I sökandet efter liv på andra planeter, närvaron av syre i en planets atmosfär är ett potentiellt tecken på biologisk aktivitet som kan upptäckas av framtida teleskop. En ny studie, dock, beskriver flera scenarier där en livlös stenig planet runt en solliknande stjärna skulle kunna utvecklas för att få syre i atmosfären.

De nya rönen, publicerad 13 april i AGU avancerar , belysa behovet av nästa generations teleskop som kan karakterisera planetariska miljöer och söka efter flera bevis för liv förutom att detektera syre.

"Det här är användbart eftersom det visar att det finns sätt att få syre i atmosfären utan liv, men det finns andra observationer du kan göra för att hjälpa till att skilja dessa falska positiva från den verkliga affären, " sa första författaren Joshua Krissansen-Totton, en Sagan Fellow vid institutionen för astronomi och astrofysik vid UC Santa Cruz. "För varje scenario, vi försöker säga vad ditt teleskop skulle behöva kunna göra för att skilja detta från biologiskt syre."

Under de kommande decennierna, kanske i slutet av 2030-talet, astronomer hoppas kunna ha ett teleskop som kan ta bilder och spektra av potentiellt jordliknande planeter runt solliknande stjärnor. Medförfattare Jonathan Fortney, professor i astronomi och astrofysik och chef för UCSC:s Other Worlds Laboratory, sa att tanken skulle vara att rikta in sig på planeter som liknar jorden tillräckligt för att liv kan ha uppstått på dem och karakterisera deras atmosfärer.

"Det har varit mycket diskussion om huruvida upptäckt av syre är "tillräckligt" som ett tecken på liv, " sade han. "Detta arbete argumenterar verkligen för att behöva känna till sammanhanget för din upptäckt. Vilka andra molekyler finns förutom syre, eller inte hittats, och vad säger det dig om planetens utveckling?"

Det betyder att astronomer kommer att vilja ha ett teleskop som är känsligt för ett brett spektrum av våglängder för att upptäcka olika typer av molekyler i en planets atmosfär.

Forskarna baserade sina resultat på en detaljerad, end-to-end beräkningsmodell av utvecklingen av steniga planeter, med början från deras smälta ursprung och sträcker sig genom miljarder år av kylning och geokemisk cykling. Genom att variera den initiala inventeringen av flyktiga element i deras modellplaneter, forskarna fick ett förvånansvärt brett spektrum av resultat.

Syre kan börja byggas upp i en planets atmosfär när ultraviolett ljus med hög energi delar upp vattenmolekyler i den övre atmosfären till väte och syre. Det lätta vätet flyr företrädesvis ut i rymden, lämnar syret bakom sig. Andra processer kan ta bort syre från atmosfären. Kolmonoxid och väte som frigörs genom avgasning från smält sten, till exempel, kommer att reagera med syre, och vittring av sten torkar också upp syre. Detta är bara några av de processer som forskarna införlivade i sin modell av den geokemiska utvecklingen av en stenig planet.

"Om du kör modellen för jorden, med vad vi tror var den första inventeringen av flyktiga ämnen, du får tillförlitligt samma resultat varje gång - utan liv får du inte syre i atmosfären, " sa Krissansen-Totton. "Men vi hittade också flera scenarier där du kan få syre utan liv."

Till exempel, en planet som annars är som jorden men som börjar med mer vatten kommer att sluta med mycket djupa hav, sätter ett enormt tryck på skorpan. Detta stänger effektivt ner geologisk aktivitet, inklusive alla processer som smältning eller vittring av stenar som skulle ta bort syre från atmosfären.

I det motsatta fallet, där planeten börjar med en relativt liten mängd vatten, magmaytan på den ursprungligen smälta planeten kan frysa snabbt medan vattnet stannar kvar i atmosfären. Denna "ångatmosfär" lägger tillräckligt med vatten i den övre atmosfären för att tillåta ackumulering av syre när vattnet bryts upp och väte försvinner.

"Den typiska sekvensen är att magmaytan stelnar samtidigt som vatten kondenserar ut i oceaner på ytan, " sa Krissansen-Totton. "På jorden, när vattnet kondenserats på ytan, flyktfrekvensen var låg. Men om du behåller en ångatmosfär efter att den smälta ytan har stelnat, det finns ett fönster på ungefär en miljon år när syre kan byggas upp eftersom det finns höga vattenkoncentrationer i den övre atmosfären och ingen smält yta för att förbruka syret som produceras av väteflykt."

Ett tredje scenario som kan leda till syre i atmosfären involverar en planet som annars är som jorden men som börjar med ett högre förhållande mellan koldioxid och vatten. Detta leder till en skenande växthuseffekt, gör det för varmt för att vatten någonsin ska kunna kondensera ut ur atmosfären till planetens yta.

"I detta Venus-liknande scenario, alla flyktiga ämnen börjar i atmosfären och få lämnas kvar i manteln för att bli avgasade och torka upp syre, " sa Krissansen-Totton.

Han noterade att tidigare studier har fokuserat på atmosfäriska processer, Den modell som används i denna studie utforskar den geokemiska och termiska utvecklingen av planetens mantel och skorpa. samt interaktionerna mellan skorpan och atmosfären.

"Det är inte beräkningskrävande, men det finns många rörliga delar och sammankopplade processer, " han sa.