Hvernig JWST gæti fundið merki um framandi líf í andrúmslofti fjarreikistjörnunnar

ÞEGAR fyrstu athuganir frá James Webb geimsjónaukinn (JWST) var gerður opinber í júlí 2022, myndirnar af djúpum geimnum voru svo hrífandi fallegar að auðvelt var að horfa framhjá grafinu sem var dásamlegt útlit sem birt var við hlið þeirra. Heimurinn var agndofa af tignarlegum víðmyndum gas- og rykskýja sem stjörnur eru fæddar úr, og skínandi þyrilformum fáránlega fjarlægra vetrarbrauta. En fyrir marga stjörnufræðinga var línuritið, einföld bogadregin lína, alveg jafn kjálkafallandi. Það boðaði nýtt tímabil í leitinni að framandi lífi.

Með því að sýna ótvíræða uppgötvun vatnsgufu í andrúmslofti fjarreikistjörnu sem kallast WASP 96b, var það fyrsta sönnunin fyrir því að þessi öflugi sjónauki myndi geta skilað því sem margir höfðu efast um, nefnilega nákvæmar upplýsingar um innihald lofthjúps á heimum handan sólar okkar. kerfi. Rétt eins og fegurð sumra þessara djúpsviðsmynda fangaði ímyndunarafl almennings, rafmögnuðu gæði þessa áður óþekkta línurits stjörnufræðinga. Allt í einu var ljóst að við getum virkilega skyggnst inn í geimveruhimininn sem aldrei fyrr. Að lokum höfum við baráttumöguleika á að koma auga á fíngerð merki sem myndu sanna að líf sé til annars staðar – ekki að það verði auðvelt.

Nú eru stjörnufræðingar að skipuleggja næstu skref sín. Eftir að hafa skorið niður efnilegustu pláneturnar, stilla þeir upp tímanum með JWST til að kanna andrúmsloftið þeirra, hugsa aftur um hvaða lífsmerki við ættum að leita að – og auka möguleikana á árangri. „Mér finnst við vera á byrjunarreit á mjög spennandi ferðalagi,“ segir Laura Kreidberg hjá Max Planck stjörnufræðistofnuninni í Heidelberg í Þýskalandi.

Lofthjúpur utan reikistjarna geyma alls kyns vísbendingar um úr hverju plánetan er gerð. Við rannsökum þær með tækni sem kallast litrófsgreining, sem nýtir sér þá staðreynd að mismunandi frumeindir og sameindir gleypa mismunandi bylgjulengdir ljóss (sjá „Skýjablettur“ hér að neðan).

Fyrsti árangurinn við að rannsaka geimveruhiminn kom árið 2002, þegar David Charbonneau , þá við California Institute of Technology, og samstarfsmenn hans notuðu Hubble geimsjónauki til að horfa á gasrisaheimur sem heitir HD 209458b, kallaður Osiris, fer yfir andlit móðurstjörnu sinnar. Þegar það gerði það, fann Hubble smá deyfingu á ljósi stjörnunnar á bylgjulengdinni sem natríum gleypir. Áhrifin hurfu þegar plánetan færðist af yfirborði stjörnunnar, sem þýðir að það hlýtur að hafa stafað af natríum í lofthjúpi Osiris.

Framandi veður

Upp frá því fóru stjörnufræðingar smám saman að dýfa tánum í að greina lofthjúp fjarreikistjörnunnar. Upphafleg skotmörk urðu að vera heimar sem hindra umtalsvert magn af stjörnuljósi. Þetta reyndust vera stærsta og næsta dæmið um „heita Júpíters“, gasrisareikistjörnur sem sitja óútskýranlega nálægt móðurstjörnu sinni og klára eina braut á aðeins nokkrum dögum um jörðina.

Stjörnufræðingar gátu í mörg ár séð frumefni og sameindir í lofthjúpi slíkra fjarreikistjörnur. Síðan, árið 2017, sáum við raunverulegan kraft litrófsgreiningar þegar kemur að því að einkenna heima handan sólkerfisins okkar.

Thomas Mikal-Evans, þá við háskólann í Exeter, Bretlandi, og félagar hans notuðu Hubble og innrauða Spitzer geimsjónaukann til að rannsaka WASP-121b. Þegar horft var á þennan heita Júpíter, í 850 ljósára fjarlægð frá jörðinni og um 1,81 sinnum stærri en Júpíter, kom í ljós fyrsta vatnsgufan sem sést í lofthjúpi fjarreikistjörnunnar. En þeir létu ekki þar við sitja. Eftir að hafa rannsakað WASP-121b í heila braut, um 31 klukkustund, sá hópurinn eitthvað ótrúlegt. Hitastig á sólarhring plánetunnar, sem snýr að stjörnunni, var svo hátt að þær rifu vatnssameindir í sundur og mynduðu vetni, súrefni og hýdroxýl. Upphitunin olli gífurlegum vindum á jörðinni og sópaði þessar sameindir til nætur þar sem hitastigið lækkaði nægilega mikið til að þær gætu sameinast aftur í vatn. Það var fyrsta vísbendingin um veður í öðru sólkerfi.

„Okkur tókst í raun að mæla þetta gerast með því að fylgjast með því hvernig litrófseiginleikar vatns breyttust frá sólahveli yfir í næturhvel,“ segir Mikal-Evans, nú við Max Planck Institute for Astronomy.

Hitamunurinn var svo mikill, vangaveltur teymið, að einföld steinefni eins og korund, tegund áloxíðs, gætu líka gufað upp á heitu hliðinni og þéttist í ský á svölu hliðinni. Korund myndar undirstöðu rúbína og safíra, sem þýðir að skýin á WASP-121b gætu verið úr rúbín og safírryki.

Þar til nýlega hefur tæknin sem gerir litrófsgreiningu á geimverum haft sín takmörk. „Með öllum krafti Hubble og Spitzer og sjónauka á jörðu niðri, höfum við aðeins lært svolítið um hvers má búast við fyrir þessa lofthjúp,“ segir Kreidberg. „Við höfum séð bara toppinn á ísjakanum.

Með hjálp JWST erum við nú að kafa undir yfirborðið. Það er vegna þess að JWST er betri en forvera sína í þremur meginatriðum. Fyrst er staða þess í geimnum. Langt frá sporbraut jarðar getur þessi sjónauki haldið skotmörkum sínum nákvæmlega í takt við skynjara sína og styrkt greiningu jafnvel daufra merkja. Í öðru lagi er JWST með 6,5 metra þvermál spegil, sem er stórt skref upp frá 2,4 metra þvermáls spegli Hubble, sem gerir JWST kleift að safna miklu meira ljósi og sýna daufari smáatriði. Kannski er stærsti kosturinn þess þó að hann virkar yfir innrauða litrófið. Það er blessun vegna þess að sameindir elska að hafa samskipti við ljós á þessum bylgjulengdum. „Infrarautt er ríkasta litrófssvæðið ef þú vilt sjá frásog sameinda,“ segir Drake Deming við háskólann í Maryland . Og spegill JWST er meira en 7,5 sinnum stærri í þvermál en fyrri innrauða sjónaukar, eins og Spitzer.

Það sem allt þetta þýðir er að í fyrsta skipti hafa stjörnufræðingar tækifæri til að sjá smáatriðin í lofthjúpi grýtta fjarreikistjörnunnar, sem er almennt talið besti kosturinn til að finna hugsanleg merki um líf.

Það sem við erum að leita að eru smærri klettareikistjörnur með andrúmslofti, eins og jörðin, sem gerast á braut innan búsetusvæðisins í kringum stjörnu, þar sem hitastig myndi leyfa fljótandi vatni að vera á yfirborði plánetunnar. Vandamálið er að smærri heimar, með minni þyngdarafl, geta aðeins haldið tiltölulega þunnu lofthjúpi. (Til dæmis, andrúmsloft jarðar leggur minna en 1 prósent af radíus hennar.) Þannig að ef við viljum greina lofthjúp þeirra með JWST, verða þessir grýttu heimar líka að vera tiltölulega nálægt.

Þau viðmið ein og sér draga verulega úr fjölda raunhæfra markmiða. „Fyrir klettareikistjörnur sem eru á byggilegu svæði og aðgengilegar JWST, erum við að tala um innan við 10,“ segir Kreidberg (sjá „ Efnilegar plánetur“ hér að neðan).

Jafnvel þá eru fylgikvillar. Hver af markreikistjörnunum snýst um sína eigin litlu rauðu dvergstjörnu. Þessar stjörnur eru kaldari en sólin, þannig að búsvæði þeirra eru miklu nær en sólar, sem gæti gert plánetunni erfitt fyrir að halda lofthjúpi. Má þar nefna veggspjaldabarn markkerfa – TRAPPIST-1, ofurkald rauð dvergstjarna í um 40 ljósára fjarlægð frá jörðinni með sjö þekktum klettareikistjörnum. Yfirborðshitastig þessarar stjörnu er minna en helmingi hærra en sólar, sem þýðir að byggilegt svæði hennar er mjög nálægt stjörnunni. Þannig að þó að þrjár eða fjórar af TRAPPIST plánetunum sitji á byggilegu svæði er engin trygging fyrir því að þær hafi lofthjúp. „Það er mögulegt að þeir séu allir berir steinar,“ segir Kreidberg.

Þótt þessi tiltekni rauði dvergur sé í dag kaldari en sólin snerist dæmið við við myndun hans. Stjarna myndast þegar vasi af millistjörnugasi dregst saman fyrir krafti eigin þyngdarafls. Í því ferli losar það straum af háorkugeislun. Minni stjörnur hafa veikara þyngdarafl og eru því lengur að dragast saman, sem þýðir að þær eru að losa þetta orkuflóð lengur en stærri frændur þeirra. Þetta gæti sprengt burt hvaða andrúmsloft sem er frá nálægum plánetum sem eru að myndast.

Með allt það í huga mun Kreidberg nota JWST til að fylgjast með TRAPPIST-1 reikistjörnunum þegar þær hreyfast fyrir framan og aftan stjörnuna sína. Hugmyndin er að ákvarða muninn á dag- og næturhita þeirra, sem mun aftur segja henni hvort hver þeirra hafi lofthjúp eða ekki. Andrúmsloftið hefur tilhneigingu til að dreifa hita um plánetu á skilvirkan hátt, þannig að dag- og næturhitastig hafa tilhneigingu til að vera svipað. Berur steinn án andrúmslofts mun hitna á daginn og geisla síðan orkunni beint út í geiminn á næturhliðinni, sem gefur annað hitastig.

Þegar við vitum að það er andrúmsloft, þá er kominn tími til að reyna að fá litróf og leita að einkennum lífsins. Miðað við það sem við vitum á jörðinni er best að leita að litrófsfingraförum súrefnis og metans. Allar lífverur anda; þeir taka til sín eina lofttegund eða efni, vinna úr því orku og losa síðan úrgangsgasi. Í tilviki dýra er súrefni inntakið og koltvísýringur er úttakið. Fyrir plöntur er það öfugt. Hjá dýrum framleiðir umbrot matvæla einnig aðrar úrgangslofttegundir, eins og metan. Allt þetta safnast upp í lofthjúpi plánetunnar, slær það út úr efnajafnvægi – og gefur af sér greinanlega undirskrift.

Reyndar er súrefnið sem við treystum nú á fyrir lífið frábært dæmi. Elstu örverur jarðar fengu orku með ljóstillífun og framleiddu súrefni sem úrgangsefni, eins og plöntur nútímans. Aðrar örverur þróuðust til að umbrotna súrefnið. Að sjá súrefni og metan saman í andrúmslofti fjarreikistjörnur væri það næsta sem við getum ímyndað okkur í dag. Þessar tvær lofttegundir eru líffræðilega framleiddar á jörðinni og myndu annars ekki lifa saman í loftinu. Án stöðugrar áfyllingar frá lífverum myndu þær bregðast við efnafræðilega og hverfa úr andrúmsloftinu.

Tilfinning listamanns af heitum Júpíter sem gengur framhjá stjörnu sinni

NASA/CXC/M.Weiss

TRAPPIST-1e er plánetan sem gefur bestu möguleika á slíkri uppgötvun. Fullkomnar aðstæður myndu auka þá möguleika, en virðast ólíklegar í raun og veru. Listinn yfir þá er langur. „Ef við erum virkilega, virkilega heppin og plánetan hefur nákvæmlega þá samsetningu andrúmsloftsins sem við búumst við, þá skilar JWST sig svo fullkomlega að við getum staflað upp gögnum aftur og aftur og aftur og aftur til að draga úr hávaðanum, lofthjúpurinn hefur ekki skýjum og það er engin mengun í litrófinu frá gestgjafastjörnunni, sem við vitum nú þegar að er ekki satt,“ segir Kreidberg. „Allir þessir hlutir yrðu að gerast áður en við gætum fengið bæn um að bera kennsl á lífundirskriftina.

Lífsmerki

Svona orðað hljómar það næsta ómögulegt, en slíkt mat byggir á því sem við vitum um líf á jörðinni. „Það eina sem væri virkilega ánægjulegt er ef við sæjum lífmerki einhvers staðar sem við bjuggumst ekki við,“ segir Deming, „Allir eru að hugsa um bergreikistjörnur, eins og jörðina með fast yfirborð og þunnt lofthjúp, en kannski ekki.

Til dæmis myndi hann elska að sjá eitthvað frá fjarreikistjörnu sem líkist Neptúnusi. Um það bil fimmfalt þvermál jarðar og að mestu úr ísköldum efnum hefur fjöldi þessara reikistjarna af Neptúnusflokki fundist í kringum aðrar stjörnur. Það er forvitnilegt að sumir hafa flust nógu nálægt stjörnum sínum að þeir gætu verið þakið höfum heimsins – þegar á litið er frábær vettvangur fyrir lífið. Og með stærra andrúmslofti til að byrja með ætti svo heitt Neptúnus að gera starf JWST auðveldara.

Þegar kemur að lífrænum undirskriftum er ný kynslóð vísindamanna farin að hugsa í auknum mæli út fyrir rammann. Justin Wang við háskólann í Colorado , Boulder, leggur til að leitað sé að safni sameinda sem kallast pólýhýdroxýalkanóöt (PHA). Þetta eru a fjölskylda pólýestera sem eru eingöngu framleidd af örverum. Sem slík má líta á þau sem lífplast og hvar sem þau koma fyrir virðast þau hafa nokkra merkilega eiginleika.

„Ég fann margar tegundir af örverum sem nota PHA,“ segir Wang, „og ég komst að því að í mörgum [örverunum sem kallast] öfgadýr eru lífplastið skýringin á því hvernig þau geta lifað af í þessu umhverfi. Þetta er tónlist í eyrum stjörnufræðings vegna þess að öfgadýr, eins og nafnið gefur til kynna, búa í erfiðu umhverfi sem flestu öðru lífi á jörðinni myndi finnast eitrað. Svo kannski eru lífplastefni einmitt sú tegund af sameindum sem við ættum að leita að.

Sem stendur telur Wang að auðveldara sé að framkvæma slíka leit á stöðum eins og Mars, þar sem vélmenni geta tekið upp sýnishorn af óhreinindum og unnið úr þeim. Hann getur ekki auðveldlega hugsað um aðstæður þar sem PHA myndi byggjast upp til að búa til greinanlegt merki í lofthjúpi plánetu. Engu að síður vekur hugmyndin upp þann möguleika að ef til vill höfum við hugsað of þröngt hingað til um lífundirskriftirnar sem við erum að leita að – eða staðina til að leita að.

Þegar vísindamenn vinna sig í gegnum nærliggjandi fjarreikistjörnur með JWST gætum við komið mjög á óvart. Næst þegar NASA og Evrópska geimferðastofnunin gera mikið mál úr bylgjulínu gæti það verið vegna þess að við höfum svarað þeirri gömlu stóru spurningu: erum við ein í alheiminum?