Forskare har upptäckt tusentals exoplaneter, inklusive dussintals terrestra - eller steniga - världar i de beboeliga zonerna runt deras moderstjärnor. Ett lovande tillvägagångssätt för att söka efter tecken på liv i dessa världar är att undersöka exoplanetatmosfärer för "biosignaturer" - egenheter i kemisk sammansättning som är tydliga tecken på liv. Till exempel, tack vare fotosyntesen, vår atmosfär består av nästan 21 % syre, en mycket högre nivå än förväntat med tanke på jordens sammansättning, omloppsbana och moderstjärna.

Att hitta biosignaturer är ingen enkel uppgift. Forskare använder data om hur exoplanetatmosfärer interagerar med ljus från sin moderstjärna för att lära sig om deras atmosfärer. Men informationen, eller spektra, att de kan samlas med hjälp av dagens mark- och rymdbaserade teleskop är för begränsat för att mäta atmosfärer direkt eller upptäcka biosignaturer.

Exoplanetforskare som Victoria Meadows, en professor i astronomi vid University of Washington, är fokuserade på vilka kommande observatorier, som rymdteleskopet James Webb, eller JWST, kunde mäta i exoplanetatmosfärer. Den 15 februari på American Association for the Advancement of Sciences årsmöte i Seattle, Ängar, en huvudutredare för UW:s Virtual Planetary Laboratory, kommer att hålla ett föredrag för att sammanfatta vilken typ av data dessa nya observatorier kan samla in och vad de kan avslöja om jordens atmosfärer, Jordliknande exoplaneter. Meadows satte sig ner med UW News för att diskutera löftet om dessa nya uppdrag för att hjälpa oss att se exoplaneter i ett nytt ljus.

F:Vilka förändringar kommer inom området exoplanetforskning?

Under de kommande fem till 10 åren, vi kommer potentiellt att få vår första chans att observera atmosfären hos marklevande exoplaneter. Detta beror på att nya observatorier kommer att komma online, inklusive rymdteleskopet James Webb och markbaserade observatorier som Extremely Large Telescope. Mycket av vårt senaste arbete på Virtual Planetary Laboratory, såväl som av kollegor på andra institutioner, har fokuserat på att simulera hur jordliknande exoplaneter kommer att "se ut" för JWST och markbaserade teleskop. Det gör att vi kan förstå spektra som dessa teleskop kommer att fånga upp, och vad dessa data kommer och inte kommer att berätta för oss om dessa exoplanetatmosfärer.

F:Vilka typer av exoplanetatmosfärer kommer JWST och andra uppdrag att kunna karakterisera?

Våra mål är faktiskt en utvald grupp exoplaneter som finns i närheten – inom 40 ljusår – och som kretsar väldigt små, coola stjärnor. Som referens, Kepler-uppdraget identifierade exoplaneter runt stjärnor som är mer än 1, 000 ljusår bort. De mindre värdstjärnorna hjälper oss också att få bättre signaler om vad planetatmosfärerna är gjorda av eftersom det tunna lagret av planetatmosfär kan blockera mer av en mindre stjärnas ljus.

Så det finns en handfull exoplaneter vi fokuserar på för att leta efter tecken på beboelighet och liv. Alla identifierades av markbaserade undersökningar som TRAPPIST och dess efterföljare, SPECULOOS – båda drivs av University of Liège – såväl som MEarth Project som drivs av Harvard. De mest kända exoplaneterna i denna grupp är förmodligen de sju jordplaneter som kretsar kring TRAPPIST-1. TRAPPIST-1 är en M-dvärgstjärna – en av de minsta du kan ha och fortfarande vara en stjärna – och dess sju exoplaneter sträcker sig inåt och bortom den beboeliga zonen, med tre i den beboeliga zonen.

Vi har identifierat TRAPPIST-1 som det bästa systemet att studera eftersom den här stjärnan är så liten att vi kan få ganska stora och informativa signaler från atmosfärerna i dessa världar. Dessa är alla kusiner till jorden, men med en helt annan förälderstjärna, så det ska bli väldigt intressant att se hur deras atmosfär är.

F:Vad har du lärt dig hittills om atmosfärerna hos TRAPPIST-1 exoplaneterna?

Astronomisamfundet har tagit observationer av TRAPPIST-1-systemet, men vi har inte sett något annat än "icke-detekteringar". Det kan fortfarande säga oss mycket. Till exempel, observationer och modeller tyder på att dessa exoplanetatmosfärer är mindre sannolikt att domineras av väte, det lättaste elementet. Det betyder att de antingen inte har någon atmosfär alls, eller så har de relativt hög densitet atmosfärer som jorden.

F:Ingen atmosfär alls? Vad skulle orsaka det?

M-dvärgstjärnor har en helt annan historia än vår egen sol. Efter deras barndom, solliknande stjärnor ljusnar med tiden när de genomgår fusion.

M-dvärgar börjar stora och ljusa, när de gravitationsmässigt kollapsar till den storlek de kommer att ha under större delen av sin livstid. Så, M-dvärgplaneter kan utsättas för långa tidsperioder - kanske så långt som en miljard år - av högintensiv ljusstyrka. Det kan beröva en planet från dess atmosfär, men vulkanisk aktivitet kan också fylla på atmosfärer. Baserat på deras densitet, vi vet att många av TRAPPIST-1-världarna sannolikt har reservoarer av föreningar – på mycket högre nivåer än jorden, faktiskt—det kan fylla på atmosfären. De första signifikanta JWST-resultaten för TRAPPIST-1 kommer att vara:Vilka världar behöll atmosfärer? Och vilka typer av atmosfärer är det?

Jag är tyst optimistisk att de har atmosfärer på grund av dessa reservoarer, som vi fortfarande upptäcker. Men jag är villig att bli överraskad av uppgifterna.

Vilka typer av signaler kommer JWST och andra observatorier att leta efter i atmosfären hos TRAPPIST-1 exoplaneter. Förmodligen är den lättaste signalen att leta efter närvaron av koldioxid.

F:Är CO2 en biosignatur?

Inte på egen hand, och inte bara från en enda signal. Jag säger alltid till mina elever – titta rätt, titta åt vänster. Både Venus och Mars har atmosfärer med höga halter av CO2, men inget liv. I jordens atmosfär, CO2-nivåerna anpassas efter våra årstider. På våren, nivåerna minskar när växter växer och tar ut CO2 ur atmosfären. På hösten, växter bryts ner och CO2 stiger. Så om du ser säsongsbetonad cykling, det kan vara en biosignatur. Men säsongsobservationer är mycket osannolika med JWST.

Istället, JWST kan leta efter en annan potentiell biosignatur, metangas i närvaro av CO2. Metan ska normalt ha en kort livslängd med CO2. Så om vi upptäcker båda tillsammans, något producerar förmodligen aktivt metan. På jorden, det mesta av metanet i vår atmosfär produceras av livet.

F:Hur är det med att upptäcka syre?

Enbart syre är inte en biosignatur. Det beror på dess nivåer och vad mer som finns i atmosfären. Du kan få en syrerik atmosfär från förlusten av ett hav, till exempel:Ljus delar upp vattenmolekyler till väte och syre. Väte flyr ut i rymden, och syre byggs upp i atmosfären.

JWST kommer sannolikt inte direkt att ta upp syre från syrehaltig fotosyntes - biosfären vi är vana vid nu. Extremely Large Telescope och relaterade observatorier kanske kan, eftersom de kommer att titta på en annan våglängd än JWST, där de kommer att ha en bättre chans att se syre. JWST kommer att vara bättre för att upptäcka biosfärer som liknar vad vi hade på jorden för miljarder år sedan, och för att skilja mellan olika typer av atmosfärer.

F:Vilka är några av de olika typerna av atmosfärer som TRAPPIST-1 exoplaneter kan ha?

M-dvärgens fas med hög ljusstyrka kan driva en planet mot en atmosfär med en skenande växthuseffekt, som Venus. Som jag sa tidigare, du kan förlora ett hav och få en syrerik atmosfär. En tredje möjlighet är att ha något mer jordliknande.

F:Låt oss prata om den andra möjligheten. Hur skulle JWST kunna avslöja en syrerik atmosfär om den inte kan upptäcka syre direkt?

Det fina med JWST är att den kan fånga upp processer som sker i en exoplanets atmosfär. Det kommer att plocka upp signaturerna för kollisioner mellan syremolekyler, vilket kommer att hända oftare i en syrerik atmosfär. Så vi kan sannolikt inte se syremängder associerade med en fotosyntetisk biosfär. Men om en mycket större mängd syre lämnades kvar från havsförlust, vi kan förmodligen se kollisioner av syre i spektrumet, och det är förmodligen ett tecken på att exoplaneten har förlorat ett hav.

Så, JWST kommer sannolikt inte att ge oss avgörande bevis på biosignaturer men kan ge några lockande tips, som kräver ytterligare uppföljning och – att gå framåt – att tänka på nya uppdrag bortom JWST. NASA överväger redan nya uppdrag. Vad skulle vi vilja att deras kapacitet ska vara?

Det för mig också till en mycket viktig punkt:Exoplanetvetenskap är massivt tvärvetenskaplig. Att förstå miljön i dessa världar kräver att man överväger omloppsbana, sammansättning, historia och värdstjärna – och kräver insatser från astronomer, geologer, atmosfäriska forskare, stjärnforskare. Det krävs verkligen en by för att förstå en planet.