Το JWST έχει δείξει ότι μπορεί να ανιχνεύσει υπογραφές ζωής σε εξωπλανήτες

Τα συστατικά για τη ζωή διαδίδονται σε όλο το σύμπαν. Ενώ η Γη είναι το μόνο γνωστό μέρος στο σύμπαν με ζωή, η ανίχνευση ζωής πέρα ​​από τη Γη είναι ένας σημαντικός στόχος της σύγχρονης αστρονομίας και της πλανητικής επιστήμης.

Είμαστε δύο επιστήμονες που μελετάμε εξωπλανήτες και αστροβιολογία. Χάρη σε μεγάλο βαθμό στα τηλεσκόπια επόμενης γενιάς όπως ο James Webb, ερευνητές σαν εμάς θα μπορούν σύντομα να μετρήσουν τη χημική σύνθεση της ατμόσφαιρας των πλανητών γύρω από άλλα αστέρια. Η ελπίδα είναι ότι ένας ή περισσότεροι από αυτούς τους πλανήτες θα έχουν χημική υπογραφή ζωής.

Κατοικήσιμοι εξωπλανήτες

Η ζωή μπορεί να υπάρχει στο ηλιακό σύστημα όπου υπάρχει υγρό νερό - όπως οι υπόγειοι υδροφορείς στον Άρη ή στους ωκεανούς του φεγγαριού του Δία, Ευρώπη. Ωστόσο, η αναζήτηση ζωής σε αυτά τα μέρη είναι απίστευτα δύσκολη, καθώς είναι δύσκολο να τα προσεγγίσετε και ο εντοπισμός ζωής θα απαιτούσε την αποστολή ανιχνευτή για την επιστροφή φυσικών δειγμάτων.

Πολλοί αστρονόμοι πιστεύουν ότι υπάρχει μια καλή πιθανότητα να υπάρχει ζωή σε πλανήτες που βρίσκονται σε τροχιά γύρω από άλλα αστέρια και είναι πιθανό εκεί να βρεθεί για πρώτη φορά η ζωή.

Οι θεωρητικοί υπολογισμοί υποδεικνύουν ότι υπάρχουν περίπου 300 εκατομμύρια δυνητικά κατοικήσιμοι πλανήτες μόνο στον γαλαξία του Γαλαξία και αρκετοί κατοικήσιμοι πλανήτες μεγέθους Γης σε απόσταση μόλις 30 ετών φωτός από τη Γη - ουσιαστικά οι γαλαξιακές γείτονες της ανθρωπότητας. Μέχρι στιγμής, οι αστρονόμοι έχουν ανακαλύψει πάνω από 5.000 εξωπλανήτες, συμπεριλαμβανομένων εκατοντάδων δυνητικά κατοικήσιμων, χρησιμοποιώντας έμμεσες μεθόδους που μετρούν πώς ένας πλανήτης επηρεάζει το κοντινό του αστέρι. Αυτές οι μετρήσεις μπορούν να δώσουν στους αστρονόμους πληροφορίες για τη μάζα και το μέγεθος ενός εξωπλανήτη, αλλά όχι πολλά άλλα.

Αναζήτηση βιουπογραφών

Για να ανιχνεύσουν τη ζωή σε έναν μακρινό πλανήτη, οι αστροβιολόγοι θα μελετήσουν το φως των αστεριών που έχει αλληλεπιδράσει με την επιφάνεια ή την ατμόσφαιρα ενός πλανήτη. Εάν η ατμόσφαιρα ή η επιφάνεια μεταμορφώθηκε από τη ζωή, το φως μπορεί να φέρει μια ένδειξη, που ονομάζεται "βιολογική υπογραφή".

Για το πρώτο μισό της ύπαρξής της, η Γη είχε μια ατμόσφαιρα χωρίς οξυγόνο, παρόλο που φιλοξενούσε απλή, μονοκύτταρη ζωή. Η βιουπογραφή της Γης ήταν πολύ αμυδρή κατά τη διάρκεια αυτής της πρώιμης εποχής. Αυτό άλλαξε απότομα πριν από 2,4 δισεκατομμύρια χρόνια, όταν αναπτύχθηκε μια νέα οικογένεια φυκιών. Τα φύκια χρησιμοποίησαν μια διαδικασία φωτοσύνθεσης που παράγει ελεύθερο οξυγόνο - οξυγόνο που δεν είναι χημικά συνδεδεμένο με κανένα άλλο στοιχείο. Από τότε, η γεμάτη με οξυγόνο ατμόσφαιρα της Γης έχει αφήσει μια ισχυρή και εύκολα ανιχνεύσιμη βιουπογραφή στο φως που τη διέρχεται.

Όταν το φως αναπηδά από την επιφάνεια ενός υλικού ή διέρχεται από ένα αέριο, ορισμένα μήκη κύματος του φωτός είναι πιο πιθανό να παραμείνουν παγιδευμένα στην επιφάνεια του αερίου ή του υλικού από άλλα. Αυτή η επιλεκτική παγίδευση των μηκών κύματος του φωτός είναι ο λόγος που τα αντικείμενα έχουν διαφορετικά χρώματα. Τα φύλλα είναι πράσινα επειδή η χλωροφύλλη είναι ιδιαίτερα καλή στην απορρόφηση του φωτός στα κόκκινα και μπλε μήκη κύματος. Καθώς το φως χτυπά ένα φύλλο, το κόκκινο και το μπλε μήκη κύματος απορροφώνται, αφήνοντας ως επί το πλείστον το πράσινο φως να αναπηδά πίσω στα μάτια σας.

Το μοτίβο του φωτός που λείπει καθορίζεται από τη συγκεκριμένη σύνθεση του υλικού με το οποίο αλληλεπιδρά το φως. Εξαιτίας αυτού, οι αστρονόμοι μπορούν να μάθουν κάτι για τη σύνθεση της ατμόσφαιρας ή της επιφάνειας ενός εξωπλανήτη, μετρώντας ουσιαστικά το συγκεκριμένο χρώμα του φωτός που προέρχεται από έναν πλανήτη.

Αυτή η μέθοδος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αναγνώριση της παρουσίας ορισμένων ατμοσφαιρικών αερίων που σχετίζονται με τη ζωή - όπως το οξυγόνο ή το μεθάνιο - επειδή αυτά τα αέρια αφήνουν πολύ συγκεκριμένες υπογραφές στο φως. Θα μπορούσε επίσης να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση περίεργων χρωμάτων στην επιφάνεια ενός πλανήτη. Στη Γη, για παράδειγμα, η χλωροφύλλη και άλλες χρωστικές ουσίες που χρησιμοποιούν τα φυτά και τα φύκια για τη φωτοσύνθεση συλλαμβάνουν συγκεκριμένα μήκη κύματος φωτός. Αυτές οι χρωστικές παράγουν χαρακτηριστικά χρώματα που μπορούν να ανιχνευθούν χρησιμοποιώντας μια ευαίσθητη υπέρυθρη κάμερα. Εάν βλέπατε αυτό το χρώμα να αντανακλάται στην επιφάνεια ενός μακρινού πλανήτη, θα σήμαινε πιθανώς την παρουσία χλωροφύλλης.

Τηλεσκόπια στο διάστημα και στη Γη

Χρειάζεται ένα απίστευτα ισχυρό τηλεσκόπιο για να ανιχνεύσει αυτές τις ανεπαίσθητες αλλαγές στο φως που προέρχεται από έναν δυνητικά κατοικήσιμο εξωπλανήτη. Προς το παρόν, το μόνο τηλεσκόπιο που μπορεί να κάνει ένα τέτοιο κατόρθωμα είναι το νέο διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb. Καθώς ξεκίνησε τις επιστημονικές δραστηριότητες τον Ιούλιο του 2022, ο Τζέιμς Γουέμπ έκανε μια ανάγνωση του φάσματος του γιγάντιου εξωπλανήτη αερίου WASP-96b. Το φάσμα έδειξε την παρουσία νερού και νεφών, αλλά ένας πλανήτης τόσο μεγάλος και ζεστός όσο ο WASP-96b είναι απίθανο να φιλοξενήσει ζωή.

Ωστόσο, αυτά τα πρώιμα δεδομένα δείχνουν ότι ο James Webb είναι ικανός να ανιχνεύει αμυδρές χημικές υπογραφές στο φως που προέρχεται από εξωπλανήτες. Τους επόμενους μήνες, ο Webb πρόκειται να στρέψει τους καθρέφτες του προς το TRAPPIST-1e, έναν δυνητικά κατοικήσιμο πλανήτη στο μέγεθος της Γης, μόλις 39 έτη φωτός από τη Γη.

Ο Webb μπορεί να αναζητήσει βιουπογραφές μελετώντας πλανήτες καθώς περνούν μπροστά από τα αστέρια υποδοχής τους και συλλαμβάνοντας το φως των αστεριών που φιλτράρει την ατμόσφαιρα του πλανήτη. Αλλά ο Webb δεν σχεδιάστηκε για να αναζητά ζωή, επομένως το τηλεσκόπιο είναι σε θέση να εξετάσει εξονυχιστικά μόνο μερικούς από τους πιο κοντινούς δυνητικά κατοικήσιμους κόσμους. Μπορεί επίσης να ανιχνεύσει μόνο αλλαγές στα ατμοσφαιρικά επίπεδα διοξειδίου του άνθρακα, μεθανίου και υδρατμών. Αν και ορισμένοι συνδυασμοί αυτών των αερίων μπορεί να υποδηλώνουν ζωή, ο Webb δεν είναι σε θέση να ανιχνεύσει την παρουσία μη δεσμευμένου οξυγόνου, το οποίο είναι το ισχυρότερο σήμα για τη ζωή.

Οι κορυφαίες ιδέες για μελλοντικά, ακόμη πιο ισχυρά, διαστημικά τηλεσκόπια περιλαμβάνουν σχέδια για μπλοκάρισμα του λαμπερού φωτός του αστέρα-ξενιστή ενός πλανήτη για να αποκαλυφθεί το αστρικό φως που αντανακλάται πίσω από τον πλανήτη. Αυτή η ιδέα είναι παρόμοια με τη χρήση του χεριού σας για να μπλοκάρετε το φως του ήλιου για να δείτε καλύτερα κάτι στην απόσταση. Τα μελλοντικά διαστημικά τηλεσκόπια θα μπορούσαν να χρησιμοποιήσουν μικρές, εσωτερικές μάσκες ή μεγάλα, εξωτερικά διαστημικά σκάφη που μοιάζουν με ομπρέλα για να το κάνουν αυτό. Μόλις μπλοκάρει το αστρικό φως, γίνεται πολύ πιο εύκολο να μελετήσουμε το φως που αναπηδά από έναν πλανήτη.

Υπάρχουν επίσης τρία τεράστια, επίγεια τηλεσκόπια υπό κατασκευή που θα μπορούν να αναζητήσουν βιουπογραφές:το Τηλεσκόπιο Giant Magellen, το Thirty Meter Telescope και το European Extremely Large Telescope. Καθένα από αυτά είναι πολύ πιο ισχυρό από τα υπάρχοντα τηλεσκόπια στη Γη και παρά το μειονέκτημα της ατμόσφαιρας της Γης που παραμορφώνει το φως των αστεριών, αυτά τα τηλεσκόπια μπορεί να είναι σε θέση να ανιχνεύσουν τις ατμόσφαιρες των πλησιέστερων κόσμων για οξυγόνο.

Είναι βιολογία ή γεωλογία;

Ακόμη και χρησιμοποιώντας τα πιο ισχυρά τηλεσκόπια των επόμενων δεκαετιών, οι αστροβιολόγοι θα είναι σε θέση να ανιχνεύσουν μόνο ισχυρές βιουπογραφές που παράγονται από κόσμους που έχουν μεταμορφωθεί πλήρως από τη ζωή.

Δυστυχώς, τα περισσότερα αέρια που απελευθερώνονται από την επίγεια ζωή μπορούν επίσης να παραχθούν από μη βιολογικές διεργασίες – οι αγελάδες και τα ηφαίστεια απελευθερώνουν μεθάνιο. Η φωτοσύνθεση παράγει οξυγόνο, αλλά και το ηλιακό φως, όταν διασπά τα μόρια του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο. Υπάρχει μια καλή πιθανότητα οι αστρονόμοι να εντοπίσουν κάποια ψευδώς θετικά στοιχεία όταν ψάχνουν για μακρινή ζωή. Για να αποκλείσουν τα ψευδώς θετικά στοιχεία, οι αστρονόμοι θα πρέπει να κατανοήσουν αρκετά καλά έναν πλανήτη ενδιαφέροντος ώστε να καταλάβουν εάν οι γεωλογικές ή ατμοσφαιρικές διεργασίες του θα μπορούσαν να μιμηθούν μια βιουπογραφή.

Η επόμενη γενιά μελετών για εξωπλανήτες έχει τη δυνατότητα να περάσει τον πήχη των εξαιρετικών στοιχείων που απαιτούνται για να αποδειχθεί η ύπαρξη ζωής. Η πρώτη απελευθέρωση δεδομένων από το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μας δίνει μια αίσθηση της συναρπαστικής προόδου που έρχεται σύντομα.

Chris Impey, Πανεπιστημιακός Διακεκριμένος Καθηγητής Αστρονομίας, Πανεπιστήμιο της Αριζόνα και Daniel Apai, Καθηγητής Αστρονομίας και Πλανητικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο της Αριζόνα

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύεται από το The Conversation με άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.