Den 9 januari 1992, astronomer tillkännagav en betydelsefull upptäckt:två planeter som kretsar kring en pulsar 2, 300 ljusår från vår sol. De två planeterna, senare kallad Poltergeist och Draugr, var de första bekräftade "exoplaneterna" - världar utanför vårt solsystem, kretsar runt en avlägsen stjärna. Forskare känner nu till 3, 728 (bekräftade) exoplaneter i 2, 794 system, var och en ställde frågan:"Finns någon annan där ute?"

"Vilken viktigare fråga kan vi ställa? Är vi ensamma?" frågar Boston University professor i astronomi Michael Mendillo. "Jag känner inte till någon mer fascinerande fråga inom vetenskapen."

I årtionden, astronomer har sökt dessa avlägsna exoplaneter efter tecken på liv, letar mest efter den mest väsentliga molekylen, vatten. Men Mendillo och hans kollegor har en annan idé. I en tidning publicerad i Natur astronomi den 12 februari, 2018, Mendillo, BU docent i astronomi Paul Withers, och Ph.D. kandidaten Paul Dalba (GRS'18) föreslår att istället titta på en exoplanets jonosfär, det tunna översta lagret av atmosfären, som susar av laddade partiklar. Hitta en som jordens, de säger, packad med enstaka syrejoner, och du har hittat livet. Eller, åtminstone, livet som vi känner till det.

"Genom hela den mänskliga civilisationens historia, vi har aldrig kommit till den punkt – förrän i princip de senaste 15 åren – där vi kunde se planeter runt andra stjärnor. Och nu är vi vid den punkt där vi kommer på idéer för att upptäcka livet utanför jorden, " säger John Clarke, professor i astronomi vid Boston University, och chef för Centrum för rymdfysik. "Det här är ett fantastiskt intellektuellt äventyr som vi är på."

Deras arbete började när Mendillo och Withers fick ett bidrag från National Science Foundation (NSF) för att jämföra alla planetariska jonosfärer i solsystemet. (Alla planeterna har dem utom Merkurius, som är så nära solen att dess atmosfär avskalas helt.) Samtidigt, teamet arbetade också med NASA:s MAVEN-uppdrag, försökte förstå hur molekylerna som utgjorde Mars jonosfär hade undkommit den planeten. Sedan de första åren av rymdåldern, forskare har känt till att planetära jonosfärer skiljer sig mycket åt, och BU-teamet började fokusera på varför det var fallet, och varför jordens var så annorlunda. Medan andra planeter fyller sina jonosfärer med komplicerade laddade molekyler som härrör från koldioxid eller väte, Jorden gör det enkelt, med mestadels syre som fyller utrymmet. Och det är en specifik typ av syre - enstaka atomer med en positiv laddning.

"Jag började tänka, hur kommer det sig att vår jonosfär är annorlunda än de andra sex?" minns Mendillo.

Teamet bockade av många möjligheter för jordens höga koncentration av O+ innan de slog sig ner på en boven:gröna växter och alger.

"Det är för att vi har detta atomära syre som spårar sitt ursprung tillbaka till fotosyntesen, " säger Mendillo. "Vi har atomära syrejoner, O+, i jonosfären som en direkt konsekvens av att ha liv på planeten. Så varför ser vi inte om vi kan komma på ett kriterium där jonosfären kan vara en biomarkör, inte bara om möjligt liv utan om faktiska liv."

De flesta planeter i vårt solsystem har lite syre i sina lägre atmosfärer, men jorden har mycket mer, cirka 21 procent. Detta beror på att så många organismer har varit upptagna med att tända ljus, vatten, och koldioxid till socker och syre – den process som kallas fotosyntes – under de senaste 3,8 miljarder åren.

"Förstör alla växter på jorden och vår atmosfärs syre kommer att försvinna inom bara tusentals år, säger Withers, som noterar att allt detta syre som andas ut av växter inte bara fastnar runt jordens yta. "För de flesta människor, O2, syret vi andas, är inte en särskilt spännande molekyl. Till kemister, dock, O2 är en vild, spännande, och ett farligt odjur. Den kommer bara inte att sitta stilla; den reagerar kemiskt med nästan vilken annan molekyl den kan hitta och den gör det väldigt snabbt."

På jorden idag, överskott av syremolekyler, i form av O2, flyta uppåt. När O2 når cirka 150 kilometer över jordens yta, ultraviolett ljus delar den i två delar. De enskilda syreatomerna flyter högre, in i jonosfären, där mer ultraviolett ljus och röntgenstrålar från solen river elektroner från deras yttre skal, lämnar laddat syre som glider genom luften. Överflödet av O2 nära jordens yta – så annorlunda än de andra planeterna – leder till ett överflöd av O+ högt på himlen.

Detta fynd, säger Mendillo, föreslår att forskare som söker utomjordiskt liv kanske skulle kunna begränsa sitt sökområde. Paul Dalba, som arbetade på exoplanetatmosfärer med BU biträdande professor i astronomi Philip Muirhead, gick med i teamet för att väga in. "Dalbas kunskap om stjärn-exoplanetsystem hjälpte verkligen, " säger Mendillo. För närvarande, de flesta forskare på detta uppdrag fokuserar på stjärnor av M-klassen – de vanligaste i galaxen – och planeterna som kretsar runt dem i "den beboeliga zonen", "där vatten kan finnas.

Detta är vettigt, eftersom livet som vi känner det behöver vatten. Men forskare vet inte exakt hur mycket vatten en planet behöver för att försörja liv. "If we only had the Mediterranean, would that have been enough? Do we need the Pacific, but not the Atlantic?" asks Mendillo. "If you look at the ionosphere, you don't need to know the number. You just need to know that if the maximum electron density is associated with oxygen ions, then you've nailed it—you've got a planet where there's photosynthesis and life."

Självklart, this assumes that "life" is at least somewhat analogous to life on Earth, which requires not only water and oxygen, but also a certain temperature range, probably a magnetic field, och andra faktorer. "That's a good starting point, " says Clarke. "But in the back of our mind, we are all aware that there may be kinds of life we're not thinking about that may surprise us."

There's one other catch, at least for now:scientists don't have the tools to detect an ionosphere on any exoplanet—yet. "If you look at the space telescopes that might come next, a lot is going to be possible, " says Clarke. "I think in ten years we will have the technology to do this experiment."

Mendillo hopes his team's work makes a case for further research, utveckling, and exploration in this area. "Just the idea of using the ionosphere as a signature is a captivating idea, " he says. "We don't have the observational capability yet, but I'm optimistic. We offer this up as a challenge."