Возможны ложные данные о кислороде при поиске признаков жизни на других планетах

В поисках жизни на других планетах присутствие кислорода в атмосфере планеты является одним из потенциальных признаков биологической активности, которая может быть обнаружена будущими телескопами. Новое исследование описывает несколько сценариев, в которых безжизненная каменистая планета вокруг звезды, похожей на Солнце, может эволюционировать и создать кислород в атмосфере.

Новые результаты, опубликованные 13 апреля в журнале AGU Advances, подчеркивают необходимость в телескопах следующего поколения, способных характеризовать планетную среду и искать многочисленные свидетельства существования жизни в дополнение к обнаружению кислорода.

«Это полезно, потому что показывает наличие способов получить кислород в атмосфере без жизни, но есть и другие наблюдения, которые можно сделать, чтобы помочь отличить ложные срабатывания от реальных», - сказал первый автор Джошуа Криссансен-Тоттон. «Для каждого сценария мы пытаемся показать, что телескоп должен уметь отличать это от биологического кислорода».

В ближайшие десятилетия, возможно, к концу 2030-х годов, астрономы надеются получить телескоп, способный снимать изображения и спектры потенциально похожих на Землю планет вокруг звезд, похожих на Солнце. Соавтор Джонатан Фортни, профессор астрономии и астрофизики и директор Лаборатории других миров UCSC, высказался, что идея будет заключаться в нацеливании на планеты, достаточно похожие на Землю, чтобы на них могла возникнуть жизнь и характеризовать их атмосферы.

«Было много дискуссий о том, является ли обнаружение кислорода «достаточным» признаком жизни», - сказал он. «Эта работа свидетельствует о необходимости знать контекст нового обнаружения. Какие другие молекулы обнаружены помимо кислорода или не обнаружены, и что это говорит об эволюции планеты?»

Это означает, что астрономам понадобится телескоп, чувствительный к широкому диапазону длин волн, чтобы обнаруживать различные типы молекул в атмосфере планеты.

Исследователи основали свои выводы на подробной, сквозной вычислительной модели эволюции каменистых планет, начиная с их расплавленного происхождения и заканчивая миллиардами лет похолодания и геохимических циклов. Варьируя начальный набор летучих элементов на своих модельных планетах, исследователи получили удивительно широкий диапазон результатов.

Кислород может начать накапливаться в атмосфере планеты, когда высокоэнергетический ультрафиолетовый свет расщепляет молекулы воды в верхних слоях атмосферы на водород и кислород. Легкий водород улетучивается в космос, оставляя кислород позади. Другие процессы могут удалять кислород из атмосферы. Окись углерода и водорода, выделяющиеся, например, в результате выделения газа из расплавленной породы, вступают в реакцию с кислородом, а выветривание породы поглощает кислород. Это лишь некоторые из процессов, которые исследователи включили в свою модель геохимической эволюции каменистой планеты.

«Если запустить модель Земли с тем, что, как мы думаем, было начальным инвентарем летучих веществ, всегда будет получаться один и тот же результат - без жизни не получить кислород в атмосфере», - сказал Криссансен-Тоттон. «Но мы также нашли несколько сценариев, в которых можно получить кислород без жизни».

Например, планета, которая в остальном похожа на Землю, но начинается с большего количества воды, в конечном итоге будет иметь очень глубокие океаны, оказывая огромное давление на кору. Это эффективно останавливает геологическую деятельность, включая все процессы, такие как таяние или выветривание горных пород, которые могут удалить кислород из атмосферы.

В противном случае, когда планета начинается с относительно небольшим количеством воды, поверхность магмы изначально расплавленной планеты может быстро замерзнуть, в то время как вода остается в атмосфере. Эта "паровая атмосфера" перемещает достаточно воды в верхние слои атмосферы, чтобы обеспечить накопление кислорода, когда вода распадается и водород улетучивается.

«Типичная последовательность состоит в том, что поверхность магмы затвердевает одновременно с конденсацией воды в океаны на поверхности», - сказал Криссансен-Тоттон. «На Земле, когда вода конденсировалась на поверхности, скорость утечки была низкой. Но если сохранить паровую атмосферу после того, как расплавленная поверхность затвердеет, есть окно примерно в миллион лет, когда кислород может накапливаться из-за высокой концентрации воды в верхних слоях атмосферы и отсутствия расплавленной поверхности для потребления кислорода, образующегося при утечке водорода».

Третий сценарий, который может привести к появлению кислорода в атмосфере, связан с планетой, которая в остальном похожа на Землю, но начинается с более высокого соотношения углекислого газа к воде. Это приводит к неуправляемому парниковому эффекту, в результате чего атмосфера становится слишком горячей, чтобы вода могла конденсироваться из атмосферы на поверхность планеты.

«В этом венероподобном сценарии все летучие вещества начинаются в атмосфере, и лишь немногие из них остаются в мантии для выделения газа и поглощения кислорода», - сказал Криссансен-Тоттон.

Он отметил, что предыдущие исследования были сосредоточены на атмосферных процессах, тогда как модель, используемая в этом исследовании, исследует геохимическую и термическую эволюцию мантии и коры планеты, а также взаимодействия между земной корой и атмосферой.

«Это не требует больших вычислительных ресурсов, но есть много переменных и взаимосвязанных процессов», - пояснил Криссансен-Тоттон.