Kredit:NASA Ames/JPL-Caltech
Kommande teleskop kommer att ge oss mer kraft att söka efter biosignaturer på alla exoplaneter vi har hittat. Mycket av biosignaturkonversationen är centrerad på biogen kemi, såsom atmosfäriska gaser som produceras av enkla, encelliga varelser. Men vad händer om vi vill söka efter tekniska civilisationer som kan finnas där ute? Kunde vi hitta dem genom att leta efter deras luftföroreningar?
Om en avlägsen civilisation gav vår planet en översiktlig blick i sin egen undersökning av främmande världar och teknosignaturer, de kunde inte låta bli att lägga märke till våra luftföroreningar.
Kan vi vända på steken mot dem?
Luftföroreningar som en teknosignatur är inte en helt ny idé. En ny artikel tittar på en specifik kemisk förorening som är både biogen och antropogen på jorden:NEJ 2 , eller kvävedioxid. Författarna säger att kvävedioxid kunde detekteras som en teknosignatur på en jordliknande planet som kretsar kring en sollik stjärna med ett 15-meters (49 fot) teleskop som liknar NASA:s föreslagna Large UV/Optical/IR Surveyor (LUVOIR). Dock, det skulle ta flera hundra timmars observationstid.
Uppsatsen som presenterar dessa fynd har titeln "Kvävedioxidförorening som en signatur för utomjordisk teknologi." Den är tillgänglig på pre-press-sajten arxiv.org och har inte granskats av experter än. Huvudförfattare är Dr. Ravi Kopparapu, en forskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center.
Till stor del tack vare Kepler-uppdraget och TESS-uppdraget, vi lever i en tid av upptäckt av exoplaneter. Vi känner nu till flera tusen exoplaneter, och antalet fortsätter att växa. Astronomer har karakteriserat massan, densitet, potentiell beboelighet, och andra egenskaper hos många av dem.
Nästa steg är att studera atmosfären hos några av de tusentals bekräftade exoplaneterna. Exoplanetforskare väntar ivrigt på den kommande uppskjutningen av James Webb Space Telescope (JWST.) JWST har förmågan att undersöka exoplanetatmosfärer i detalj.
Andra kommande anläggningar som rymdteleskopet Atmospheric Remote Sensing Infrared Exoplanet Large-survey (ARIEL) och stora markbaserade observatorier som European Extremely Large Telescope (E-ELT), Thirty Meter Telescope (TMT) och Giant Magellan Telescope (GMT) kommer också att kunna studera exoplaneter mer i detalj.
Forskare har förberett sig i förväg för all denna observationskraft för att förstå vad de ska leta efter och vad de kommer att se när de undersöker atmosfärer. Denna nya studie fokuserar på NO 2 och hur det kan upptäckas i dessa atmosfärer. De nollställde NEJ 2 eftersom det produceras antropogent genom förbränning och är en av de viktigaste tekniska föroreningarna. Allt produceras inte genom förbränning, men en del är det.
"Vissa NEJ 2 på jorden produceras som en biprodukt av förbränning, vilket antyder möjligheten till scenarier där större produktion av NO 2
Denna siffra från studien visar NEJ 2 absorptionstvärsnitt som funktion av våglängd. Den breda absorptionen mellan 0,25-0,6 µm är den dominerande egenskapen, och få andra molekyler absorberar här. Kredit:Kopparapu et al, 2021.
stöds av mer avancerad teknik på en annan planet, " skriver de. "Detekterar höga nivåer av NO 2 på nivåer över de icke-tekniska utsläpp som finns på jorden kan vara ett tecken på att planeten kan vara värd för aktiva industriella processer."
För att avgöra hur det ska upptäckas, forskare använde en enkel fotokemisk modell och genererade syntetiska atmosfäriska spektra. Atmosfärsspektra efterliknade vad astronomer kan se på en avlägsen exoplanet när planeten passerar sin sol.
Ett av begreppen i studien är geometrisk albedo. Det är förhållandet mellan en himlakropps ljusstyrka vid noll fasvinkel och en idealiserad perfekt reflekterande skiva. Vid en noll fasvinkel, en observatör skulle titta rakt på ljuskällan. Men på en exoplanet med atmosfär, ljuset sprids, och vi skulle aldrig se det i en nollfasvinkel. Den geometriska albedon hjälper astronomer att komma runt det problemet.
Även om NEJ 2 är detekterbar, det kommer att ta lång tid att se det. Det 15 meter långa LUVOIR-teleskopet skulle ta cirka 400 timmar för att upptäcka NO 2 på en jordliknande planet runt en solliknande stjärna 10 parsek bort. Även om det är mycket observerande tid att ägna åt ett mål, det är inte helt oöverträffat. För jämförelse, Hubble Ultra Deep Field tog cirka 11,5 dagar, eller 276 timmars observationstid.
Denna figur från panelen visar skillnaden i geometrisk albedo med och utan NO 2 för en jordliknande planet runt en solliknande stjärna (panel a) och runt en K6V stjärnspektraltyp (panel b) belägen vid 10 st med varierande NO 2 koncentrationer, antar LUVOIR-A (15 m) observationstid på 10 timmar. Den streckade linjen representerar brus, så de högsta koncentrationerna av NO 2 överstiger knappt bullret. Kredit:Kopparapu et al., 2021
Studien har en egenhet med sig. Teamet arbetar med atmosfäriskt NO 2 nivåer från för cirka 40 år sedan när koncentrationen i jordens atmosfär var högre. Så om resultat som dessa någonsin faktiskt hittades, och om de någonsin bekräftats vara från en teknisk källa, det skulle vara en civilisation som var på jordnivå från 40 år sedan.
"Historiskt sett, USA NO 2 koncentrationerna har varierat (sjunkit) med en faktor tre under en period av 40 år, från 1980–2019, " skriver författarna i tidningen. "Därför, vi kan utöka möjligheterna att upptäcka en teknisk civilisation i det skede där jordens civilisation var för 40 år sedan. Det är möjligt att föreställa sig ett mer högindustrialiserat samhälle som möjligen skulle kunna verka i regimen fem gånger jorden NO 2 nivå, vilket gör det möjligt att upptäcka den med LUVOIR-15m med ännu kortare observationstid än för nuvarande jordförhållanden."
Men det går lite framåt.
För ett system av typen sol-jord 10 parsec bort, det skulle ta cirka 400 timmars observation med LUVOIR-teleskopet för att upptäcka NO på jordnivå 2 nivåer över signal-brusförhållandet (SNR). Kredit:Kopparapu et al., 2021
Hittar helt enkelt NEJ 2 i en exoplanets atmosfär berättar inte astronomerna hur den producerades. "Det är viktigt att notera att man sätter begränsningar på en planets NEJ 2 överflöd från dess spektrum skulle inte definitivt svara på om NEJ 2 produceras biologiskt eller abiotiskt. Man skulle behöva uppskatta de produktionshastigheter som krävs för att producera det observerade NO 2 överflöd och utvärdera om abiotiska källor ensamma kan upprätthålla den antagna produktionshastigheten."
Det kommer att krävas mycket mer arbete, både observera och modellera, för att avgöra om ett NEJ 2 signalen hade en teknisk källa. Men det råder ingen tvekan om att en entydig upptäckt av tekniskt NO 2 skulle bli en stor händelse.
"Den serendipitösa upptäckten av NO 2 eller någon annan potentiell artificiell atmosfärisk spektral signatur (CFC, till exempel) kan bli en vattendelare i sökandet efter liv (biologiskt eller tekniskt), " sluter forskarna. "Är det troligt att biosignaturer är vanligare än teknosignaturer? Vi kommer inte att veta säkert förrän vi letar."
