JWST heeft aangetoond dat het de vingerafdrukken van leven op exoplaneten kan detecteren

componenten van het leven verspreid over het universum. Hoewel de aarde de enige bekende plaats in het universum is waar leven bestaat, is de ontdekking van buitenaards leven Het hoofddoel Van moderne astronomie En de planetaire wetenschap.

Wij zijn twee geleerden die studeren buitenste planeten En de astrobiologie. Voor een groot deel dankzij telescopen van de volgende generatie zoals James Webb, zullen onderzoekers zoals wij binnenkort in staat zijn om de chemische samenstelling van de atmosferen van planeten rond andere sterren te meten. Hopelijk hebben een of meer van deze planeten een chemische vingerafdruk voor het leven.

Bewoonbare buitenplaneten

leven Het kan bestaan ​​in het zonnestelsel Waar vloeibaar water is – zoals watervoerende lagen op Mars of in de oceanen van Jupiters maan Europa. Het zoeken naar leven op deze plaatsen is echter erg moeilijk, omdat het moeilijk te bereiken is en om het leven te detecteren, een sonde moet worden gestuurd om de fysieke monsters terug te sturen.

Veel astronomen geloven dat er een bestand is Goede kans op leven op planeten in een baan om andere sterrenEn dit zou de plek kunnen zijn Het leven zal eerst gevonden worden.

Theoretische berekeningen geven aan dat er iets in de buurt is 300 miljoen potentieel bewoonbare planeten Alleen in de Melkweg en Veel bewoonbare planeten zo groot als de aarde Binnen slechts 30 lichtjaar van de aarde – in wezen de buren van de mensheid in de melkweg. Tot zover, astronomen Ontdek meer dan 5.000 exoplanetenwaaronder honderden potentieel bewoonbare, met behulp van indirecte methoden die meet hoe een planeet zijn nabije ster beïnvloedt. Deze metingen kunnen astronomen informatie geven over de massa en grootte van een exoplaneet, maar niet meer dan dat.

Op zoek naar bio-handtekeningen

Om het leven op een verre planeet te ontdekken, zullen astrobiologen bestaand sterrenlicht bestuderen Interactie met het oppervlak of de atmosfeer van de planeet. Als de atmosfeer of het oppervlak door het leven wordt getransformeerd, kan het licht een aanwijzing bevatten die een ‘biosignatuur’ wordt genoemd.

Tijdens de eerste helft van haar bestaan ​​had de aarde een atmosfeer zonder zuurstof, hoewel het eenvoudig eencellig leven herbergde. De vitale voetafdruk van de aarde was in dit vroege tijdperk erg zwak. Dat veranderde plotseling 2,4 miljard jaar geleden Toen een nieuwe familie van algen evolueerde. De algen gebruikten fotosynthese die vrije zuurstof produceert – zuurstof die niet chemisch gebonden is aan enig ander element. Vanaf die tijd liet de met zuurstof gevulde atmosfeer van de aarde een sterke en gemakkelijk waarneembare vitale afdruk achter op het licht dat er doorheen ging.

Wanneer licht van het oppervlak van een materiaal weerkaatst of door een gas gaat, is de kans groter dat bepaalde golflengten vast blijven zitten in het gas of het oppervlak van het materiaal dan andere. Deze selectieve aanpassing van de golflengten van licht is de reden voor de verschillende kleuren van objecten. De bladeren zijn groen omdat chlorofyl bijzonder goed is in het absorberen van licht in de rode en blauwe golflengten. Wanneer licht het papier raakt, worden de rode en blauwe golflengten geabsorbeerd, waardoor het meeste groen licht terugkaatst in je ogen.

Het patroon van verloren licht wordt bepaald door de specifieke samenstelling van het materiaal waarmee het licht interageert. Om deze reden kunnen astronomen iets leren over de samenstelling van de atmosfeer of het oppervlak van een exoplaneet door de specifieke kleur van het licht te meten dat van een planeet komt.

Deze methode kan worden gebruikt om de aanwezigheid van bepaalde atmosferische gassen te identificeren die met het leven worden geassocieerd – zoals zuurstof of methaan – omdat deze gassen zeer specifieke signalen in het licht achterlaten. Het kan ook worden gebruikt om vreemde kleuren op het oppervlak van een planeet te detecteren. Op aarde gebruiken bijvoorbeeld chlorofylplanten en andere pigmenten en algen die bij fotosynthese worden gebruikt, specifieke golflengten van licht. deze kleurstoffen Onderscheidende kleurproductie Het kan worden gedetecteerd met behulp van een gevoelige infraroodcamera. Als je deze kleur ziet weerkaatsen op het oppervlak van een verre planeet, duidt dit waarschijnlijk op de aanwezigheid van chlorofyl.

Telescopen in de ruimte en op aarde

Er is een ongelooflijk krachtige telescoop voor nodig om deze subtiele veranderingen in het licht van een mogelijk bewoonbare exoplaneet te detecteren. Momenteel is de enige telescoop die tot zo’n prestatie in staat is de nieuwe telescoop James Webb Ruimtetelescoop. zoals het is Wetenschappelijke operaties begonnen In juli 2022 hield James Webb een schattige lezing Gasreus exoplaneet WASP-96b. Het spectrum toonde de aanwezigheid van water en wolken, maar op een grote, hete planeet als WASP-96b is waarschijnlijk geen leven te vinden.

Deze vroege gegevens tonen echter aan dat James Webb in staat is zwakke chemische signalen te detecteren in licht van exoplaneten. In de komende maanden zou Webb haar spiegels in de richting van TRAPPIST-1eeen potentieel bewoonbare planeet ter grootte van de aarde op slechts 39 lichtjaar van de aarde.

Webb kan naar biometrische vingerafdrukken zoeken door planeten te bestuderen en vast te leggen terwijl ze voor hun gastheersterren passeren Sterrenlicht dat door de atmosfeer van de planeet stroomt. Maar Webb is niet ontworpen om naar leven te zoeken, dus de telescoop is alleen in staat om enkele van de dichtstbijzijnde potentieel bewoonbare werelden te onderzoeken. Het kan ook wijzigingen detecteren die zijn aangebracht in: Niveaus van kooldioxide, methaan en waterdamp in de atmosfeer. Hoewel bepaalde combinaties van deze gassen Het kan leven suggererenWebb kan de aanwezigheid van ongebonden zuurstof niet detecteren, wat de sterkste indicatie van leven is.

Baanbrekende concepten voor toekomstige ruimtetelescopen, en nog krachtiger, omvatten plannen om het heldere licht van de moederster van de aarde te blokkeren om sterlicht te detecteren dat door de planeet wordt weerkaatst. Dit idee is vergelijkbaar met het gebruik van je hand om zonlicht te blokkeren om iets van een afstand beter te kunnen zien. Toekomstige ruimtetelescopen zouden hiervoor kleine binnenmaskers of een groot, parachute-achtig ruimtevaartuig kunnen gebruiken. Als het sterlicht eenmaal is geblokkeerd, is het veel gemakkelijker om het licht te bestuderen dat van een planeet weerkaatst.

Er zijn momenteel ook drie enorme telescopen op de grond in aanbouw die zullen kunnen zoeken naar biometrische vingerafdrukken: Gigantische Magellan-telescoopDe Dertig meter telescoop en de europese zeer grote telescoop. Elk is veel krachtiger dan de telescopen op aarde, en hoewel ze worden belemmerd door de atmosfeer van de aarde die het sterrenlicht vervormt, kunnen deze telescopen misschien de atmosferen van de dichtstbijzijnde werelden verkennen op zoek naar zuurstof.

Is het biologie of geologie?

Zelfs met behulp van de krachtigste telescopen in de komende decennia, zullen astrobiologen alleen de krachtige biosignaturen kunnen detecteren die worden geproduceerd door werelden die volledig zijn veranderd door het leven.

Helaas kunnen de meeste gassen die vrijkomen door het aardse leven ook worden geproduceerd door niet-biologische processen – koeien en vulkanen geven methaan af. Fotosynthese produceert zuurstof, maar zonlicht doet dat ook wanneer het watermoleculen splitst in zuurstof en waterstof. daar Een goede kans voor astronomen om enkele valse positieven te ontdekken Bij het zoeken naar een ver leven. Om valse positieven uit te sluiten, moeten astronomen een interessante planeet goed genoeg begrijpen om te begrijpen of dat zo is. Geologische of atmosferische processen kunnen een biosignatuur nabootsen.

De volgende generatie exoplaneetstudies heeft het potentieel om het niveau van Ongebruikelijk bewijs Noodzaak om het bestaan ​​van het leven te bewijzen. De eerste release van gegevens van de James Webb Space Telescope geeft ons een idee van de opwindende vooruitgang die binnenkort zal plaatsvinden.

Chris EmbiDistinguished University Professor of Astronomy, Universiteit van Arizona En de Daniel AbayHoogleraar astronomie en planetaire wetenschappen, Universiteit van Arizona

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd van Gesprek Onder een Creative Commons-licentie. Lees de origineel artikel.