Det är ingen överdrift att säga att studiet av extrasolära planeter har exploderat under de senaste decennierna. Hittills, 4, 375 exoplaneter har bekräftats i 3, 247 system, med ytterligare 5, 856 kandidater väntar på bekräftelse. På senare år har Exoplanetstudier har börjat övergå från upptäcktsprocessen till en karakteriseringsprocess. Denna process förväntas accelerera när nästa generations teleskop blir operativa.

Som ett resultat, astrobiologer arbetar för att skapa omfattande listor över potentiella "biosignaturer, " som hänvisar till kemiska föreningar och processer som är förknippade med liv (syre, koldioxid, vatten, etc.) Men enligt ny forskning från ett team från Massachusetts Institute of Technology (MIT), en annan potentiell biosignatur vi bör hålla utkik efter är ett kolväte som kallas isopren (C ₅ H ₈ ).

Studien som beskriver deras resultat, "Utvärdering av isopren som en möjlig biosignaturgas i exoplaneter med anoxiska atmosfärer, " nyligen dök upp online och har godkänts för publicering av tidskriften Astrobiologi . För deras studiers skull, MIT-teamet tittade på den växande listan över möjliga biosignaturer som astronomer kommer att leta efter under de kommande åren.

Hittills, de allra flesta exoplaneter har upptäckts och bekräftats med indirekta metoder. För det mesta, astronomer har förlitat sig på transitmetoden (transitfotometri) och den radiella hastighetsmetoden (Dopplerspektroskopi), ensam eller i kombination. Endast ett fåtal har kunnat upptäckas med direktavbildning, vilket gör det mycket svårt att karakterisera exoplanetatmosfärer och ytor.

Endast vid sällsynta tillfällen har astronomer kunnat erhålla spektra som gjorde det möjligt för dem att bestämma den kemiska sammansättningen av den planetens atmosfär. Detta var antingen resultatet av ljus som passerade genom en exoplanets atmosfär när den passerade framför dess stjärna eller i de få fall där direkt avbildning inträffade och ljus som reflekterats från exoplanetens atmosfär kunde studeras.

Mycket av detta har haft att göra med gränserna för våra nuvarande teleskop, som inte har den nödvändiga upplösningen för att observera mindre, steniga planeter som kretsar närmare sin stjärna. Astronomer och astrobiologer tror att det är dessa planeter som med största sannolikhet är potentiellt beboeliga, men allt ljus som reflekteras från deras ytor och atmosfärer övermannas av ljuset som kommer från deras stjärnor.

Dock, det kommer att förändras snart när nästa generations instrument som James Webb Space Telescope (JWST) tar till rymden. Sara Seager, klassen 1941 professor i fysik och planetära vetenskaper vid MIT, leder den ansvariga forskargruppen (alias Seagergruppen) och var medförfattare på tidningen. Som hon sa till Universe Today via e-post:

"Med den kommande uppskjutningen av rymdteleskopet James Webb i oktober 2021 kommer vi att ha vår första förmåga att söka efter biosignaturgaser - men det kommer att bli tufft eftersom atmosfärssignalerna från den lilla steniga planeten är så svaga till att börja med. Med JWST på horisonten har antalet människor som arbetar inom fältet vuxit enormt. Studier som denna kommer med nya potentiella biosignaturgaser, och annat arbete som visar potentiella falska positiva effekter även för gaser som syre."

När den väl är utplacerad och i drift, JWST kommer att kunna observera vårt universum vid längre våglängder (i det nära- och mellaninfraröda området) och med kraftigt förbättrad känslighet. Teleskopet kommer också att förlita sig på en serie spektrografer för att få kompositionsdata, samt koronagrafier för att blockera det mörka ljuset från förälderstjärnor. Denna teknik kommer att göra det möjligt för astronomer att karakterisera atmosfären på mindre steniga planeter.

I tur och ordning, dessa data kommer att göra det möjligt för forskare att sätta mycket hårdare begränsningar på en exoplanets beboelighet och kan till och med leda till upptäckt av kända (och/eller potentiella) biosignaturer. Som noterat, dessa "biosignaturer" inkluderar de kemiska indikationerna förknippade med liv och biologisk process, för att inte tala om vilka typer av villkor som är gynnsamma för det.

Dessa inkluderar syrgas (O ₂ ), som är avgörande för de flesta livsformer på jorden och produceras av fotosyntetiska organismer (växter, träd, cyanobakterier, etc.). Samma organismer metaboliserar koldioxid (CO ₂ ), som syreomsättande liv avger som avfallsprodukt. Det finns också vatten (H ₂ O), som är avgörande för allt liv som vi känner det, och metan (CH ₄ ), som släpps ut av sönderfallande organiskt material.

Eftersom vulkanisk aktivitet tros spela en viktig roll för planetarisk beboelighet, de kemiska biprodukterna associerade med vulkanism - vätesulfid (H ₂ S), svaveldioxid (SO ₂ ), kolmonoxid (CO), vätgas (H ₂ ), etc. – betraktas också som biosignaturer. Till denna lista, Zhan, Seager, och deras kollegor ville lägga till en annan möjlig biosignatur - isopren. Som Zhan förklarade för Universe Today via e-post:

"Vår forskargrupp vid MIT fokuserar på att använda ett holistiskt tillvägagångssätt för att utforska alla möjliga gaser som potentiell biosignaturgas. Vårt tidigare arbete ledde till skapandet av databasen för alla små molekyler. Vi fortsätter att filtrera ASM-databasen för att identifiera den mest rimliga biosignaturgasen. kandidater, varav en är isopren, med hjälp av maskininlärning och datadrivna metoder."

Som sin kusin metan, isopren är en organisk kolvätemolekyl som produceras som en sekundär metabolit av olika arter här på jorden. Förutom lövträd, isopren produceras också av en mängd olika evolutionärt avlägsna organismer - som bakterier, växter, och djur. Som Seager förklarade, detta gör den lovande som en potentiell biosignatur:

"Isopren är lovande eftersom det produceras i enorma kvaliteter av livet på jorden - lika mycket som metanproduktion! Dessutom, ett stort utbud av livsformer (från bakterier till växter och djur), de som är evolutionärt avlägsna från varandra, producera isopren, antyder att det kan vara någon slags nyckelbyggesten som livet någon annanstans också kan göra."

Medan isopren är ungefär lika rikligt som metan här på jorden, isopren förstörs genom interaktion med syre och syrehaltiga radikaler. Av denna anledning, Zhang, Seager, och deras team valde att fokusera på anoxiska atmosfärer. Dessa är miljöer som till övervägande del består av H ₂ , CO ₂ , och kvävgas (N ₂ ), som liknar vad jordens uratmosfär bestod av.

Enligt deras fynd, en urplanet (där liv börjar växa fram) skulle ha rikligt med isopren i sin atmosfär. Detta skulle ha varit fallet på jorden för mellan 4 och 2,5 miljarder år sedan när encelliga organismer var det enda livet och fotosyntetiska cyanobakterier långsamt omvandlade jordens atmosfär till en som var syrerik.

För 2,5 miljarder år sedan, detta kulminerade i "Great Oxygenation Event" (GOE), som visade sig vara giftigt för många organismer (och metaboliter som isopren). Det var också under denna tid som komplexa livsformer (eukaryoter och flercelliga organismer) började växa fram. I det här avseendet, isopren skulle kunna användas för att karakterisera planeter som är mitt uppe i ett stort evolutionärt skifte och som lägger grunden för framtida djurfyla.

Men som Zhang noterade, att reta ut denna potentiella biosignatur kommer att vara en utmaning, även för JWST:

"Varningarna med isopren som biomarkör är att:(1) 10x-100x jordens isoprenproduktionshastighet behövs för detektering; (2) Detektering av nära-infraröd isoprenspektralfunktion kan hindras av närvaron av metan eller andra kolväten. Unikt upptäckt av isopren kommer att vara utmanande med JWST, eftersom många kolvätemolekyler delar liknande spektraegenskaper i nära-infraröda våglängder. Men framtida teleskop som fokuserar på mitten av IR-våglängden kommer att kunna detektera isoprenspektrala egenskaper unikt."

Bortom JWST, Nancy Grace Roman Space Telescope (efterträdare till Hubble-uppdraget) kommer också att ta sig ut i rymden 2025. Detta observatorium kommer att ha kraften hos 100 Hubbles och dess nyligen uppgraderade infraröda filter gör det möjligt för det att karakterisera exoplaneter på egen hand och genom samarbeten med JWST och andra "stora observatorier".

Det finns också flera markbaserade teleskop som för närvarande byggs här på jorden som kommer att förlita sig på sofistikerade spektrometrar, koronografier och adaptiv optik (AO). Dessa inkluderar Extremely Large Telescope (ELT), Giant Magellan Telescope (GMT), The Thirty Meter Telescope (TMT) Dessa teleskop kommer också att kunna utföra direkta avbildningsstudier av exoplaneter, och resultaten förväntas bli banbrytande.

Mellan förbättrade instrument, snabbt förbättra dataanalys och tekniker, och förbättringar i vår metodik, studiet av exoplaneter förväntas bara accelerera ytterligare. Förutom att ha tiotusentals fler tillgängliga för studier (av vilka många kommer att vara steniga och "jordliknande"), de oöverträffade vyerna vi kommer att ha på dem kommer att låta oss se hur många beboeliga världar som finns där ute.

Huruvida detta kommer att resultera i upptäckten av utomjordiskt liv inom våra liv återstår att se. Men en sak är klar. Under de kommande åren, när astronomer börjar kamma igenom alla nya data de kommer att ha om exoplanetatmosfärer, de kommer att ha en omfattande lista över biosignaturer som vägledning.