Однажды моросящим утром астробиолог Шон Домагаль-Голдман сидел в кофейне в Сиэтле и не мигая смотрел на экран своего ноутбука, словно парализованный. Он запустил имитацию развивающейся планеты, как вдруг в атмосфере виртуальной планеты начал накапливаться кислород. Его концентрация выросла с нуля до пяти, а после и до десяти процентов.
«Что-то не так?», — спросила его жена. «Ага», — ответил Шон.
Рост кислорода был плохой новостью для поисков внеземной жизни. В поисках ее признаков, астробиологи в первую очередь пытаются решить, какие газы должны быть в приоритете.
После тысячелетних поисков ответа на вопрос «одиноки ли мы во Вселенной» — один из самых глубоких и, возможно, первых вопросов человечества кроме «что будешь на обед?», по мнению астробиолога NASA Линн Ротшильд, — охота на жизнь других планет набирает серьезные обороты. Тысячи экзопланет, то есть планет, вращающихся вокруг других звезд, были обнаружены за последние десять лет. Среди них имеются возможные суперземли, околонептуны, горячие юпитеры и, возможно, твердые, богатые водой, «двойники Земли», как Kepler-452b, расположенная в 1400 световых годах отсюда. Вместе с ожидаемым запуском космического телескопа Джеймса Вебба в 2018 году, астрономы надеются получить возможность заглянуть за тысячи световых лет и понюхать атмосферы самых многообещающих экзопланет. Они будут искать «биосигнатурные газы», пары которых могут быть произведены лишь внеземной жизнью.
Каким образом? Они попытаются сделать это, наблюдая за тонким кольцом звездного света вокруг экзопланеты, которое образуется, когда планета оказывается напротив своей родительской звезды. Газы в атмосфере экзопланеты поглотят определенные частоты звездного света, оставив красноречивые полосочки в спектре.
Домагаль-Голдман, тогда научный сотрудник Лаборатории виртуальных планет при Университете Вашингтона, хорошо знал, что золотым стандартом биосигнатурных газов является кислород. Его не только в изобилии производит флора Земли — и, возможно, других планет — 50 лет уверенных исследований показывают, что геология или фотохимия не могут производить его на должном уровне, что делает его уверенной сигнатурой жизни. Но небо созданного Домагалем-Голдманом мира, наполненное кислородом, не было результатом биологической активности, а результатом того, что сильная радиация Солнца выбивала атомы кислорода из молекул диоксида углерода в воздухе быстрее, чем они рекомбинировались. Оказалось, эту биосигнатуру можно подделать.
Поиск биосигнатурных газов вокруг далеких экзопланет — «это чрезвычайно грязная проблема», говорит Виктория Мидоуз, глава австралийской VPL. В годы после открытия Домагаля-Голдмана, Мидоуз поставила задачу своей команде из 75 человек выявить крупнейшие «ложноположительные признаки кислорода», которые могут возникнуть на экзопланете, а также найти способы отличить эти ложные тревоги от настоящих кислородных признаков биологической активности. Мидоуз по-прежнему считает кислород лучшим биосигнатурным газом. Однако, «если я буду его искать, я хочу быть уверена, что когда увижу его, буду знать, что увидела», говорит она.
Виктория Мидоуз
Между тем, Сара Сигер, упрямый охотник на «двойников Земли» из Массачусетского технологического института, которой широко приписывают изобретение спектральной техники анализа атмосфер экзопланет, продвигает исследования биосигнатурных газов в другом направлении. Сигер признает, что кислород — многообещающий газ, но призывает сообщество астробиологов быть менее террацентрическими в поисках внеземной жизни — выходить за рамки земной геохимии и, в частности, воздуха, которым мы дышим. «Я считаю, что нельзя оставить камня на камне; нужно изучить все».
По мере того как будущие телескопы расширяют наш кругозор касательно миров земного типа, остается лишь вопрос времени, прежде чем будет обнаружена потенциальная биосигнатура газа в далеком небе. Это будет открытием на века: доказательство того, что мы не одни. Но как нам узнать это наверняка?
Ученые должны быстро отточить свои модели и устранить подводные камни, чтобы отобрать лучшие цели среди экзопланет для телескопа Джеймса Вебба. Поскольку потребуются сотни часов, чтобы изучить спектр каждой планетарной атмосферы, и много конкурентных целей будет изучаться одновременно, телескоп, вероятнее всего, сможет наблюдать одну-три планеты земного типа в потенциально обитаемой «зоне Златовласки» у ближайших звезд. Выбирая из растущего списка экзопланет, ученые хотят заранее отринуть ложноположительные проявления кислорода. «Мы хотим сложить все яйца не в одну, а хотя бы несколько корзин, — говорит Мидоуз. — Поэтому важно попытаться выяснить, на что было бы лучше взглянуть. Также нужно определить, где мы можем обмануться».
Дыхание жизни
Кислород считался золотым стандартом с тех пор, как химик Джеймс Лавлок впервые заговорил о биосигнатурных газах в 1965 году, работая над методами обнаружения жизни на Марсе в NASA. Поскольку Фрэнк Дрейк и другие пионеры астробиологии пытались уловить радиосигналы, идущие от далеких цивилизаций — в рамках поиска внеземной жизни SETI — Лавлок рассудил, что присутствие жизни на других планетах можно вывести путем поиска несовместимых газов в их атмосферах. Если можно обнаружить два газа, которые реагируют друг с другом, тогда некая живая биохимия должна постоянно восполнять атмосферные запасы планеты.
Полноразмерная версия космического телескопа Джеймса Вебба на теннисном корте
В случае Земли, несмотря на постоянную реакцию с углеводородами и минералами в воздухе и на суше с образованием воды и диоксида углерода, двухатомный кислород (O2) стабильно составляет 21% атмосферы. Кислород держится, поскольку его заливают в небо фотосинтезаторы Земли — растения, водоросли и цианобактерии. Они используют солнечный свет, чтобы выделять атомы водорода из атомов воды, выстраивая углеводороды и выпуская кислород в качестве побочного продукта. Если фотосинтез прекратится, существующий в небе кислород будет реагировать с элементами в земной коре и упадет до незаметного уровня за 10 миллионов лет. Тогда Земля будет напоминать Марс, с его наполненным диоксидом углерода воздухом и ржавой, окисленной поверхностью — что, по мнению Лавлока, указывает на отсутствие жизни на Красной планете в настоящее время.
Но в то время, как кислород является торговой маркой жизни на Земле™, с чего бы ему быть таковым повсюду? Мидоуз утверждает, что фотосинтез предлагает настолько очевидное эволюционное преимущество, что, скорее всего, будет преобладать в любой биосфере. Фотосинтез заставляет крупнейший источник энергии на любой планете, его солнце, работать над самым распространенным сырьем на планете: водой и двуокисью углерода. «Если вы хотите заполучить сверхметаболизм, вы попробуете и выработаете что-то, что позволит вам использовать солнечный свет», — говорит Мидоуз.
Двухатомный кислород также может похвастать сильными полосами поглощения в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне — именно в том диапазоне чувствительности, в котором работают телескоп Джеймса Вебба и телескоп WFIRST, запланированный к запуску в 2020-х годах. Учитывая, сколько надежд возлагается на кислород, Мидоуз хочет знать, где могут быть подводные камни.
Пока что ее команда определила три крупнейших небиологических механизма, которые могут наполнять атмосферу кислородом, производя ложноположительные сигнатуры жизни. На планете, сформировавшейся вокруг небольшой и юной звезды М-карлика, например, мощный ультрафиолетовый свет в определенных случаях может выпарить океаны планеты, создав плотную атмосферы из водяного пара. На больших высотах, как сообщали ученые VPL в журнале Astrobiology в прошлом году, мощная ультрафиолетовая радиация выбивает легкие атомы водорода. Потом они убегают в космос, оставляя покров кислорода, в тысячи раз плотнее, чем атмосфера Земли.
Из-за небольших размеров звезд М-карликов, проще обнаружить небольшие твердые планеты, проходящие перед ними, и именно такая задача стоит перед миссией TESS (Transiting Exoplanet Survey Satellite) NASA, запланированной на следующий год. Планеты земного типа, которые , будут выбираться из находок TESS. Дожидаясь этих кандидатов, астробиологи должны выяснить, как провести разделительную черту между инопланетным фотосинтезом и вскипяченными океанами. В работе, которая готовится к публикации, Мидоуз и ее коллеги показали, что полосы спектрального поглощения четырехатомного кислорода (O4) иногда образуются при столкновении молекул O2. Чем плотнее двухатомный кислород в атмосфере, тем больше происходит молекулярных столкновений. «Мы можем искать O4, который станет для нас красноречивым сигналом, что мы не просто смотрим на атмосферу в 1 бар с 20-процентным кислородом (землеподобную атмосферу с возможным фотосинтезом), а смотрим на что-то с огромным количеством кислорода».
Сильный сигнал окиси углерода будет воспринят как ложноположительный. Это именно то, что Домагаль-Голдман обнаружил тем моросящим утром в 2010 году. Теперь он работает ученым в Центре космических полетов Годдарда в NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, и говорит, что больше не сомневается в перспективах кислорода как надежного биосигнатурного газа. Ложноположительный кислород появляется в редких случаях, говорит он, «и планета с этими конкретными случаями должна иметь наблюдаемые свойства, которые мы сможем обнаружить, если только подумаем об этом заранее».
Сара Сигер
Он и другие астробиологи стараются также не забывать о том, что планеты могут укрывать жизнь, но не иметь кислорода в атмосферах. Оба этих ложноположительных и ложноотрицательных варианта сигнатур помогли убедить Сару Сигер в необходимости выйти за пределы кислорода в сторону менее очевидных биосигнатур.
Энциклопедия газов
Если открытия разнообразных экзопланет за последние десять лет нас чему-то научили, так это тому, что размеры планет, их состав и химия отличаются невероятно. Считая кислород всеобщим и всеподходящим биосигнатурным газом, говорит Сигер, мы можем что-то упустить. А ученый, который лелеет мечту найти признаки внеземной жизни, в возрасте 44 лет не может позволить себе такой промашки.
Даже на Земле, как указывает Сигер, фотосинтезаторы накачивали кислород сотни миллионов лет до тех пор, пока этот процесс не преодолел уровень утечки кислорода на Земле и кислород не начал накапливаться в небе 2,4 миллиарда лет назад. До момента в 600 миллионов лет назад, если судить лишь по уровню кислорода, Землю можно было посчитать безжизненной.
Мидоуз и ее коллеги изучили некоторые альтернативы кислородному фотосинтезу. Но Сигер, наряду с Уильямом Бейнсом и Янушем Петковским, продвигают так называемый «всемолекулярный» подход. Они формируют внушительную базу данных молекул — пока в 14 000 экземпляров — которые могут стабильно существовать в газообразной форме. На Земле многие такие молекулы извергаются в ничтожных объемах экзотическими существами, которые процветают у подводных термальных источников и в других экстремальных местах; они не накапливаются в атмосфере. Но на другой планете все может обернуться иначе. На богатых метаном планетах, как решили ученые в 2014 году, фотосинтезаторы могли бы добывать углерод из метана (CH4), а не из CO2, и выбрасывать водород, а не кислород, что привело бы к избытку аммиака.
«Конечной долгосрочной целью является возможность взглянуть на другой мир и сделать уверенные выводы о том, какая жизнь могла бы процветать в таком мире», — говорит Бейнс.
Домагаль-Голдман соглашается в том, что важно глубоко задумываться как о кислороде, так и о других биохимических возможностях.
«Из-за всех этих сюрпризов, которые случились в процессе нашего изучения масс, радиусов и орбитальных свойств других миров, астрономы теперь терзают людей вроде меня, которые занимаются околоземными науками, мол, «давайте, думайте шире». Это здоровое и необходимое давление».
Мидоуз, однако, сомневается в практичности «всемолекулярного» подхода. Она критикует идею Сигер: «После того как вы создадите эту исчерпывающую базу данных, как вы определите те молекулы, которые, вероятнее всего, произведены жизнью? И как вы определите их ложноположительные срабатывания? Вы все равно будете опираться на земную жизнь и на наше понимание планетарных условий и взаимодействия жизни с этими условиями».
Размышляя о том, какой могла бы быть жизнь, чрезвычайно сложно отказаться от единственных проверенных данных, которые у нас имеются — пока.
Неопределенные коэффициенты
На симпозиуме 2013 года Сигер представила пересмотренный вариант уравнения Дрейка, знаменитой формулы Фрэнка Дрейка 1961 года, по которой определяют успех инициативы SETI. Если уравнение Дрейка перемножает ряд по большей части неизвестных факторов, чтобы оценить число «радиовещательных» цивилизаций в галактике, уравнение Сигер оценивает число планет с обнаружимыми биосигнатурными газами. С современной тенденцией искать любую жизнь независимо от ее интеллектуальных или «радиовещательных» возможностей, наши шансы на успех больше не зависят от неопределенностей вроде редкости интеллекта или популярности радиотехнологий в галактике. Впрочем, остается один крупный вопрос: вероятность возникновения жизни в первую очередь на твердой планете с атмосферой и водой, вроде нашей.
«Абиогенез», такое название носит это загадочное событие, похоже, произошел недолго после того, как на Земле собралась жидкая вода, что указывает на то, что жизнь может относительно легко (даже неизбежно) появиться при необходимых условиях. Но если так, почему абиогенез не произошел множество раз на протяжении истории Земли в 4,5 миллиарда лет и не породил несколько биохимически различных родословных вместо монокультурной жизни на основе ДНК?
Джон Баросс, микробиолог Вашингтонского университета, изучающий происхождение жизни, объясняет, что абиогенез вполне мог происходить постоянно, создавая зверинец генетических кодов, структур и метаболизмов на юной Земле. Но обмен генов и дарвиновская селекция выровняли эти разные семьи в одну родословную, которая колонизировала буквально каждый клочок Земли и препятствовала возникновению новой жизни. Короче говоря, нельзя полагать, что абиогенез был спонтанным событием, случайным совпадением — здесь или где-либо еще во Вселенной.
Сигер считает, что у жизни есть 100-процентный шанс возникновения на планетах земного типа, и половина этих биосфер будет производить обнаружимые биосигнатурные газы — еще одна неопределенность в ее уравнении. Оптимистичная оценка Сигер такова, что по этим двум признакам мы обнаружим внеземную жизнь уже в следующие десять лет. «Вы должны смеяться», говорит Сигер.
И все же Мидоуз, Сигер и их коллеги считают, что в этом десятилетии такое обнаружение произойдет маловероятно. Хотя перспективы будут улучшаться с будущими миссиями, телескопу Джеймса Вебба должно крайне повезти, чтобы он нашел внеземную жизнь, едва приступив к работе. И даже если одна из целевых планет будет иметь жизнь, спектральные измерения легко обдурить. В 2013 году телескоп Хаббла наблюдал за светом звезды, перед которой проходила планета средних размеров GJ 1214b, но спектр был чистым, без каких-либо химических отпечатков. Сигер и ее коллеги написали в Nature, что высотный слой облаков скрывает из виду небо планеты.
По материалам Quanta Magazine
Комментарии (0)