Внеземная жизнь на планетах похожих на раннюю Землю
Человечество все ближе и ближе приближается к обнаружению далеких планет, на которых могут быть признаки существования жизни. Большая часть внимания ученых сосредоточена на определении того, какие химические вещества указывают на то, что на планете присутствует внеземная жизнь.
Но помимо химических веществ, жизнь также может создавать энергию. Избыток энергии, в свою очередь, может привести к нарушению химического равновесия. Именно это и произошло на Земле, когда зародилась жизнь. Может ли нарушение химическое равновесия быть сигналом зарождения жизни?
Когда в системе имеется избыток энергии, это проявляется в виде химического равновесия. Каждая планета — это своеобразная система, и жизнь может создавать определенный избыток энергии. Таким образом, если мы обнаруживаем химическое равновесие, означает ли это, что мы нашли признак живых организмов? Сможем ли мы таким образом обнаружить признаки, подтверждающие что на планете присутствует внеземная жизнь? Вполне вероятно. Особенно, если мы рассматриваем экзопланету, очень похожую на раннюю Землю.
Новое исследование ‘’Заключение о биопризнаки химического неравновесия для протерозойских экзопланет земного типа» Эмбера Янга факультета астрономии и планетарных наук Университета Северной Аризоны отвечает этот вопрос.
«При попытке определить, обитаемы ли далекие миры или нет, химическое неравновесие может являться этаким признаком жизни, который имеет долгую историю изучения в планетарных средах подобных Солнечной системе», — пишут авторы в своей статье.
Когда в атмосфере присутствуют такие вещества, как метан (CH4) и кислород (O2), что является признаком жизнедеятельности живых организмов. Это происходит потому, что в кислородной среде метан сохраняется всего около 10 лет. Постоянное его присутствие указывает на нарушение равновесия. Чтобы обнаружить метан, нужно чтобы он постоянно пополняться в количествах, которые могут произвести только живые организмы.
Концепция свободной энергии Гиббса пытается описать эту идею. Когда система достигает химического равновесия, термодинамический потенциал сводится к минимуму. Чем дальше система находится от химического равновесия, тем больше в ней свободной энергии Гиббса.
«Основной показатель для измерения количественной оценки химического неравновесия включает в себя вычисление разницы в химической энергии, связанной с наблюдаемой системой, и теоретического состояния равновесия этой системы», — объясняют авторы. Исследователи изучают, как они могут использовать эту энергию Гиббса для понимания планет в нашей Солнечной системе. Что еще более важно, исследователи работают над тем, чтобы понять, как это может быть применено к истории Земли.
Исследование сосредоточено на протерозойском эре, третьей из четырех периодов Земли. Этот период варьируется от 2,5 миллиардов до 541 миллиона лет до н.э. и охватывает два критических важных периода в истории Земли. Свободный кислород появляется в атмосфере Земли в начале протерозоя. Протерозойская эра заканчивается непосредственно перед появлением сложной жизни.
Камнем преткновения при использовании системы измерения Гиббса в качестве биосигнатуры является то, что мы не знаем, каковы неопределенности в этих измерениях наблюдений, когда пытаемся применить это к экзопланетам, “подобным Земле”. В данном исследовании термин «подобный Земле» означает «мир с океанами размером с Землю с поверхностным давлением и температурой, подобными земным, и с атмосферой. В это мире преобладают N2, H2O и CO2 с соответствующим количеством CH4 и различными уровнями O2», объясняют авторы.
Ученые довольно много знают о Земле в протерозойскую эпоху. В своих попытках понять некоторые неопределенности наблюдений исследователи смоделировали два различных сценария один для Земли и один для Марса.
Каждый сценарий содержит различное количество свободной энергии. Затем они исследовали, как атмосферы каждой из этих смоделированных планет будут отражать свет в различных сценариях: с высоким, средним и низким содержанием биосигнатурных газов в атмосферах.
Результатом стали световые спектры, которые мы могли бы наблюдать в атмосферах экзопланет, имитирующие три различных случая для протерозойской Земли.
«Ограничение свободной энергии Гиббса является многообещающей стратегией определения характеристик, которая хорошо сочетается с устоявшимися методами обнаружения биосигнатурных газов», — заключают авторы. Но чтобы реализовать этот потенциал, нам нужны более совершенные телескопы с лучшим соотношением сигнал/шум (SNR).
«С точки зрения наблюдений, характеристика содержания CH4 и O2 необходима для вывода о сигнале неравновесия атмосферы планет аналогов Земли на протяжении большей части ее эволюционной истории», — пишут авторы.
Хотя мы склонны нормализовать все, что видим вокруг себя, нынешнее состояние Земли вряд ли можно назвать «нормальным». Земля была совсем другой на протяжении большей части своей истории. Имеет смысл искать планеты, похожие на то, какой была Земля во времена протерозоя.
Протерозой длился два миллиарда лет, и в течение всего этого периода жизнь активно формировала земную атмосферу. Если нам посчастливится когда-нибудь обнаружить другую экзопланету, поддерживающую жизнь, то чисто случайно она, скорее всего, будет больше похожа на протерозойскую Землю, чем на современную.