Атмосферные маяки направляют ученых НАСА в поисках жизни

Ноя 02, 2017 Леонид Гляделов

Некоторые экзопланеты светятся ярче других за пределами Солнечной системы. Новое исследование NASA предлагает новый подход к изучению экзопланетных атмосфер. Он использует частые звездные штормы, которые бросают огромные облака звездного материала и излучения в космос - от прохладных, молодых звезд карликов, чтобы выделить признаки обитаемых экзопланет.

Традиционно исследователи искали потенциальные биосигналы, как способ идентификации обитаемых миров: побочные продукты из жизни, как мы знаем, такие как кислород или метан, которые со временем накапливаются в атмосфере до обнаруживаемых количеств. Но с учетом современных технологий, по словам Владимира Айрапетяна, ведущего автора научных докладов исследования, опубликованного 2 ноября 2017 года, с указанием этих газов на дальних экзопланетах, отнимает много времени и требует значительного времени наблюдения. Новое исследование предполагает поиск более грубых признаков потенциально обитаемых миров, которые легче обнаружить с помощью текущих ресурсов за меньшее время.

«Мы находимся в поисках молекул, сформированных из фундаментальных предпосылок к молекулярному азоту, в частности молекулярному азоту, который составляет 78 процентов нашей атмосферы», - сказал Айрапетян, который является ученым-астрономом в Центре космических полетов Goddard NASA в Гринбелте, штат Мэриленд, и в американском Университет в Вашингтоне, округ Колумбия.
«Это основные молекулы, которые являются биологически дружественными и обладают сильной инфракрасной излучающей способностью, что увеличивает наши шансы обнаружить их».

Настоящая жизнь на Земле, рассказывает Айрапетян и его команда исследователей, но мы должны искать атмосферы, богатые водяным паром и азотом, а также кислородом, который является продуктом жизни. Кислород и азот свободно плавают стабильно в своей молекулярной форме, то есть два атома кислорода или азота, связанного вместе в одной молекуле. Но вблизи активной карликовой звезды экстремальная космическая погода производит различные химические реакции, которые исследователи могут использовать в качестве индикаторов состава атмосферы.

Когда эти частицы достигают экзопланеты, они наполняют ее атмосферу достаточной энергией, чтобы разбить молекулярный азот и кислород на отдельные атомы, а молекулы воды - на гидроксил-один атом, каждый из кислорода и водорода, связанный вместе. Оттуда реактивные атомы азота и кислорода испускают каскад химических реакций, которые в конечном итоге производят то, что ученые называют атмосферными маяками: гидроксилом, молекулярным кислородом и оксидом азота - молекулой, состоящей из одного азота и одного атома кислорода.

Используя компьютерное моделирование, исследователи выставили атмосферу модели на космическую погоду, которую они ожидали бы от прохладной активной звезды. Они обнаружили, что озон падает до минимума и подпитывает производство атмосферных маяков.
Для исследователей эти химические реакции очень полезны. Когда звездный свет поражает атмосферу, пружинные связи внутри молекул маяка поглощают энергию и вибрируют, посылая эту энергию обратно в космос как тепло или инфракрасное излучение. Ученые знают, какие газы имеют излучение на определенных длинах волн света, поэтому, глядя на всё излучение, исходящее из атмосферы, можно понять, что находится в самой атмосфере.

Этот подход также предназначен для отсечения экзопланет без земного магнитного поля. «Планета нуждается в магнитном поле, которое защищает атмосферу и защищает планету от звездных штормов и радиации», - сказал Айрапетян. «Если звездные ветры не настолько экстремальны, чтобы сжимать магнитное поле экзопланеты вблизи его поверхности, магнитное поле препятствует атмосферному выходу, поэтому в атмосфере больше частиц и более сильный инфракрасный сигнал».

Айрапетян и его коллеги использовали данные миссии NASA по изучению Земли TIMED - короткая для Thermosphere Ionosphere Mesophere Energetics Dynamics - для моделирования того, как могут появляться инфракрасные наблюдения этих маяков. Данные поступали из инструмента спектроскопии TIMED под названием SABER-short для зондирования атмосферы с использованием широкополосной радиометрии излучения, которая изучает ту же самую химию, которая генерирует атмосферные маяки, как это происходит в верхней атмосфере Земли в ответ на солнечную активность.

Данные SABER показали, что частота интенсивных звездных штормов напрямую связана с силой сигналов тепла от атмосферных маяков. С большим количеством штормов генерируются молекулы маяка, и инфракрасный сигнал будет достаточно сильным, по мнению ученых, и определяться при помощи шести-десятиметрового космического телескопа всего за два часа наблюдения.

При правильной звезде эта работа может привести к новым стратегиям поиска жизни, которые идентифицируют не только потенциально пригодные для жизни планеты, но и планетные системы, поскольку способ взаимодействия атмосферы планеты со своим Солнцем, также оказывает ключевое влияние на ее пригодность для жизни. Если обнаружены перспективные сигналы, исследователи могут координировать наблюдения с будущей космической обсерваторией, такой как Космический телескоп Джеймса Уэбса НАСА, увеличивая вероятность обнаружения такой потенциальной системы.