Jony tlenu w jonosferach planetarnych mogą być wskaźnikami życia we Wszechświecie

Poszukiwanie życia pozaziemskiego skupiło się głównie na planetach takich jak Kepler-186f, które krążą wokół gwiazd typu M w “ekosferach” gdzie woda może występować w stanie ciekłym. Jednak “nie wszystkie ekosfery są takie same” mówi Mendillo, który zauważa, że niektóre egzoplanety znajdują się niebezpiecznie blisko swoich gwiazd, przez co wystawione są na niebezpieczne promieniowanie, które może uniemożliwiać istnienie życia takiego jakie znamy. Źródło: NASA Ames/SETI Institute/JPL-Caltech

9 stycznia 1992 roku astronomowie ogłosili historyczne odkrycie: udało się odkryć dwie planety krążące wokół pulsara oddalonego od Ziemi o 2300 lat świetlnych. Obie planety, później nazwane Poltergeist oraz Draugr, były pierwszymi potwierdzonymi “egzoplanetami” – globami spoza Układu Słonecznego, krążącymi wokół odległej gwiazdy. Naukowcy aktualnie znają 3728 potwierdzonych egzoplanet w 2794 układach planetarnych, a każda z tych planet przywołuje na myśl pytanie: “Czy ktoś tam jeszcze jest?”

“Co może być ważniejszym pytaniem w nauce niż to czy jesteśmy sami we Wszechświecie?” pyta prof. Michael Mendillo z Uniwersytetu Bostońskiego. “Nie znam żadnego bardziej fascynującego pytania”.

Od dziesięcioleci astronomowie poszukują na tych odległych egzoplanetach oznak życia, głównie poszukując najistotniejszej cząsteczki – wody. Jednak Medillo wraz ze swoimi współpracownikami ma inny pomysł na poszukiwania. W artykule opublikowanym w periodyku Nature Astronomy  12 lutego br. Mendillo oraz Paul Whiters i Paul Dalba sugerują, że warto byłoby przyjrzeć się dokładnie jonosferom egzoplanet, cienkim górnym warstwom atmosfery pełnym naładowanych cząstek. gdyby udało się znaleźć jonosferę podobną do ziemskiej, pełną pojedynczych jonów tlenu, odkrylibyśmy życie. A przynajmniej takie życie, jakie znamy.

“Na przestrzeni historii ludzkiej cywilizacji, nigdy nie udało nam się dotrzeć do punktu, w którym bylibyśmy w stanie dojrzeć planety krążące wokół innych gwiazd. Dopiero 25 lat temu sytuacja się zmieniła. A teraz znajdujemy się w punkcie, w którym wymyślamy sposoby poszukiwania i odkrywania życia poza Ziemią”  mówi profesor astronomii John Clarke z Uniwersytetu Bostońskiego oraz dyrektor Center for Space Physics. “To prawdziwa intelektualna przygoda”.

[AdSense-A]

 

Prace zespołu rozpoczęły się kiedy Mendillo i Withers otrzymali grant z NSF na porównanie wszystkich jonosfer planet w Układzie Słonecznym (wszystkich planet poza Merkurym, który znajduje się na tyle blisko Słońca, że jego atmosfera została całkowicie “wywiana” w przestrzeń kosmiczną). Jednocześnie badacze pracowali także nad realizowaną przez NASA misją MAVEN, starając się zrozumieć jak cząsteczki, które tworzyły jonosferę Marsa uciekły  w przestrzeń kosmiczną. Praktycznie o początku ery kosmicznej naukowcy mają świadomość znaczących różnic między jonosferami poszczególnych planet. Naukowcy z BU skupili się teraz na pytaniu dlaczego tak jest i dlaczego Ziemia się od nich tak znacząco różni. Podczas gdy inne planety wypełniają swoje jonosfery mnóstwem złożonych naładowanych cząstek powstających z dwutlenku węglu lub wodoru, w ziemskiej jonosferze znajduje się przede wszystkim tlen. Jest to specyficzny tlen – pojedyncze atomy tlenu o dodatnim ładunku.

“Zacząłem się zastanawiać dlaczego nasza jonosfera tak bardzo różni się od sześciu pozostałych?” wspomina Mendillo.

Badacze odrzucili liczne możliwości wyjaśnienia wysokiej obfitości O+ w ziemskiej jonosferze zanim została im jedna: zielone rośliny i algi.

“To właśnie fakt, że posiadamy ten tlen atomowy, który ma swoje początki w fotosyntezie” mówi Mendillo. “Pojedyncze jony tlenu O+ w jonosferze są bezpośrednim skutkiem życia na Ziemi. Dlatego właśnie warto sprawdzić czy jesteśmy w stanie stworzyć kryterium, w którym jonosfera będzie biomarkerem, nie tylko możliwego życia, ale rzeczywistego życia, na egzoplanetach”.

10-minutowa ekspozycja przedstawiająca Ziemię w podczerwieni sfotografowaną z Księżyca w trakcie misji Apollo 16. Jasnożółta poświata to tlen atomowy (O). Po ciemnej stronie widać smugi nocnej poświaty pochodzące od jonów tlenu atomowego (O+) w jonosferze planety. Źródło: NASA

Większość planet w Układzie Słonecznym posiada tlen w niższych warstwach atmosfery, ale Ziemia ma go znacznie więcej – około 21 procent. Odpowiada za to fakt, że żyjące organizmy pracowicie zamieniały światło, wodę i dwutlenek węgla w cukry i tlen w procesie zwanym fotosyntezą trwającym przez ostatnie 3,8 miliarda lat.

[AdSense-B]

 

“Gdyby zniszczyć wszystkie rośliny na Ziemi, tlen w naszej atmosferze zniknąłby w ciągu zaledwie tysięcy lat” mówi Withers, który zauważa, że cały ten tlen wydychany przez rośliny nie pozostaje jedynie na powierzchni Ziemi. “Dla większości ludzi O2 – tlen którym oddychamy – nie jest jakimś szczególnym związkiem chemicznym. Dla chemików jednak O2 jest prawdziwą dziką i przebiegłą bestią. Za nic nie chce stać spokojnie, wchodzi w reakcje chemiczne niemal z każdym związkiem chemicznym, który napotka, i robi to gwałtownie”.

Obecnie na Ziemi, nadmiar cząsteczek tlenu O2 unosi się w górę. Gdy O2 dociera na wysokość około 150 kilometrów nad powierzchnię Ziemi, promieniowanie ultrafioletowe rozbija cząsteczki na dwa pojedyncze atomy. Pojedyncze atomy tlenu unoszą się jeszcze wyżej, ąz do jonosfery, gdzie więcej promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego ze Słońca odrywa elektrony z ich zewnętrznych powłok, pozostawiając naładowane jony tlenu. Obfitść O2 blisko powierzchni Ziemi – tak różna od innych planet – prowadzi do obfitości O+ w górnych warstwach atmosfery.

Odkrycie o wskazuje, że naukowcy poszukujący życia pozaziemskiego mogliby zawęzić obszar swoich poszukiwań, Paul Dalba, który pracował nad atmosferami egzoplanet w BU z prof. Philipem Muirheadem dołączył do zespołu badawczego. “Wiedza Dalby o układach gwiazda-egzoplaneta bardzo nam pomogła” mówi Mendillo. Obecnie, większość naukowców skupia swoje poszukiwania na gwiazdach typu M – najpowszechniejszych w naszej galaktyce – i na planetach krążących wokół nich w tak zwanych ekosferach, gdzie może istnieć woda w stanie ciekłym.

To ma sens, ponieważ życie takie jakie znamy potrzebuje wody. Jednak naukowcy nie wiedzą dokładnie jak dużo wody potrzeba, aby planeta mogła wspierać istnienie życia. “Czy gdyby na Ziemi było tylko Morze Śródziemne, to wystarczyłoby to do rozwoju życia? Czy może potrzebujemy do tego Pacyfiku albo Atlantyku?” pyta Mendillo. “Jeżeli spojrzymy na jonosferę, nie musimy już znać konkretnych liczb. Musimy tylko wiedzieć czy maksymalna gęstość elektronów związana jest z jonami tlenu. Jeżeli tak – mamy to – mamy do czynienia z planetą, na której zachodzi fotosynteza i istnieje życie”.

Oczywiście, mamy tutaj do czynienia z założeniem, że owo życie przypomina życie istniejące na Ziemi, wymagające nie tylko wody i tlenu, ale także odpowiedniego zakresu temperatur, prawdopodobnie pola magnetycznego i innych czynników. “To dobry punkt początkowy” mówi Clarke. “Jednak z tyłu głowy zawsze powinniśmy nosić myśl, że możemy napotkać zupełnie inny rodzaj życia, o którym nawet nigdy nie myśleliśmy”.

Jest tutaj tylko jeden haczyk: jak na razie naukowcy nie mają żadnych narzędzi do wykrywania jonosfer na jakichkolwiek planetach pozasłonecznych. Jeszcze. “Jeżeli rozważymy przyszłe teleskopy kosmiczne – wiele rzeczy dziś niemożliwych, znajdzie się w naszym zasięgu. Wydaje mi się, że w ciągu dziesięciu lat będziemy mieli narzędzia umożliwiające realizację tego eksperymentu”.

Mendillo ma nadzieję, że badania przeprowadzone przez jego zespół zachęcają do dalszych badań, rozwoju i eksploracji tego tematu. “Już sama idea wykorzystania jonosfery jako sygnatury życia jest kusząca. Jeszcze nie mamy możliwości obserwacyjnych niezbędnych do tego, ale jestem optymistą. To swego rodzaju nowe wyzwanie”.

Źródło: BU