Πώς οι συνθετικές ατμόσφαιρες θα μπορούσαν να μας βοηθήσουν να κυνηγήσουμε εξωγήινη ζωή

Πώς εντοπίζετε έναν εξωγήινο; Μερικοί επιστήμονες αναζητούν σήματα επικοινωνίας που εκπέμπονται στο διάστημα. Άλλοι προτείνουν να αναζητήσετε βυθίσεις στο φως των αστεριών που μπορεί να προκληθούν από τεράστιες μεγαδομές χτισμένες από εξωγήινους που περιφέρονται γύρω από έναν μακρινό ήλιο.

Αλλά ίσως η πιο πολλά υποσχόμενη γραμμή έρευνας έγκειται στην ανίχνευση του στρώματος των αερίων που περιβάλλει τους εξωγήινους κόσμους. Αν παρακολουθούσαμε τη Γη από μακριά, θα μπορούσαμε να συμπεράνουμε την ύπαρξή μας αναλύοντας τη σύνθεση της ατμόσφαιράς μας. Υπάρχει μόνο μία διαδικασία που γνωρίζουμε ότι θα μπορούσε να το κρατήσει τόσο πλούσιο σε οξυγόνο:τη ζωή.

Εάν οι εξωγήινοι ζουν σε άλλους κόσμους, πιθανότατα θα αποτύπωσαν επίσης μια υπογραφή της ύπαρξής τους στην ατμόσφαιρά τους. Ενώ είμαστε σε θέση να κοιτάξουμε σε εξωγήινες ατμόσφαιρες μέσω των πιο πρόσφατων διαστημικών τηλεσκοπίων, υπάρχει ένα αλίευμα:δεν ξέρουμε πραγματικά τι ψάχνουμε. Έχουμε μόνο τη Γη ως σύγκριση – αλλά τι γίνεται αν υπάρχουν άλλοι συνδυασμοί αερίων που μπορούν να αποκαλύψουν την παρουσία ζωής;

Διαβάστε περισσότερα σχετικά με την αναζήτηση εξωγήινης ζωής:

• Κι αν βρούμε εξωγήινη ζωή;
• Τα μικρά, όμορφα αστέρια μπορεί να είναι το καλύτερο μέρος για να αναζητήσετε ET

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα μπορεί να βρίσκεται σε μια ενδιαφέρουσα νέα έρευνα που αναπαράγει τον εξωγήινο αέρα στη Γη, μαγειρεύοντας εξωτικά παρασκευάσματα σε εργαστήρια. Εν τω μεταξύ, άλλοι επιστήμονες προσομοιώνουν τον καιρό και την κυκλοφορία των εξωγήινων ατμοσφαιρών μέσα σε ισχυρούς υπερυπολογιστές για να ανακαλύψουν πόσο φιλόξενοι μπορεί να είναι οι μακρινοί κόσμοι. Αυτή η έρευνα παρέχει ήδη κάποιες δελεαστικές ενδείξεις σχετικά με το πού θα πρέπει να εστιάσει την προσοχή της η επόμενη γενιά κυνηγών εξωγήινων.

Κάτι στον αέρα

Από την πρώτη ανίχνευση ενός εξωπλανήτη –ένας πλανήτης γύρω από ένα άλλο αστέρι– το 1992, έχουν εντοπιστεί περισσότεροι από 4.000, κυρίως με την παρατήρηση της ανεπαίσθητης αλλά τακτικής μείωσης του αστρικού φωτός καθώς ο πλανήτης περνά πάνω από το μητρικό του αστέρι και μπλοκάρει μέρος του φωτός του (α διαμετακόμιση). Περισσότεροι από τους μισούς εξωπλανήτες εντοπίστηκαν με αυτόν τον τρόπο από το διαστημικό τηλεσκόπιο Kepler της NASA (ενεργό από το 2009 έως τον Οκτώβριο του 2018). Τον Απρίλιο του 2018, η NASA εκτόξευσε έναν διάδοχο του Kepler:τον Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS).

Προκειμένου να μελετήσουν την ατμόσφαιρα ενός εξωπλανήτη, οι αστρονόμοι εξετάζουν πώς η ατμόσφαιρα απορροφά το αστρικό φως που περνά μέσα από αυτόν. Διαφορετικά μόρια αερίου θα απορροφήσουν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός, έτσι οι ερευνητές μπορούν να αναλύσουν το φιλτραρισμένο φάσμα φωτός του αστεριού κατά τη διάρκεια μιας διέλευσης για να εντοπίσουν ποια αέρια υπάρχουν. Με αυτόν τον τρόπο, οι αστρονόμοι έκαναν την πρώτη άμεση ανίχνευση και χημική ανάλυση μιας ατμόσφαιρας εξωπλανήτη το 2001 – βρίσκοντας νάτριο στην ατμόσφαιρα ενός γίγαντα αερίου γνωστού ως HD 209458 b.

Έκτοτε, αρκετοί εξωπλανήτες αναλύθηκαν οι ατμόσφαιρές τους, αποκαλύπτοντας την παρουσία υδρατμών, μεθανίου, διοξειδίου του άνθρακα και ακόμη και μικρών ποσοτήτων οξυγόνου σε μερικούς από αυτούς τους κόσμους. Κανένα από αυτά τα αέρια από μόνο του δεν σηματοδοτεί τη ζωή, ωστόσο – ούτε καν το οξυγόνο, όπως γνωρίζουμε για διαδικασίες που μπορούν να δημιουργήσουν μικρές ποσότητες από αυτό χωρίς να εμπλέκονται ζωντανοί οργανισμοί.

Εδώ έρχεται η δουλειά της πλανητικής επιστήμονας Dr Sarah Hörst. Στο Πανεπιστήμιο Johns Hopkins στη Βαλτιμόρη, στις ΗΠΑ, ηγείται μιας ομάδας επιστημόνων που παρασκευάζουν εργαστηριακές προσομοιώσεις των αερίων που ενδέχεται να βρίσκονται σε ατμόσφαιρες εξωπλανητών, προκειμένου να ανακαλύψουν τι μπορεί να παράγουν. Μέχρι στιγμής, η δουλειά του Hörst έχει επικεντρωθεί σε ένα ατμοσφαιρικό φαινόμενο που θα είναι οικείο σε όποιον έχει περάσει χρόνο σε μια μεγάλη πόλη:την ομίχλη.

Μαγείρεμα με αέριο

Οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι εξωπλανητών δεν έχουν αντίστοιχο στο δικό μας ηλιακό σύστημα. Το ένα είναι η «υπερ-Γη»:βραχώδης, με διάμετρο 1,25 έως δύο φορές μεγαλύτερη από αυτή της Γης. Το άλλο είναι ο «μίνι-Ποσειδώνας»:περίπου δύο έως τέσσερις φορές το μέγεθος του πλανήτη μας, με ένα παχύ στρώμα αερίων (κυρίως υδρογόνο και ήλιο) πάνω από έναν πυκνό πυρήνα βράχου ή πάγου.

Οι αστρονόμοι ανακάλυψαν ότι οι ατμόσφαιρες των υπερ-γαιών και των μίνι-Ποσειδώνων είναι μάλλον παχιές και ομιχλώδεις:το φως δεν τις διαπερνά εύκολα. Αυτό θα μπορούσε να οφείλεται στο ότι είναι γεμάτα σύννεφα (ίσως φτιαγμένα από σταγονίδια που συμπυκνώνονται από υδρατμούς ή άλλα αέρια όπως το μεθάνιο) ή μπορεί να οφείλεται στην ομίχλη:μικροσκοπικά στερεά σωματίδια που μοιάζουν με σκόνη, όπως η κοιλιά πάνω από τις πόλεις που προκαλούνται από αναθυμιάσεις κυκλοφορίας.

Ο Χερστ προσπαθεί να το μάθει. Λέει ότι μπορεί να υπάρχουν συνέπειες για το αν πλανήτες σαν αυτόν θα μπορούσαν να υποστηρίξουν ζωή. Σύμφωνα με τον Hörst, τα σωματίδια ομίχλης σε μια ατμόσφαιρα μπορούν να έχουν τεράστιο αντίκτυπο στον τρόπο με τον οποίο το φως των αστεριών κινείται μέσα από αυτήν. "Αυτό μπορεί να επηρεάσει πράγματα όπως πόση και τι είδους ενέργεια είναι διαθέσιμη στην επιφάνεια ενός πλανήτη για ζωή και ποια είναι η θερμοκρασία της επιφάνειας", λέει.

Έχουμε μόνο τις πιο πρόχειρες πληροφορίες σχετικά με τη χημεία αυτών των ατμοσφαιρών, επομένως ο Hörst πραγματοποιεί προσομοιώσεις για ένα ευρύ φάσμα πιθανών συνθέσεων, συμπεριλαμβανομένων όλων των κοινών αερίων που είναι πιθανό να βρεθούν σε κόσμους όπως αυτός:υδρατμοί, μονοξείδιο του άνθρακα, διοξείδιο του άνθρακα, άζωτο , υδρογόνο, ήλιο και μεθάνιο. Ο Hörst αναμειγνύει διαφορετικές αναλογίες αυτών των αερίων σε θερμοκρασίες μεταξύ περίπου 25°C και 325°C, μιμούμενος τις συνθήκες που πιστεύεται ότι υπάρχουν σε υπερ-Γαίες και μίνι-Ποσειδώνες.

Είναι ένα είδος κοσμικής μαγειρικής:ρίξτε μαζί τα υλικά, ψήστε σε μέτρια φωτιά και δείτε τι θα βγει. Υπάρχει και ένα άλλο κρίσιμο συστατικό:ενέργεια για την έναρξη χημικών αντιδράσεων με διάσπαση μορίων. Στους εξωπλανήτες, αυτό θα μπορούσε να προέλθει από υπεριώδεις ακτίνες υψηλής ενέργειας στο φως των αστεριών ή από ηλεκτρικά φορτισμένα σωματίδια που σχηματίζονται από κοσμικές ακτίνες που πλημμυρίζουν στις ανώτερες περιοχές της ατμόσφαιρας. Οι ερευνητές προσομοιώνουν αυτές τις πηγές ενέργειας χρησιμοποιώντας είτε μια υπεριώδη λάμπα είτε μια ηλεκτρική εκκένωση όπως αυτή σε ένα σωλήνα φθορισμού.

Τα περισσότερα από τα μείγματα που έχουν μελετήσει η Hörst και η ομάδα της δημιούργησαν καφετί ομίχλη που μοιάζει με νέφος, παρόμοια με αυτό που βλέπουμε στο φεγγάρι του Κρόνου, Τιτάνα. Ωστόσο, η ποσότητα της θολότητας ποικίλλει ευρέως, ανάλογα με τη σύνθεση του μείγματος. Για παράδειγμα, δύο από τα πειράματα με άφθονο υδρατμό και μεθάνιο παρήγαγαν την περισσότερη ομίχλη, αλλά ένα τρίτο πείραμα δημιούργησε επίσης λεπτά σωματίδια χωρίς καθόλου μεθάνιο.

Χρειάζεται περισσότερη δουλειά για να μάθουμε τι θα σήμαινε η ανίχνευση ομίχλης σε έναν μακρινό εξωπλανήτη για την πιθανότητα εύρεσης ζωής. Ο Hörst λέει ότι σε ορισμένες περιπτώσεις η ομίχλη μπορεί να εμποδίσει την επιβλαβή ακτινοβολία (όπως κάνει το στρώμα του όζοντος στη Γη), αλλά θα μπορούσε επίσης να οδηγήσει σε ψύξη της επιφάνειας και έλλειψη υγρού νερού. «Πρέπει να μάθουμε περισσότερα για τον πλανήτη και την ατμόσφαιρά του για να μπορέσουμε να καταλάβουμε πώς μπορεί να είναι οι συνθήκες στην επιφάνεια και ποιες διαδικασίες θα είχαν οδηγήσει στο σχηματισμό ομίχλης», λέει.

Διαβάστε περισσότερα για τους εξωπλανήτες:

• Το κυνήγι για εξωπλανήτες
• Οι εξωπλανήτες μεσαίου μεγέθους μπορεί να αποτελούνται κυρίως από νερό

Εν τω μεταξύ, το ιερό δισκοπότηρο αυτής της περιοχής έρευνας είναι να εντοπιστεί κάποιο μόριο –ή ένα σύνολο μορίων– που μπορεί να υπάρξει μόνο εάν υπάρχει ζωή, δηλαδή μια «βιολογική υπογραφή» της εξωγήινης ζωής. Αλλά τι μπορεί να είναι αυτό;

Η απάντηση δεν φαίνεται να είναι μόνο το οξυγόνο. Ο Hörst και οι συνεργάτες του είδαν τη μορφή οξυγόνου στα πειράματά τους προσομοίωσης, καθαρά από χημικές αντιδράσεις που προκαλούνται από το υπεριώδες φως. Είδαν επίσης οργανικά μόρια όπως η αιθανόλη και η φορμαλδεΰδη, κάτι που τα αποκλείει επίσης ως σαφείς βιουπογραφές.

Μια πιθανή βιουπογραφή είναι η ταυτόχρονη ύπαρξη όζοντος και μεθανίου, λέει ο Hörst. Αυτό είναι ένα χημικά ασταθές μείγμα αερίων και δεν υπάρχει γνωστή γεωλογική διαδικασία που θα μπορούσε να τα διατηρήσει. «Θα ήταν πολύ δύσκολο να τους έχουμε μαζί στην ίδια ατμόσφαιρα χωρίς κάποια πηγή να τους αναπληρώνει», λέει ο Hörst. Στη Γη, η βιόσφαιρα είναι τελικά η πηγή και των δύο αυτών αερίων στην ατμόσφαιρά μας.

Μερικοί από τους πιο δελεαστικούς κόσμους για να αναζητήσετε βιουπογραφές όπως αυτές, πιστεύει ο Hörst, είναι το σύνολο των πλανητών που εντοπίστηκαν το 2015 γύρω από ένα αμυδρό αστέρι που ονομάζεται TRAPPIST-1, που βρίσκεται 40 έτη φωτός μακριά στον αστερισμό του Υδροχόου. Επτά από τους κόσμους που περιφέρονται γύρω από αυτό το αστέρι είναι αόριστα σαν τη Γη και οι περισσότεροι από αυτούς είναι δυνητικά κατοικήσιμοι, έχοντας τις κατάλληλες συνθήκες για υγρό νερό στις επιφάνειές τους. Εξετάζοντας το φως που μεταδίδεται μέσω της ατμόσφαιράς τους, ο Hörst και οι συνάδελφοί τους διαπίστωσαν ότι ορισμένοι από αυτούς μπορεί να έχουν σύννεφα ή ομίχλη, αν και είναι δύσκολο να είμαστε πιο ακριβείς σε αυτό το στάδιο σχετικά με το ποια επιλογή είναι πιο πιθανή.

Ο Hörst πιστεύει ότι αυτοί οι συναρπαστικοί πλανήτες θα πρέπει να αποτελέσουν πρώιμο στόχο για το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb (JWST) της NASA, τον προγραμματισμένο διάδοχο του διαστημικού τηλεσκοπίου Hubble, το οποίο θα εξετάσει προσεκτικά τις ατμόσφαιρες των εξωπλανητών μόλις εκτοξευθεί το 2021.

Εξω-κλίματα

Η ζωή στη Γη δεν βασίζεται μόνο στην ύπαρξη του σωστού είδους ατμόσφαιρας, αλλά και σε ολόκληρο το κλιματικό σύστημα:πώς κυκλοφορούν ο αέρας, οι ωκεανοί και η θερμότητα και πώς σχηματίζονται τα σύννεφα. Εάν βρίσκαμε έναν εξωπλανήτη με την ίδια ατμοσφαιρική σύνθεση με τη Γη, θα μπορούσε να εξακολουθήσει να είναι αφιλόξενος για τη ζωή εάν δεν του έλειπε ένα παρόμοιο κλιματικό σύστημα. Ένας νέος ερευνητικός τομέας που ονομάζεται «εξωκλιματολογία» στοχεύει στην κατανόηση του κλίματος των εξωπλανητών – και των συνεπειών τους στη ζωή – εφαρμόζοντας τα μοντέλα υπολογιστών που χρησιμοποιούνται για την προσομοίωση του καιρού και του κλίματος της Γης σε άλλους κόσμους.

Μέχρι στιγμής, μεγάλο μέρος της εργασίας έχει επικεντρωθεί σε έναν άλλο κοινό τύπο εξωπλανήτη:τους «θερμούς Δίες» – γίγαντες αερίων όπως ο δικός μας Δίας, αλλά που βρίσκονται σε τροχιά πολύ πιο κοντά στο μητρικό τους άστρο. Τείνουν είτε να περιστρέφονται πολύ αργά είτε να είναι «κλειδωμένα παλιρροιακά», έτσι ώστε –όπως συμβαίνει με τη Σελήνη σε τροχιά γύρω από τη Γη– η ίδια πλευρά να βλέπει πάντα το αστέρι. Αυτό δίνει στους πλανήτες μια διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της πλευράς της «ημέρας» και της πλευράς της «νύχτας» που οδηγεί την ατμοσφαιρική κυκλοφορία, όπως ακριβώς η διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ισημερινού της Γης και των πόλων τροφοδοτεί το δικό μας κλίμα.

Διαβάστε περισσότερα για το κλίμα της Γης:

• Οι επιπτώσεις της Μικρής Εποχής των Παγετώνων ξεπέρασαν κατά πολύ την κλιματική αλλαγή
• Κύμα καύσωνα Φεβρουαρίου:αλλάζει το κλίμα στο Ηνωμένο Βασίλειο;

Τα μοντέλα υπολογιστών αυτής της κυκλοφορίας δείχνουν ότι οι θερμοί Δίας έχουν ένα είδος ατμοσφαιρικού πίδακα, λέει ο Δρ Nathan Mayne, ο οποίος ηγείται της ομάδας εξωκλιματολογίας στο Πανεπιστήμιο του Έξετερ. Αυτό μπορεί να ανακατέψει τη χημεία των καυτών και κρύων πλευρών της ατμόσφαιρας, αλλάζοντας το μείγμα αερίων σε ορισμένα σημεία και επομένως την ποσότητα του αστρικού φωτός που μεταδίδεται στην επιφάνεια. Αν και οι θερμοί Δίας δεν είναι πιθανό να φιλοξενούν ζωή, αυτό δείχνει πώς η κυκλοφορία της ατμόσφαιρας μπορεί να διαδραματίσει κρίσιμο ρόλο στις επιφανειακές συνθήκες ενός πλανήτη – με σημαντικές επιπτώσεις για την κατοικήσιμό τους.

Προσθέστε νερό στην εξίσωση και τα πράγματα γίνονται ακόμα πιο ενδιαφέροντα. Μερικοί δυνητικά κατοικήσιμοι πλανήτες όπως η ομάδα TRAPPIST-1 είναι επίσης πιθανό να είναι παλιρροιακά κλειδωμένοι στο αστέρι τους. Εάν αυτοί οι εξωπλανήτες έχουν υγρό νερό στην επιφάνειά τους, τότε το νερό από την πλευρά της ζεστής ημέρας θα εξατμιστεί και τελικά θα συμπυκνωθεί σε βροχή ή χιόνι στην πιο δροσερή πλευρά της νύχτας.

«Η γη που κάλυπτε την πλευρά της ημέρας θα στεγνώσει γρήγορα και η υγρασία θα μεταφερόταν στη νυχτερινή πλευρά», λέει ο Mayne. "Αλλά αν υπάρχει ωκεανός, το νερό μπορεί να κυκλοφορήσει πίσω" - δημιουργώντας μια γιγάντια ταινία μεταφοράς νερού μεταξύ των δύο πλευρών του πλανήτη. Αυτό θα μπορούσε να κάνει τη διαφορά μεταξύ ενός άγονου πλανήτη χωρισμένου στα μισά – το καθένα πολύ ακραίο για να υπάρχει ζωή – και ενός πλανήτη όπου η κυκλοφορία του νερού δημιουργεί ένα πιο υγρό και φιλικό περιβάλλον.

Με την τελευταία γενιά διαστημικών τηλεσκοπίων, δεν θα αργήσουμε να μπορέσουμε να μελετήσουμε τις ατμόσφαιρες ολοένα και πιο εξωτικών εξωπλανητών. «Ο συνδυασμός του TESS και του JWST θα πρέπει να μας προσφέρει πολλούς συναρπαστικούς κόσμους για μελέτη», λέει ο Hörst. Η δουλειά από άτομα όπως αυτή και η Mayne πρόκειται να γίνει κρίσιμης σημασίας για τους αστρονόμους που θέλουν να μάθουν εάν τα αέρια των εξωπλανητών και τα καιρικά μοτίβα που εντοπίζουν είναι τα συμπτώματα ενός στείρου πλανήτη ή ίσως – απλώς ίσως – υπαινιγμοί ζωής…

• Αυτή η δυνατότητα δημοσιεύτηκε για πρώτη φορά στο τεύχος Ιουλίου του BBC Science Focus - εγγραφείτε εδώ .

Ακολουθήστε το Science Focus στο Twitter, το Facebook, το Instagram και Flipboard