Пошук життя на інших планетах потребує методу просіювання хімії їхніх атмосфер. Якби інший вид спостерігав за Землею в пошуках життя, він би шукав «потрібну» хімію в атмосфері. Це включає пошук кисню, оскільки він виникає через фотосинтез у рослин та діяльність деяких бактерій. Отже, головним є пошук залежних від життя хімічних «сигналів» на екзопланетах.

Космічний телескоп Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope, JWST) вивчає атмосфери екзопланет, щоб знайти нові шляхи в пошуках життя за межами Землі. Завдяки цій та іншим потужним обсерваторіям науковці мають інструменти для точного планування пошуку життя та визначення місць, де його немає. Однак, крім газоподібного кисню в нашій атмосфері, вони досі не визначили жодних інших хімічних сигналів, які б остаточно говорили: «Ось життя!» на інших світах. Можливо, пошук єдиної сигнатури (ідентифікатора — Ред.) «святого Грааля» — це неправильний підхід. У новій статті дослідники пропонують: найкращий крок уперед — це спостереження за взаємодією хімічних речовин в атмосфері планети і розробка системи методів, яка може навіть знайти «життя, яким ми його не знаємо». Це тому, що можуть бути випадки, коли на інших планетах могли виникнути форми життя, які не зовсім схожі на ті, що ми знаємо на Землі.

Використання мережевого підходу

Крім використання кисню, як основного сигналу існування життя, існують інші хімічні речовини, що сигналізують про життя. Про них ми знаємо із земного досвіду. Одна з них — метан, який виділяють окремі форми життя на Землі. Однак є велика його кількість як на Землі, так і на планетах зовнішньої Сонячної системи, не пов՚язана з життєвими процесами. Це означає, що дистанційно виявлені гази-біосигнатури можуть дати хибнопозитивний результат у пошуках можливого життя. З цієї причини покладатися лише на один газ, як інструмент пошуку життя, не дуже корисно.

У нещодавно опублікованій статті (див. посилання нижче) автори Тереза ​​Фішер (Theresa Fisher), Естель Джанін (Estelle Janin) та Сара Імарі Вокер (Sara Imari Walker) стверджують, що науковцям потрібно розробити методи, щоб спочатку з՚ясувати, чи походить газ з біотичного джерела, чи утворюється абіотично (без участі життя). Вони пропонують підхід до аналізу атмосферних газів на основі мережі хімічних реакцій (chemical reaction network, CRN). CRN — це, по суті, набір хімічних сполук, які реагують між собою, і в процесі цього вони трансформуються. Вчені можуть аналізувати структуру мережі, щоб зрозуміти її поточну та потенційну поведінку, і використовувати отримані знання для створення моделей систем, які вони вивчають.

Такий аналіз може дати багато інформації про різні питання щодо пошуку життя за межами Землі. Наприклад, мережевий підхід може розповісти щось про можливі форми життя, що генерують хімічні сполуки на певній планеті. Він також може повідомити спостерігачам, чи відбувається спалювання палива (наприклад) на поверхні або в повітрі планети. Це може дати уявлення про метаболізм будь-яких форм життя на планеті. Його навіть можна використовувати для визначення, чи немає життя на планеті, або чи це життя зовсім не схоже на те, що ми знаємо тут, на Землі.

Приклади

У своїй роботі автори хотіли розрізнити біологічні, абіотичні та аномальні (неідентифіковані) джерела біосигнатурних газів в атмосфері, використовуючи мережевий підхід. Вони змоделювали 30 000 земних (земного типу) атмосфер. Потім розділили їх на два набори даних. Перший набір був позначений як «архейські планети, подібні до Землі» та «сучасні планети, подібні до Землі». Перший тип містить планети з атмосферами, дуже схожими на земну, протягом архейського еону, який відбувся між 2 і 4 мільйонами років тому. В атмосфері було мало кисню, яку складали здебільшого метан та аміак. Можливо, існував глобальний океан з кількома ділянками суші, а форми життя обмежувалися бактеріальними колоніями. Умови архейської Землі могли існувати на інших екзопланетах, і вони могли бути придатними для існування простих форм життя.

Концептуальні представлення, профілі чисельності та мережеві візуалізації для кожної категорії архейської атмосферної моделі Землі, використаної в цьому дослідженні. Надано Т. Фішер та ін. Фото з сайту www.universetoday.com.

Сучасні світи земного типу мали б умови, дуже схожі на нашу нинішню планету, яка має азотно-кисневу атмосферу, багату на вуглеводні, що вивільняються внаслідок технологічної діяльності. Наукова група моделювала такі планети з хлорфторвуглецями (ХФВ-12) та без них (які поступово виводяться з використання на Землі). Вони дослідили мережеві властивості в атмосферах усіх цих типів планет, щоб розглянути, наприклад, появу метану як біотичного маркера. Життя може його утворювати у процесі, який називається метаногенезом. Це також кінцевий результат геологічного процесу, де гідротермальна активність може перетворювати такі мінерали, як олівін та піроксен, на так звані «серпентинові» мінерали. Потенційно придатні для життя планети, в атмосферах яких є метан, можуть отримувати його з будь-якого з цих процесів, тому він не є остаточним маркером життя.

Концептуальні представлення, профілі чисельності та мережеві візуалізації для кожної категорії сучасної моделі атмосфери Землі, що використовується в цьому дослідженні. Перший стовпець показує сценарій, другий стовпець показує вертикальні профілі чисельності атмосферних видів, що відповідають початковим умовам для кожного сценарію, а третій стовпець показує мережеве представлення хімічного складу атмосфери. Зверху вниз: (1) Базова модель сучасної Землі. Ця модель не включає промислові викиди ХФВ-12. (2) Сучасна Земля, змодельована з викидами ХФВ-12. Техносферу модельовано через додавання технологічного джерела хлоридних радикалів, які можуть каталізувати руйнування O3. Надано Т. Фішер та ін. Фото з сайту www.universetoday.com.

У статті науковці зазначили, що «Мережевий аналіз також відрізняє атмосфери, подібні до сучасних, з ХФВ-12, від тих, що їх не мають. Використовуючи байєсівський аналіз, ми показуємо, як статистика атмосферних мереж може забезпечити більшу впевненість у виключенні біологічних пояснень порівняно лише зі статистикою вмісту газу. Наші результати підтверджують, як теоретичний підхід мереж дає змогу розрізняти гіпотези про біологічні, абіотичні та аномальні атмосферні рушійні сили та, що важливо, дозволяє виключити життя, яке ми знаємо, як можливе пояснення. Ми завершуємо обговоренням того, як подальший розвиток методів статистичного висновку для спектральних даних, що включають властивості мережі, може значно посилити майбутні зусилля з виявлення біосигнатур».

Використання системного підходу до пошуку життя

Уніфікований системний підхід залежить від надійних та поточних даних досліджень екзопланет, щоб допомогти науковцям з՚ясувати можливості існування життя на інших планетах. Застосування його до вивчення біосигнатурного газу (метану) та техносигнатурного газу (technosignature gas, CFC-12) показує, що використання аналізу CRN може виявити зміни на системному рівні, які можуть свідчити про наявність життя. Ці форми життя можуть виділяти окремий газ (наприклад, бактеріальне виділення кисню на ранній Землі), або ж вони можуть виробляти складні хімічні суміші, що більше свідчать про технологічну цивілізацію.

Іншими словами, аналіз атмосфери шляхом вивчення мережевої активності між атмосферними хімічними речовинами може дати уявлення як про окремі гази, так і про складніші хімічні побічні продукти. Цей аналітичний підхід також був би досить корисним, коли наші телескопи вивчають світ, де у нас недостатньо інформації про біосферу, що лежить в основі, або якщо наявна техносфера недостатньо вивчена. Аналіз CRN допоміг би науковцям запропонувати низку можливостей, зокрема, чи є біологія більш «земною» чи більш «чужоземною». Це також допомогло б їм виключити аномальні сигнали в пошуках придатних для життя планет та життя, яке їх населяє.

Додаткова інформація:

A Complex Systems Approach to Exoplanet Atmospheric Chemistry: New Prospects for Ruling Out the Possibility of Alien Life As We Know It («Комплексний системний підхід до атмосферної хімії екзопланет: нові перспективи для виключення можливості існування позаземного життя, яким ми його знаємо»).

За інф. з сайту www.universetoday.com