Ingredienserna för livet är spridda över hela universum. Medan jorden är den enda kända platsen i universum med liv, är upptäckten av liv utanför jorden ett huvudmål för modern astronomi och planetvetenskap.
Vi är två forskare som studerar exoplaneter och astrobiologi. Till stor del tack vare nästa generations teleskop som James Webbs kommer forskare som vi snart att kunna mäta den kemiska sammansättningen av atmosfärerna på planeter runt andra stjärnor. Förhoppningen är att en eller flera av dessa planeter ska ha livets kemiska signatur.
Beboeliga exoplaneter
liv kan existera i solsystemet där det finns flytande vatten – som de underjordiska akvifärerna på Mars eller i haven på Jupiters måne Europa. Att söka efter liv på dessa platser är dock otroligt svårt eftersom de är svåra att nå och att upptäcka liv skulle kräva att man skickade en sond för att returnera fysiska prover.
Många astronomer tror att det finns en god chans att det finns liv på planeter som kretsar runt andra stjärnor och det är möjligt att det är här livet kommer att hittas först.
Teoretiska beräkningar visar att det bara finns cirka 300 miljoner potentiellt beboeliga planeter i Vintergatans galax och flera beboeliga planeter i jordstorlek inom bara 30 ljusår från jorden – i huvudsak mänsklighetens galaktiska grannar. Hittills har astronomer upptäckt över 5 000 exoplaneter, inklusive hundratals potentiellt beboeliga, med hjälp av indirekta metoder som mäter hur en planet påverkar en närliggande stjärna. Dessa mätningar kan ge astronomer information om massan och storleken på en exoplanet, men inte mycket annat.
Jag letar efter biosignaturer
För att upptäcka liv på en avlägsen planet kommer astrobiologer att studera stjärnljuset som det har interagerar med planetens yta eller atmosfär. Om atmosfären eller ytan har omvandlats av liv, kan ljuset bära ett spår som kallas en “biosignatur”.
Under den första hälften av sin existens hade jorden en syrefri atmosfär, även om den var värd för enkelt, encelligt liv. Jordens biosignatur var mycket svag under denna tidiga era. Det förändrades abrupt för 2,4 miljarder år sedan när en ny familj av alger utvecklades. Alger använde en process av fotosyntes som producerade fritt syre – syre som inte är kemiskt bundet till något annat grundämne. Sedan dess har jordens syrefyllda atmosfär lämnat en stark och lätt detekterbar biosignatur på ljuset som passerar genom den.
När ljus studsar från ytan av ett material eller passerar genom en gas, är det mer sannolikt att vissa våglängder av ljus förblir instängda i gasen eller ytan av materialet än andra. Denna selektiva fångst av ljusets våglängder är anledningen till att objekt har olika färger. Bladen är gröna eftersom klorofyll är särskilt bra på att absorbera ljus i de röda och blå våglängderna. När ljus träffar ett löv absorberas de röda och blå våglängderna, vilket lämnar mestadels grönt ljus att studsa tillbaka in i dina ögon.
Mönstret av saknat ljus bestäms av den specifika sammansättningen av materialet som ljuset interagerar med. På grund av detta kan astronomer lära sig något om sammansättningen av en exoplanets atmosfär eller yta genom att i huvudsak mäta den specifika färgen på ljus som kommer från en planet.
Denna metod kan användas för att upptäcka närvaron av vissa atmosfäriska gaser som är förknippade med liv – som syre eller metan – eftersom dessa gaser lämnar mycket specifika spår i ljuset. Den kan också användas för att upptäcka speciella färger på ytan av en planet. På jorden, till exempel, fångar klorofyll och andra pigment som växter och alger använder för fotosyntes specifika våglängder av ljus. Dessa pigment skapar karakteristiska färger som kan detekteras med en känslig infraröd kamera. Om du såg denna färg reflekteras från ytan på en avlägsen planet, skulle det potentiellt indikera närvaron av klorofyll.
Teleskop i rymden och på jorden
Det krävs ett otroligt kraftfullt teleskop för att upptäcka dessa subtila förändringar i ljuset som kommer från en potentiellt beboelig exoplanet. Hittills är det enda teleskopet som kan göra en sådan bedrift det nya James Webb rymdteleskopet. När vetenskapliga operationer började i juli 2022 läste James Webb spektrumet av gasjättens exoplanet WASP-96b. Spektrumet visade närvaron av vatten och moln, men en planet så stor och varm som WASP-96b kommer sannolikt inte att hysa liv.
Men dessa tidiga data tyder på att James Webb är kapabel att upptäcka svaga kemiska signaturer i ljus som kommer från exoplaneter. Under de kommande månaderna kommer Webb att vända sina speglar till TRAPPIST-1ea en potentiellt beboelig planet i jordstorlek bara 39 ljusår från jorden.
Webb kan söka efter biosignaturer genom att studera planeter när de passerar framför sina värdstjärnor och fånga stjärnljus som filtrerar genom planetens atmosfär. Men Webb var inte designad för att leta efter liv, så teleskopet kan bara undersöka några av de närmaste potentiellt beboeliga världarna. Dessutom kan den bara upptäcka förändringar i atmosfäriska nivåer av koldioxid, metan och vattenånga. Även om vissa kombinationer av dessa gaser kan innebära att lifeWebb inte kunde upptäcka närvaron av obundet syre, vilket är den starkaste signalen för livet.
Ledande koncept för framtida, ännu kraftfullare, rymdteleskop inkluderar planer på att blockera det starka ljuset från en planets värdstjärna för att avslöja stjärnljus som reflekteras tillbaka från planeten. Den här idén liknar att använda din hand för att blockera solljus för att bättre se något på avstånd. Framtida rymdteleskop kan använda små, inre masker eller stora, externa, paraplyliknande rymdfarkoster för att göra detta. När stjärnljuset väl är blockerat blir det mycket lättare att studera ljuset som reflekteras från en planet.
Det finns också tre enorma markbaserade teleskop för närvarande under uppbyggnad som kommer att kunna söka efter biosignaturer: Giant Magellan Telescopeon Thirty meter telescope och European Extremely Large Telescope. Var och en är mycket kraftfullare än befintliga teleskop på jorden, och trots nackdelen med att jordens atmosfär förvränger stjärnljuset, kan dessa teleskop kanske undersöka atmosfärerna i de närmaste världarna efter syre.
Är det biologi eller geologi?
Även med de mest kraftfulla teleskopen under de kommande decennierna kommer astrobiologer bara att kunna upptäcka starka biosignaturer som producerats av världar som har förvandlats helt av livet.
Tyvärr kan de flesta av de gaser som släpps ut av livet på jorden också produceras av icke-biologiska processer – både kor och vulkaner avger metan. Fotosyntes producerar syre, men det gör också solljus när det delar vattenmolekyler till syre och väte. Det finns en god chans att astronomer kommer att upptäcka några falska positiva resultat när de letar efter ett avlägset liv. För att hjälpa till att utesluta falska positiva resultat, måste astronomer förstå planeten av intresse tillräckligt bra för att veta om det är geologiska eller atmosfäriska processer kan efterlikna en biosignatur.
Nästa generation av exoplanetforskning har potential att överträffa ribban för extraordinära bevis som krävs för att bevisa existensen av liv. Den första publiceringen av data från rymdteleskopet James Webb ger oss en glimt av de spännande framstegen som kommer.
Chris Impey University emeritus professor i astronomi, University of Arizona och Daniel Appay, professor i astronomi och planetära vetenskaper, University of Arizona
Den här artikeln återpublicerades av The conversation under en Creative Commons-licens. Läs den ursprungliga artikeln.
https://www.nextgov.com/technology-news/2022/07/search-alien-life-astronomers-will-look-clues-atmospheres-distant-planets-and-james-webb-space-telescope-just- bevisade-det-möjligt-göra-så/374513/
