W tym miesiącu rozpocznie się nowy rozdział w poszukiwaniach życia pozaziemskiego, kiedy najpotężniejszy dotychczas zbudowany teleskop kosmiczny zacznie szpiegować planety krążące wokół innych gwiazd. Astronomowie mają nadzieję, że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba ujawni, czy niektóre z tych planet mają atmosfery, które mogą podtrzymywać życie.
Wyznaczanie atmosfery w innym układzie słonecznym byłoby wystarczająco fajne. Istnieje jednak szansa – choć niewielka – że jedna z tych atmosfer oferuje coś, co nazywamy biosygnaturą: odniesienie do samego życia.
„Myślę, że będziemy w stanie znaleźć planety, które naszym zdaniem są interesujące – wiesz, dobre perspektywy na życie” – powiedziała Megan Mansfield, astronom z University of Arizona. „Ale niekoniecznie będziemy w stanie od razu zidentyfikować życie”.
Jak dotąd Ziemia pozostaje jedyną planetą we wszechświecie, na której wiadomo, że istnieje życie. Naukowcy wysyłają sondy na Marsa od prawie 60 lat i jeszcze go nie znaleźli. Ale można sobie wyobrazić, że życie kryje się pod powierzchnią czerwonej planety lub czeka na odkrycie na księżycu Jowisza lub Saturna. Niektórzy uczeni wyrazili na to nadzieję WenusMimo palącej atmosfery chmur dwutlenku siarki może być domem dla dzieci Wenus.
Nawet jeśli Ziemia okaże się jedyną planetą w naszym Układzie Słonecznym, na której znajduje się życie, wiele innych układów słonecznych we wszechświecie posiada tak zwane egzoplanety.
W 1995 roku szwajcarscy astronomowie odkryli pierwszą egzoplanetę krążącą wokół gwiazdy podobnej do Słońca. Znana jako 51 Pegasi b, egzoplaneta okazuje się mało obiecującym domem na całe życie – pęczniejącym gazowym olbrzymem większym od Jowisza i ciepłym o 1800 stopni Fahrenheita.
W następnych latach naukowcy odkryli: Ponad 5000 innych egzoplanet. Niektóre są bardzo podobne do Ziemi – mniej więcej tej samej wielkości, zbudowane ze skał zamiast gazu i krążące w „Strefie Złotowłosej” wokół swojej gwiazdy, niezbyt blisko gotowania, ale nie wystarczająco daleko, aby zamarznąć.
Niestety, stosunkowo niewielkie rozmiary tych egzoplanet sprawiły, że do tej pory były one niezwykle trudne do zbadania. Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, wystrzelony w ostatnie Boże Narodzenie, zmieni to, działając jak szkło powiększające, aby umożliwić astronomom dokładniejsze przyjrzenie się tym światom.
Od czasu wystrzelenia z Kourou w Gujanie Francuskiej teleskop ma: Podróżowałem Milion mil od Ziemi wchodzi na swoją orbitę wokół Słońca. Tam tarcza chroni jego 21-metrowe lustro przed wszelkim ciepłem lub światłem od słońca lub ziemi. W tej głębokiej ciemności teleskop może wykryć słabe, odległe promienie światła, w tym takie, które mogą ujawnić nowe szczegóły dotyczące odległych planet.
Dr Mansfield powiedział, że teleskop kosmiczny „jest pierwszym dużym obserwatorium kosmicznym, które uwzględnia w swoim projekcie badania atmosfer egzoplanet”.
Inżynierowie NASA rozpoczęli robienie zdjęć szeregu obiektów za pomocą Teleskopu Webba w połowie czerwca, a pierwsze zdjęcia opublikują publicznie 12 lipca.
Egzoplanety znajdą się w tej pierwszej partii zdjęć, powiedział Eric Smith, główny naukowiec programu. Ponieważ teleskop spędzi stosunkowo krótki czas na obserwacji egzoplanet, dr Smith uznał te pierwsze zdjęcia za „szybkie i brudne” spojrzenie na moc teleskopu.
Te szybkie spojrzenia będą następstwem serii znacznie dłuższych obserwacji, które rozpoczną się w lipcu, zapewniając wyraźniejszy obraz egzoplanet.
Kilka zespołów astronomów planuje się przyjrzeć siedem planet orbitująca wokół gwiazdy zwanej Trappist-1. Wcześniejsze obserwacje wskazywały, że trzy planety zajmują strefę nadającą się do zamieszkania.
„To idealne miejsce do szukania śladów życia poza Układem Słonecznym” – powiedziała Olivia Lim, absolwentka Uniwersytetu w Montrealu, która będzie obserwowała planety Trappist-1 od około 4 lipca.
Ponieważ Trappist-1 jest małą, zimną gwiazdą, jej strefa zamieszkana jest bliżej niż w naszym Układzie Słonecznym. W rezultacie jego potencjalnie nadające się do zamieszkania planety krążą w bliskiej odległości, a orbitowanie wokół gwiazdy zajmuje tylko kilka dni. Za każdym razem, gdy planety przechodzą przed Trappist-1, naukowcy będą mogli odpowiedzieć na podstawowe, ale kluczowe pytanie: Czy któraś z nich ma atmosferę?
„Gdyby nie miał powietrza, nie nadawałby się do zamieszkania, nawet gdyby znajdował się w nadającym się do zamieszkania obszarze” – powiedziała Nicole Lewis, astronom z Cornell University.
Dr Lewis i inni astronomowie nie byliby zaskoczeni, gdyby nie znaleźli atmosfer otaczających planety Trappist-1. Nawet jeśli planety wytworzyły atmosfery podczas formowania, gwiazda mogła je rozerwać dawno temu za pomocą promieniowania ultrafioletowego i rentgenowskiego.
„Możliwe, że mogliby usunąć całą atmosferę planety, zanim będzie ona miała szansę zacząć tworzyć życie” – powiedział dr Mansfield. „To pierwsze pytanie, na które staramy się tutaj odpowiedzieć: czy te planety mogą mieć wystarczająco długą atmosferę, aby móc rozwinąć życie”.
Planeta przechodząca przed Trappist-1 stworzy mały cień, ale cień będzie zbyt mały, by mógł go wychwycić teleskop kosmiczny. Zamiast tego teleskop wykryje lekkie przyciemnienie w świetle gwiazdy.
„To jak patrzenie na zaćmienie Słońca z zamkniętymi oczami” – powiedział Jacob Lustig-Jeiger, astronom, który odbył staż podoktorski w Johns Hopkins Laboratory of Applied Physics. „Możesz mieć poczucie, że światło przygasło”.
Planeta z atmosferą przyciemniałaby znajdującą się za nią gwiazdę inaczej niż naga planeta. Część światła gwiazdy przejdzie bezpośrednio przez atmosferę, ale gazy będą absorbować światło o określonej długości fali. Gdyby astronomowie patrzyli tylko na światło gwiazd na tych długościach fal, planeta przyciemniłaby Trappist-1 jeszcze bardziej.
Teleskop wyśle te obserwacje Trappist-1 z powrotem na Ziemię. A potem dostajesz e-mail w stylu: „Hej, twoje dane są dostępne” – powiedział dr Mansfield.
Ale światło z Trappist-1 będzie tak słabe, że zajmie trochę czasu, aby to zrozumieć. „Twoje oko jest przyzwyczajone do radzenia sobie z milionami fotonów na sekundę” – powiedział dr Smith. „Ale te teleskopy zbierają tylko kilka fotonów na sekundę”.
Zanim dr Mansfield lub jej koledzy astronomowie będą mogli przeanalizować egzoplanety przechodzące przed Trappist-1, najpierw będą musieli odróżnić je od maleńkich fluktuacji wytwarzanych przez specjalny mechanizm teleskopu.
„Wiele pracy, którą wykonuję, polega na upewnieniu się, że dokładnie korygujemy wszelkie dziwne rzeczy, które wykonuje teleskop, abyśmy mogli zobaczyć te bardzo małe sygnały” – powiedział dr Mansfield.
Pod koniec tych wysiłków dr Mansfield i jej koledzy mogą odkryć atmosferę wokół Trappist-1. Ale sam ten wynik nie ujawni natury atmosfery. Może być bogaty w azot i tlen, tak jak na Ziemi, lub podobny do toksycznej zupy dwutlenku węgla i kwasu siarkowego na Wenus. Albo może to być kombinacja, której naukowcy nigdy wcześniej nie widzieli.
„Nie mamy pojęcia, z czego zbudowane są te atmosfery” – powiedział Alexander Rathke, astronom z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego. „Mamy pomysły, symulacje i tak dalej, ale tak naprawdę nie mamy żadnego pomysłu. Musimy iść i poszukać.”
Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba, czasami nazywany JWST, może okazać się wystarczająco potężny, aby określić poszczególne składniki atmosfer egzoplanet, ponieważ każdy rodzaj cząstki pochłania inny zakres długości fal światła.
Ale te odkrycia będą zależeć od pogody na planetach zewnętrznych. Jasny, odbijający światło koc chmur może blokować przedostawanie się światła gwiazd do atmosfery egzoplanety, niszcząc wszelkie próby znalezienia kosmicznego powietrza.
„Naprawdę trudno odróżnić atmosferę z chmurami od atmosfery bez atmosfery” – powiedział dr Rathcke.
Jeśli pogoda sprzyja, astronomowie są szczególnie zainteresowani sprawdzeniem, czy egzoplanety mają wodę w swoich atmosferach. Przynajmniej na Ziemi woda jest niezbędnym warunkiem biologii. „Uważamy, że byłby to prawdopodobnie dobry punkt wyjścia do poszukiwania życia” – powiedział dr Mansfield.
Jednak wodnista atmosfera niekoniecznie oznacza, że egzoplaneta jest schronieniem dla życia. Aby upewnić się, że planeta żyje, naukowcy będą musieli odkryć biomarker, cząsteczkę lub grupę kilku cząsteczek, które są charakterystycznie tworzone przez żywe organizmy.
Naukowcy wciąż debatują, czym jest wiarygodna biosygnatura. Atmosfera ziemska jest wyjątkowa w naszym Układzie Słonecznym, ponieważ zawiera dużo tlenu, głównie produktu roślinnego i alg. Ale tlen może być również produkowany bez pomocy życia, gdy cząsteczki wody w powietrzu rozszczepiają się. Podobnie metan może być uwalniany przez żywe drobnoustroje, ale także przez wulkany.
Możliwe, że istnieje pewna równowaga gazów, która może zapewnić wyraźny odcisk życiowy, którego nie można utrzymać bez pomocy życia.
„Potrzebujemy bardzo korzystnych scenariuszy, aby znaleźć te ważne odciski palców” – powiedział dr Rathcke. „Nie mówię, że to niemożliwe. Po prostu uważam, że to naciągane. Musimy mieć dużo szczęścia”.
Znalezienie takiej równowagi wymagałoby, aby Teleskop Webba obserwował planetę, która często przechodzi przed Trappist-1, powiedział Joshua Krissansen-Totton, planetolog z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Santa Cruz.
„Gdyby w ciągu następnych pięciu lat ktoś zgłosił się i powiedział: 'Tak, znaleźliśmy życie z JWST’, byłbym bardzo sceptyczny wobec tego twierdzenia” – powiedział dr Krissansen-Totton.
Możliwe, że Kosmiczny Teleskop Jamesa Webba po prostu nie będzie w stanie znaleźć danych biometrycznych. Być może ta misja będzie musiała poczekać na kolejną generację teleskopów kosmicznych, ponad dekadę później. Badałby te egzoplanety w taki sam sposób, w jaki ludzie patrzą na Marsa czy Wenus na nocnym niebie: obserwując odbijające się na nich światło gwiazd na czarnym tle przestrzeni, a nie gdy przechodzą przed gwiazdą.
„Przeważnie zrobimy bardzo ważne fundamenty dla przyszłych teleskopów” – przewiduje dr Rathcke. „Byłbym bardzo zaskoczony, gdyby JWST wprowadził biometryczne wykrywanie odcisków palców, ale mam nadzieję, że się poprawię. To znaczy, w zasadzie po to wykonuję tę pracę.”