Vissa exoplaneter lyser starkare än andra i sökandet efter liv bortom solsystemet. Ny NASA-forskning föreslår en ny metod för att sniffa upp exoplanetatmosfärer. Den drar fördel av frekventa stjärnstormar – som slungar enorma moln av stjärnmaterial och strålning ut i rymden – från svala, unga dvärgstjärnor för att markera tecken på beboeliga exoplaneter.

Traditionellt, forskare har sökt potentiella biosignaturer som sätt att identifiera bebodda världar:biprodukter från livet som vi känner det som syre eller metan som med tiden ackumuleras i atmosfären till detekterbara mängder. Men med dagens teknik, enligt Vladimir Airapetian, huvudförfattare till en Vetenskapliga rapporter studie publicerad den 2 november, 2017, att identifiera dessa gaser på avlägsna terrestra exoplaneter är tidskrävande, kräver dagars observationstid. Den nya studien föreslår att jag letar efter råare signaturer av potentiellt beboeliga världar istället, som skulle vara lättare att upptäcka med nuvarande resurser på kortare tid.

"Vi letar efter molekyler som bildas från grundläggande förutsättningar till liv - specifikt molekylärt kväve, vilket är 78 procent av vår atmosfär, sa Airapetian, som är solforskare vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, och vid American University i Washington, D.C. "Detta är grundläggande molekyler som är biologiskt vänliga och har stark infraröd emitterande kraft, öka vår chans att upptäcka dem."

Nuvarande liv på jorden säger till Airapetian och hans team av forskare att de borde leta efter atmosfärer rika på vattenånga och kväve, och syre, livets produkt. Syre och kväve flyter fritt stabilt i sin molekylära form – dvs. två atomer av antingen syre eller kväve bundna tillsammans i en molekyl. Men i närheten av en aktiv dvärgstjärna, extremt rymdväder utlöser distinkta kemiska reaktioner, som forskare kan använda som indikatorer på atmosfärens sammansättning.

Stjärnor som vår sol är turbulenta i tonåren och producerar ofta kraftfulla utbrott som kastar stjärnpartiklar framför dem till nästan ljushastigheter. Till skillnad från vår sol, vissa gula och de flesta orange stjärnor – som är lite kallare än solen – kan fortsätta att producera dessa starka stjärnstormar i miljarder år, genererar frekventa svärmar av högenergipartiklar.

När dessa partiklar når en exoplanet, de översvämmer dess atmosfär med tillräckligt med energi för att bryta molekylärt kväve och syre i enskilda atomer, och vattenmolekyler till hydroxyl—en atom vardera av syre och väte, sammanbundna. Därifrån, de reaktiva kväve- och syreatomerna utlöser en kaskad av kemiska reaktioner som i slutändan producerar vad forskarna kallar atmosfäriska beacons:hydroxyl, mer molekylärt syre, och kväveoxid - en molekyl gjord av en kväve- och en syreatom.

Airapetian och hans kollegor använde en modell för att beräkna hur mycket kväveoxid och hydroxyl som skulle bildas och hur mycket ozon som skulle förstöras i en jordliknande atmosfär runt en aktiv stjärna. Jordforskare har använt denna modell i årtionden för att studera hur ozon – som bildas naturligt när solljus träffar syre – i den övre atmosfären reagerar på solstormar, men det hittade en ny tillämpning i denna studie; Jorden är, trots allt, den bästa fallstudien som finns i sökandet efter liv.

Med hjälp av en datorsimulering, forskarna exponerade modellatmosfären för rymdvädret de förväntade sig från en sval, aktiv stjärna. De fann att ozon sjunker till ett minimum och ger bränsle till produktionen av atmosfäriska beacons.

För forskare, dessa kemiska reaktioner är mycket användbara. När stjärnljuset träffar atmosfären, fjäderliknande bindningar i beaconmolekylerna absorberar energin och vibrerar, skickar den energin tillbaka till rymden som värme, eller infraröd strålning. Forskare vet vilka gaser som avger strålning vid särskilda våglängder av ljus, så genom att titta på all strålning som kommer från atmosfären, det är möjligt att få en känsla av vad som finns i själva atmosfären.

Att bilda en detekterbar mängd av dessa fyrar kräver en stor mängd molekylärt syre och kväve. Så, om de upptäcks, dessa föreningar kan indikera en atmosfär fylld av biologiskt vänlig kemi, såväl som jordliknande atmosfärstryck – och därmed möjligheten till en beboelig värld, en nål i en stor höstack av exoplaneter.

Detta tillvägagångssätt är också tänkt att sålla bort exoplaneter utan ett jordliknande magnetfält. "En planet behöver ett magnetfält, som skyddar atmosfären och skyddar planeten från stjärnstormar och strålning, " sa Airapetian. "Om stjärnvindarna inte är så extrema att de komprimerar en exoplanets magnetfält nära dess yta, magnetfältet förhindrar utrymning av atmosfären, så det finns fler partiklar i atmosfären och en starkare resulterande infraröd signal."

Airapetian och hans kollegor använde data från NASA:s Earth-study TIMED-uppdrag – en förkortning för Thermosphere Ionosphere Mesophere Energetics Dynamics – för att simulera hur infraröda observationer av dessa beacons kan se ut. Uppgifterna kom från TIMED:s spektroskopiinstrument som heter SABER – en förkortning för Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry – som studerar samma kemi som genererar de atmosfäriska fyrarna, som det inträffar i jordens övre atmosfär som svar på solaktivitet.

"Om vi ​​tar vad vi vet om infraröd strålning som sänds ut av jordens atmosfär, Tanken är att titta på exoplaneter och se vilken typ av signaler vi kan upptäcka, sa Martin Mlynczak, en medförfattare till tidningen och SABRE associerad huvudutredare vid NASAs Langley Research Center i Hampton, Virginia. "Om vi ​​hittar exoplanetsignaler i nästan samma proportion som jordens, vi kan säga att planeten är en bra kandidat för att vara värd för liv."

SABRE-data visade att frekvensen av intensiva stjärnstormar är direkt relaterad till styrkan på värmesignalerna från de atmosfäriska fyrarna. Med fler stormar, fler beacon-molekyler genereras och den infraröda signalen skulle vara tillräckligt stark, forskarna uppskattar, att observeras från närliggande exoplaneter med ett sex till 10 meter rymdbaserat teleskop på bara två timmars observationstid.

"Det här är ett spännande nytt föreslaget sätt att leta efter livet, " sa Shawn Domagal-Goldman, en Goddard-astrobiolog som inte är kopplad till studien. "Men som med alla tecken på liv, exoplanetsamhället måste tänka hårt på sammanhanget. På vilka sätt kan icke-biologiska processer efterlikna denna signatur?"

Med rätt typ av stjärna, detta arbete kan leda till nya strategier i sökandet efter liv som identifierar inte bara potentiellt beboeliga planeter, men planetsystem, eftersom hur en planets atmosfär interagerar med sin moderstjärna har också en nyckeleffekt på dess beboelighet. Om lovande signaler upptäcks, forskare kan koordinera observationer med ett framtida rymdbaserat observatorium som NASA:s James Webb Space Telescope, öka sannolikheten för att upptäcka ett sådant potentiellt system.

"Nya insikter om potentialen för liv på exoplaneter är kritiskt beroende av tvärvetenskaplig forskning där data, modeller och tekniker används från NASA Goddards fyra vetenskapsavdelningar:heliofysik, astrofysik, planet- och geovetenskaper, "Goddard senior astrofysiker och medförfattare William Danchi sa. "Denna blandning producerar unika och kraftfulla nya vägar för exoplanetforskning."