Является ли кислород надежной «биосигнатурой» в поисках жизни на других планетах?

Новое исследование описывает несколько сценариев, в которых безжизненная каменистая планета вокруг звезды, похожей на Солнце, может эволюционировать, чтобы в ее атмосфере был кислород.

Варьируя начальный набор летучих элементов в модели геохимической эволюции каменистых планет, исследователи получили широкий спектр результатов, включая несколько сценариев, в которых безжизненная каменистая планета вокруг звезды, похожей на Солнце, могла эволюционировать, чтобы в ее атмосфере был кислород. . Иллюстрация Дж. Криссансена-Тоттона

«Это полезно, потому что показывает, что есть способы получить кислород в атмосфере без жизни, но есть и другие наблюдения, которые вы можете сделать, чтобы помочь отличить эти ложные срабатывания от реальных», – сказал первый автор Джошуа Криссансен-Тоттон, научный сотрудник Sagan. на факультете астрономии и астрофизики Калифорнийского университета в Санта-Крус. «Для каждого сценария мы пытаемся сказать, что ваш телескоп должен уметь отличать это от биологического кислорода».

К концу 2030-х годов астрономы надеются получить телескоп, способный снимать изображения и спектры потенциально похожих на Землю планет вокруг звезд, подобных Солнцу. Соавтор Джонатан Фортни, профессор астрономии и астрофизики и директор Лаборатории других миров UCSC, сказал, что идея состоит в том, чтобы нацеливаться 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 действительно свидетельствует о необходимости знать контекст вашего обнаружения. Какие еще молекулы обнаружены помимо кислорода или не обнаружены, и что это говорит вам об эволюции планеты? »

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

«Если вы запустите модель Земли, используя то, что, как мы думаем, было начальным инвентарем летучих веществ, вы всегда будете надежно получать один и тот же результат – без жизни вы не получите кислород в атмосфере», – сказал Криссансен-Тоттон. «Но мы также нашли несколько сценариев, в которых вы можете 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» помещает достаточно воды в верхние слои атмосферы, чтобы обеспечить накопление кислорода, поскольку вода распадается и водород выходит.

«Типичная последовательность заключается 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 вы сохраните паровую атмосферу после того, как расплавленная поверхность затвердеет, есть окно примерно в миллион лет, когда кислород может накапливаться, потому что в верхних слоях атмосферы высока концентрация воды и нет расплавленной поверхности, которая потребляла бы кислород, образующийся 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 отношения углекислого газа к воде. Это приводит к неуправляемому парниковому эффекту, в результате чего вода становится слишком горячей, чтобы когда-либо конденсироваться из атмосферы на поверхность планеты.

«В этом сценарии, подобном Венере, все летучие вещества начинаются в атмосфере, и лишь немногие из них остаются в мантии, чтобы выделиться и поглотить кислород», – 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 затрат, но здесь много движущихся частей и взаимосвязанных процессов», – сказал он.