperymentu” – mówi Clarke.

Mendillo ma nadzieję, że prace jego zespołu przyczynią się do dalszych badań, rozwoju i eksploracji w tej dziedzinie. „Sam pomysł wykorzystania jonosfery jako sygnatury życia jest kuszącym pomysłem. Nie mamy jeszcze możliwości obserwacyjnych, ale jestem optymistą. To swego rodzaju nowe wyzwanie.”

Opracowanie:
Agnieszka Nowak

Więcej:
Looking for Extraterrestrial Life? Here’s a New Target

Źródło: Boston University

Na zdjęciu: Egzoplaneta Kepler-186f krążąca w ekosferze wokół gwiazdy typu M, gdzie może znajdować się woda w stanie ciekłym. To właśnie na takich planetach poszukuje się obecnie życia pozaziemskiego. Źródło: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech