Ingredienserna för livet är spridda över hela universum. Medan jorden är den enda kända platsen i universum med liv, är att upptäcka liv bortom jorden ett viktigt mål för modern astronomi och planetvetenskap.

Vi är två forskare som studerar exoplaneter och astrobiologi. Till stor del tack vare nästa generations teleskop som James Webb kommer forskare som vi snart att kunna mäta den kemiska sammansättningen av atmosfärer på planeter runt andra stjärnor. Förhoppningen är att en eller flera av dessa planeter ska ha en kemisk signatur av liv.

Beboeliga exoplaneter

Det kan finnas liv i solsystemet där det finns flytande vatten – som de underjordiska akvifärerna på Mars eller i haven på Jupiters måne Europa. Men att söka efter liv på dessa platser är otroligt svårt, eftersom de är svåra att nå och att upptäcka liv skulle kräva att man skickade en sond för att returnera fysiska prover.

Många astronomer tror att det finns en god chans att det finns liv på planeter som kretsar runt andra stjärnor, och det är möjligt att det är där livet först kommer att hittas.

Teoretiska beräkningar tyder på att det finns omkring 300 miljoner potentiellt beboeliga planeter enbart i Vintergatans galax och flera beboeliga planeter i jordstorlek inom bara 30 ljusår från jorden - i huvudsak mänsklighetens galaktiska grannar. Hittills har astronomer upptäckt över 5 000 exoplaneter, inklusive hundratals potentiellt beboeliga, med indirekta metoder som mäter hur en planet påverkar sin närliggande stjärna. Dessa mätningar kan ge astronomer information om massan och storleken på en exoplanet, men inte mycket annat.

Letar efter biosignaturer

För att upptäcka liv på en avlägsen planet kommer astrobiologer att studera stjärnljus som har interagerat med en planets yta eller atmosfär. Om atmosfären eller ytan förvandlades av liv, kan ljuset bära en ledtråd, som kallas en "biosignatur."

Under den första hälften av sin existens hade jorden en atmosfär utan syre, även om den var värd för enkelt, encelligt liv. Jordens biosignatur var mycket svag under denna tidiga era. Det förändrades abrupt för 2,4 miljarder år sedan när en ny familj av alger utvecklades. Algerna använde en fotosyntesprocess som producerar fritt syre - syre som inte är kemiskt bundet till något annat element. Från den tiden har jordens syrefyllda atmosfär lämnat en stark och lätt detekterbar biosignatur på ljus som passerar genom den.

När ljus studsar från ytan av ett material eller passerar genom en gas, är det mer sannolikt att vissa våglängder av ljuset förblir instängda i gasen eller materialets yta än andra. Denna selektiva fångst av ljusets våglängder är anledningen till att föremål har olika färger. Bladen är gröna eftersom klorofyll är särskilt bra på att absorbera ljus i de röda och blå våglängderna. När ljus träffar ett löv absorberas de röda och blå våglängderna och lämnar mestadels grönt ljus som studsar tillbaka in i dina ögon.

Mönstret av saknat ljus bestäms av den specifika sammansättningen av materialet ljuset interagerar med. På grund av detta kan astronomer lära sig något om sammansättningen av en exoplanets atmosfär eller yta genom att i huvudsak mäta den specifika färgen på ljus som kommer från en planet.

Den här metoden kan användas för att känna igen förekomsten av vissa atmosfäriska gaser som är förknippade med liv - som syre eller metan - eftersom dessa gaser lämnar mycket specifika signaturer i ljuset. Det kan också användas för att upptäcka speciella färger på ytan av en planet. På jorden, till exempel, fångar klorofyll och andra pigment som växter och alger använder för fotosyntes specifika våglängder av ljus. Dessa pigment producerar karakteristiska färger som kan detekteras med hjälp av en känslig infraröd kamera. Om du skulle se denna färg reflekteras från ytan på en avlägsen planet, skulle det potentiellt betyda närvaron av klorofyll.

Teleskop i rymden och på jorden

Det krävs ett otroligt kraftfullt teleskop för att upptäcka dessa subtila förändringar i ljuset som kommer från en potentiellt beboelig exoplanet. För närvarande är det enda teleskopet som kan göra en sådan bedrift det nya rymdteleskopet James Webb. När det började sin vetenskapliga verksamhet i juli 2022 tog James Webb en avläsning av spektrumet för gasjättens exoplanet WASP-96b. Spektrumet visade närvaron av vatten och moln, men en planet så stor och varm som WASP-96b kommer sannolikt inte att vara värd för liv.

Men dessa tidiga data visar att James Webb är kapabel att upptäcka svaga kemiska signaturer i ljus som kommer från exoplaneter. Under de kommande månaderna kommer Webb att vända sina speglar mot TRAPPIST-1e, en potentiellt beboelig planet i jordstorlek bara 39 ljusår från jorden.

Webb kan leta efter biosignaturer genom att studera planeter när de passerar framför sina värdstjärnor och fånga stjärnljus som filtrerar genom planetens atmosfär. Men Webb var inte designad för att söka efter liv, så teleskopet kan bara granska några av de närmaste potentiellt beboeliga världarna. Den kan också bara upptäcka förändringar av atmosfäriska nivåer av koldioxid, metan och vattenånga. Även om vissa kombinationer av dessa gaser kan antyda liv, kan Webb inte upptäcka närvaron av obundet syre, vilket är den starkaste signalen för livet.

Ledande koncept för framtida, ännu kraftfullare, rymdteleskop inkluderar planer på att blockera det starka ljuset från en planets värdstjärna för att avslöja stjärnljus som reflekteras tillbaka från planeten. Den här idén liknar att använda din hand för att blockera solljus för att bättre se något på avstånd. Framtida rymdteleskop skulle kunna använda små, inre masker eller stora, externa, paraplyliknande rymdfarkoster för att göra detta. När stjärnljuset är blockerat blir det mycket lättare att studera ljus som studsar från en planet.

Det finns också tre enorma, markbaserade teleskop för närvarande under uppbyggnad som kommer att kunna söka efter biosignaturer:Giant Magellen Telescope, Thirty Meter Telescope och European Extremely Large Telescope. Var och en är mycket kraftfullare än befintliga teleskop på jorden, och trots handikappet med att jordens atmosfär förvränger stjärnljuset, kan dessa teleskop kanske undersöka atmosfärerna i de närmaste världarna efter syre.

Är det biologi eller geologi?

Även med de mest kraftfulla teleskopen under de kommande decennierna kommer astrobiologer bara att kunna upptäcka starka biosignaturer som producerats av världar som har förvandlats helt av livet.

Tyvärr kan de flesta gaser som släpps ut av liv på jorden också produceras av icke-biologiska processer - både kor och vulkaner släpper ut metan. Fotosyntes producerar syre, men solljus gör det också, när det delar vattenmolekyler till syre och väte. Det finns en god chans att astronomer kommer att upptäcka några falska positiva resultat när de letar efter avlägset liv. För att hjälpa till att utesluta falska positiva resultat måste astronomer förstå en planet av intresse tillräckligt bra för att förstå om dess geologiska eller atmosfäriska processer kan efterlikna en biosignatur.

Nästa generation av exoplanetstudier har potential att klara ribban för de extraordinära bevis som behövs för att bevisa existensen av liv. Det första datasläppet från rymdteleskopet James Webb ger oss en känsla av de spännande framsteg som kommer snart. + Utforska vidare

Webb avslöjar ångande atmosfär från en avlägsen planet i detalj

Den här artikeln är återpublicerad från The Conversation under en Creative Commons-licens. Läs originalartikeln.